轨/姿控火箭发动机推力矢量动态测试系统测量原理与动态性能

 基于国防和航天对轨/姿控火箭发动机脉冲推力矢量动态测试的重大需求,以压电石英为力敏,研制了压电式推力矢量动态测试系统。在探讨推力矢量描述参数及计算的基础上,提出了一种推力矢量测量方案。根据静力平衡原理,推导了求解推力矢量的一般方程。改进了非线性模态分析方法,以所获取的实际动态响应曲线为基础,建立了测试系统的理论动力学模型,利用拉普拉斯变换与逆变换、卷积定理,研究了系统的动态性能和脉冲推力测量性能。针对脉冲推力测量过程中所产生的误差,提出了一种基于理论动力学模型的加速度补偿算法。实验结果证明了测量方案和加速度补偿算法的可行性。     

微小推力冷气发动机动静态性能实验研究

针对所设计的微小推力冷气发动机进行高空模拟试验,搭建了试验系统,并应用推力测试装置测量了发动机不同推进剂下的推力和比冲,得到了发动机的稳态特征参数,当分别以丙烷和氮气为推进剂时,平均比冲分别为83.5s和75.6s.为了获得发动机的动态特征参数,对推力测量装置进行了负阶跃力和正阶跃力动态标定,通过标定数据的对比验证得到推力测量系统的延迟时间为90ms;进而在特定试验工况下,给出了发动机和推力测量装置实际上升时间的计算方法,得到丙烷质量流量为40mg/s时,发动机的上升时间为27.1 ms.     

基于应变片的双脉冲推力测量初步实现

为了获得激光推力器在多脉冲激光作用下产生推力的变化情况,建立了一套基于半导体应变片技术的双脉冲推力测试系统,介绍了系统标定及测试原理。在单脉冲能量80 J,重复频率10 Hz的条件下进行了实验,实验结果表明:该测试系统响应速度快、精度高,实验结果可信;同时发现,在双脉冲激光作用下,推力器产生的脉冲推力大小和推力的持续时间均会减小,冲量耦合系数也有所降低,与文献报道实验测量结果基本一致,对激光发动机的理论和数值研究具有一定的参考价值。     

基于扭摆台架的动态推力测试方法研究

微纳卫星微推力器的性能测试,要求在诊断稳态推力和冲量的同时测量动态推力,为此开展动态推力测试方法研究。根据扭摆式台架的二阶质量-弹簧-阻尼系统模型及特点,提出通过静、动态砝码标定,进行扭摆台架的转动惯量、阻尼常数和弹簧系数等参数辨识。利用干涉式激光位移计实现对微小位移的高精度和高频响测量,系统的测量精度约为10nm,测试带宽500k Hz。建立了探测器的记录光强与微位移间的数学模型,获取台架微位移,通过对微位移进行一次、二次求导获得台架的速度和加速度信息,根据台架运动方程,实现动态推力测量。误差分析表明,稳态推力测试的最大绝对误差小于0.5mN,动态推力测试的最大误差约为0.58mN。利用落压式工作的微型冷气推力器开展验证试验,结果表明该测试方法能够实现动态推力测量要求,响应频率为50Hz。     

一种多脉冲微推力的测量方法

 微推力测量技术是微推进器设计的关键技术之一,是微小卫星进行轨道保持、姿态控制的基础技术。多脉冲平均微推力的测量对于脉冲微推进器的特性研究有着重要的作用。对常用的微推力测量方法进行了总结,提出了一种多脉冲微推力测量的方法。基于二阶系统模型,利用傅里叶展开的方法,分析了在多脉冲推力作用下测量系统的动态响应。理论分析和仿真结果表明：在推力脉冲的频率远高于测量系统的固有频率时,系统的稳态转角同微推进器的平均推力成正比;可通过测量系统的稳态转角来获得平均推力大小;通过测量得到的平均推力,还可以获得总冲的大小。该测量方法可以有效避免推力信号的波动对于平均推力测量的影响。     

多循环脉冲爆震发动机推力测试试验

为了准确、可靠地直接测量多循环脉冲爆震发动机的推力,建立冷态阻力和热态净推力直接测量系统,针对内径114mm、长1100mm的气动阀式脉冲爆震发动机,研究冷态吹风条件下发动机及其主要部件的总压恢复、阻力损失等特性,验证推力测量系统有效地将射流试验条件下外溢气流对脉冲爆震发动机外部及其附件造成的阻力转移到支撑台架上,消除外溢气流对发动机推力测量的影响。开展大量的爆震燃烧试验,实现了脉冲爆震发动机达到40Hz稳定工作,并获得充分发展的爆震波,利用高频响动态推力传感器测量获得脉冲爆震发动机动态净推力变化规律。     

一种微推力测量系统的推力不确定度标定方法

利用微推力测量系统有助于星载微推力器性能的测评和研发,而其不确定度的标定可以判断实验测量结果的可信度,本文提出一种推力测量系统的推力不确定度标定方法。通过对推力测量系统施加已知标准力,根据推力测量系统的系统响应反演计算推力估计值,将已知标准力与推力估计值比较,以此标定推力测量系统的推力不确定度,并且给出推力不确定度和推力误差。所提方法具有以下主要特征：（1）利用推力积分方程离散化为推力离散化线性方程组求解推力加载全程的动态推力;（2）根据标准力不确定度和推力估计值不确定度,综合评价推力不确定度;（3）依据标准不确定度和扩展不确定度,获得给定置信度条件下的推力相对误差。本文基于所提方法对某亚毫牛级推力测量系统的不确定度进行了实验评估。结果表明在给定95%置信度条件下,其推力测量误差小于2%。所提出的推力不确定度标定方法,可为星载微推力器的推力误差评定提供了高置信度、高精度测评方法和手段。     

采用液压力反馈系统进行瞬态推力测量的研究

本文提出了一种利用液压膜盒——液压伺服阀作为补偿装置的测量系统,用力反馈的方法来改善推力测量系统的动态品质,以适应推力测量系统的要求。并进行了理论分析,列出了数学模拟的结果。结果表明,采用这种方法来解决瞬态推力的测量问题是很有希望的。     

空间姿控、末修级发动机系统动态特性分析

对以脉冲方式工作的空间姿控、末修用液体火箭发动机系统的动态特性进行数值仿真分析,并与热试车实验数据进行了比较,还讨论了多推力室动力系统在不同数量、不同类型推力室点火工作时推力响应的特点。     

基于LabVIEW的惯性测量组件自动化测试系统

因惯性测量组件是受温度等外界因素影响较大的高精度传感器模块,所以在生产过程中需对其进行测试并补偿来保证组件精度。针对原有惯性测量组件测试方式存在程序繁琐、测试周期长且效率低等缺点,设计了一款基于LabVIEW的惯性测量组件自动化测试系统。经过实验验证,该系统能够实现在进行惯性测量组件静态测试和动态测试的同时,对组件输出数据进行采集存储,为后续组件的补偿验证提供了数据支持,提高了测试效率,并且可实现全天候测试,具备自动化程度高和测试周期短等优点。     

Practical compensation for nonlinear dynamic thrust measurement system

The real dynamic thrust measurement system usually tends to be nonlinear due to the complex characteristics of the rig, pipes connection, etc. For a real dynamic measuring system,the nonlinearity must be eliminated by some adequate methods. In this paper, a nonlinear model of dynamic thrust measurement system is established by using radial basis function neural network(RBF-NN), where a novel multi-step force generator is designed to stimulate the nonlinearity of the system, and a practical compensation method for the measurement system using left inverse model is proposed. Left inverse model can be considered as a perfect dynamic compensation of the dynamic thrust measurement system, and in practice, it can be approximated by RBF-NN based on least mean square(LMS) algorithms. Different weights are set for producing the multi-step force, which is the ideal input signal of the nonlinear dynamic thrust measurement system. The validity of the compensation method depends on the engine’s performance and the tolerance error0.5%, which is commonly demanded in engineering. Results from simulations and experiments show that the practical compensation using left inverse model based on RBF-NN in dynamic thrust measuring system can yield high tracking accuracy than the conventional methods.     

基于MRAS和磁链补偿的无速度传感器永磁直线同步电机直接推力控制

永磁直线同步电机(PMLSM)直接推力控制系统中的传统机械传感器在恶劣工况下难以准确获取控制系统反馈信息。将模型参考自适应算法应用到PMLSM,设计了基于模型参考自适应系统(MRAS)的无速度传感器直接推力控制系统,依据辨识得到的磁链位置重新构建了一种磁链观测器,对磁链进行补偿,减小了直接推力控制推力响应的波动。通过仿真,证明了基于MRAS和磁链补偿的无速度传感器PMLSM直接推力控制系统能够准确地辨识初级的速度和位置信息,得到了较好的动静态性能。     

500N发动机新型推力架的研制

本文论述了一种新型推力架,采用了整体弹性元件和座控自动校准系统。推力架具有高的固有频率和良好的动态响应。不仅用于稳态推力测量,而且也用于变推力测量。推力测量范围是0～500N,保证精度为0.3％。     

一种基于动态补偿技术的微小稳态推力还原方法

新型微推力器是未来微纳卫星的生力军,其设计、研制和应用都离不开推力性能测量的工程支撑。在设计和研究阶段,新型微推力器稳态力输出时间与机械式直接测量系统稳态调整时间之间存在匹配问题,无法利用测量系统的稳态响应直接还原推力大小。提出一种基于动态补偿技术的稳态推力还原方法,通过分析稳态力工作时间、稳态力大小与测量系统稳态响应之间的关系,提出了动态补偿器的设计原则和推力还原步骤,并进行了实验验证。研究结果表明：当稳态推力实际工作时间大于测量系统周期的0.25倍,且小于测量系统稳态调整时间时,可利用动态补偿器设计原则建立新的等效测量系统,使最终的输出达到稳态,并利用最终的稳态响应均值还原推力大小。     

CS-01高空台推力测量和校准装置研制

推力是涡喷涡扇发动机高空模拟试验的重要测量参数之一。CS－01高空台原推力测量采用杠杆、砝码、测力秤系统，现采用原位校准，液压加载、应变式推力传感器来测量和校准，从而消除了“高度差”的影响，降低了稳态推力测量系统的测量不确定度。     

基于数学建模的压电传感器动态特性补偿方法

近年来,基于压电传感器和Lamb波的结构健康监测技术因其对小损伤敏感以及监测范围广等优点被广泛地研究并应用于飞行器上。由于材料特性以及其它复杂因素的影响,压电传感器采集的信号与原始信号并不能够完全一致,需要后续补偿处理。针对圆形压电传感器,从其工作机理出发,推导了其动态特性的理论公式,建立起传感器数学模型。利用MATLAB建立数学建模仿真得到传感器模型的动态特性曲线,并与实验获得的标定曲线进行了对比,验证了模型的合理性。为了改善压电传感器的动态特性,采用零极点配置法设计了动态补偿滤波器。结果表明,经过补偿的压电传感器的各方面动态指标较未补偿前有了很大的改善,响应速度得到了很大的提高,工作频带从315.9 kHz拓宽到609.1 kHz,说明经过补偿后的压电传感器可以应用到工程实践当中。     

Robust control for constant thrust rendezvous under thrust failure

A robust constant thrust rendezvous approach under thrust failure is proposed based on the relative motion dynamic model. Firstly, the design problem is cast into a convex optimization problem by introducing a Lyapunov function subject to linear matrix inequalities. Secondly, the robust controllers satisfying the requirements can be designed by solving this optimization problem.Then, a new algorithm of constant thrust fitting is proposed through the impulse compensation and the fuel consumption under the theoretical continuous thrust and the actual constant thrust is calculated and compared by using the method proposed in this paper. Finally, the proposed method having the advantage of saving fuel is proved and the actual constant thrust switch control laws are obtained through the isochronous interpolation method, meanwhile, an illustrative example is provided to show the effectiveness of the proposed control design method.     

高精度固体推进剂爆热测试系统

为准确测量固体推进剂储存期间爆热值的变化,研究了高精度的爆热测试设备。针对影响爆热测试的主要因素,在测试系统硬件设计中采取了降低热量损失的多种措施,并采用了悬浮式光电隔离技术;在系统软件设计中则采用了数字滤波技术,建立了新的热量散失校正数学模型,并对影响测试精度的因素进行在线实时补偿。对标准物质的热值测试表明,系统测试相对误差小于０．１％,实现了推进剂爆热的高精度测试。