臨近空間飛行器rcs噴流幹擾力與幹擾力矩測量裝置製造方法
2023-06-09 21:04:06 1
臨近空間飛行器rcs噴流幹擾力與幹擾力矩測量裝置製造方法
【專利摘要】本發明提供一種臨近空間飛行器RCS噴流幹擾力與幹擾力矩測量裝置，其包括六個單分量力傳感器、六根彈性鉸鏈連杆、三根轉接杆；其中，三個單分量力傳感器的測量方向沿笛卡爾坐標系的Z軸布置，用於分別測量沿坐標軸Z方向的力、沿坐標軸Y方向的力矩以及沿坐標軸X方向的力矩；兩個單分量力傳感器的測量方向沿X軸布置，用於測量沿坐標軸X方向的力以及沿坐標軸Z方向的力矩；一個單分量力傳感器的測量方向沿Y軸布置，用於測量方向沿坐標軸Y方向的力；彈性鉸鏈連杆豎直設置，且其一端分別固定於單分量力傳感器，另一端直接或間接通過轉接杆固定於上浮動板。本發明能夠完成RSC整機在工作狀態下三分量力和三分量力矩的同時測力。
【專利說明】臨近空間飛行器RCS噴流幹擾力與幹擾力矩測量裝置【技術領域】
[0001]本發明臨近空間飛行器性能檢測【技術領域】，具體而言，本發明特別涉及一種臨近空間飛行器，尤其是臨近空間高超聲速飛行器，RCS (Reaction control system,即噴射反作用控制系統)噴流幹擾力與幹擾力矩測量裝置。
【背景技術】
[0002]臨近空間(距離海平面20km至100km)高超聲速飛行器在60km以上高空飛行時，由於空氣極為稀薄，控制面的氣動控制能力非常弱，無法滿足飛行器姿態控制要求，此時，需要採用RCS控制。通常的做法是，將控制各方向的反推發動機集中固連在飛行器底部的底遮板上，通過力臂(對飛行器前緣)最大化的方法提高小推力反推發動機對飛行器姿態的調整能力。
[0003]但是，這樣的RCS控制方式無法避免各方向的相互幹擾。例如，RCS系統中用於控制側滑姿態的反推火箭工作時會引入滾轉力矩。引入的滾轉力矩屬於附加力矩，也稱作幹擾力矩。幹擾力矩的量值必須小於自控系統的安全容限，否則飛行器姿態會有失控的危險。因為涉及到羽流現象，RCS系統的幹擾力和幹擾力矩難以通過理論計算獲得。通過高模試車臺(高真空度發動機試車臺)，對RCS整機產品進行噴流幹擾力與幹擾力矩測量，是目前最為可行的技術途徑。
[0004]目前一些高模試驗臺發動力測力技術以單機單分量測量為主，尚無關於RCS整機多分量測量的任何技術儲備。並且，對於臨近空間高超聲速飛行器的RCS整機產品而言，主控力與力矩、幹擾力與 力矩以六分量載荷的形式(沿笛卡爾坐標系坐標軸的三個力與三個力矩)同時存在，因此載荷測量的難度非常大。
【發明內容】
[0005]本發明的發明目的在於針對臨近空間高超聲速飛行器RCS整機產品的工作特點，提供一種臨近空間飛行器RCS噴流幹擾力與幹擾力矩測量裝置，以解決在高模試驗臺上，對高超聲速飛行器RCS整機產品的多分量幹擾力與力矩進行同時測量的問題。
[0006]為了實現上述目的，本發明提供的臨近空間飛行器RCS噴流幹擾力與幹擾力矩測量裝置的技術方案如下:
[0007]—種臨近空間飛行器RCS噴流幹擾力與幹擾力矩測量裝置，其包括下固定板、上浮動板、六個單分量力傳感器、六根彈性鉸鏈連杆、三根轉接杆，所述單分量力傳感器布置於所述下固定板和上浮動板之間並固定於所述下固定板上；其中，三個所述單分量力傳感器的測量方向沿笛卡爾坐標系的Z軸布置，用於分別測量沿坐標軸Z方向的力、沿坐標軸Y方向的力矩以及沿坐標軸X方向的力矩；兩個所述單分量力傳感器的測量方向沿笛卡爾坐標系的X軸布置，用於測量沿坐標軸X方向的力以及沿坐標軸Z方向的力矩；一個所述單分量力傳感器的測量方向沿笛卡爾坐標系的Y軸布置，用於測量方向沿坐標軸Y方向的力；所述彈性鉸鏈連杆豎直設置，且其一端分別固定於所述單分量力傳感器，另一端直接或間接通過所述轉接杆固定於所述上浮動板。
[0008]本發明通過設置六個單分量力傳感器，能夠完成RSC整機在工作狀態下三分量力和三分量力矩的同時測力，由此實現幹擾力與幹擾力矩的識別、測量。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0009]圖la、lb、lc分別為本發明實施例的主視、左視、立體結構示意圖。
[0010]圖2a、2b、2c分別為單分量力傳感器5、12、14的主視、左視、俯視結構示意圖；
[0011]圖3a、3b、3c分別為單分量力傳感器6、8、13的主視、右視、俯視結構示意圖；
[0012]圖4a、4b、4c、4d分別為單分量力傳感器5上應變計的布置結構圖及雙電橋輸出設置不意圖；
[0013]圖5a、5b、5c分別為彈性鉸鏈連杆的主視、左視、俯視結構示意圖；
[0014]圖6a、6b、6c分別為防松螺母10的俯視圖、縱剖圖、沿圖6a中A-A線的剖視圖。
【具體實施方式】
[0015]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明做進一步詳細說明。
[0016]如圖la、lb、Ic所示，本發明的該實施例包括下固定板19、上浮動板20、單分量力傳感器5、單分量力傳感器6、單分量力傳感器8、單分量力傳感器12、單分量力傳感器13、單分量力傳感器14、彈性鉸鏈連杆3、彈性鉸鏈連杆7、彈性鉸鏈連杆11、彈性鉸鏈連杆15、彈性鉸鏈連杆16、彈性鉸鏈連杆17和轉接杆1、轉接杆2、轉接杆18，單分量力傳感器5、6、8、12、13、14布置於所述下固定板19和上浮動板20之間並固定於下固定板19上。
[0017]彈性鉸鏈連杆3、15、17豎直設置，且其一端分別固定於單分量力傳感器5、12、14，另一端固定於上浮動板20。彈性鉸鏈連杆7、11、16水平設置，且其一端分別固定於單分量力傳感器8、6、13，另一端分別固定於轉接杆2、1、18的一端。轉接杆2、1、18豎直設置，其另一端固定於上浮動板20。優選地，彈性鉸鏈連杆3、7、11、15、16、17的端部不論與單分量力傳感器、轉接杆連接，還是與上浮動板20連接，均通過防松螺母10鎖緊。
[0018]對於各單分量力傳感器5、6、8、12、13、14的布置及測量方向，詳述如下:
[0019]單分量力傳感器5、12、14的測量方向沿笛卡爾坐標系的Z軸方向布置，並分別用四個內六角螺釘將各自的底座(如圖2c所示，單分量力傳感器5的底座54上設有四個未標記的通孔)固連在下固定板19上，用於測量沿坐標軸Z方向的力Fz、沿坐標軸Y方向的力矩My以及沿坐標軸X方向的力矩Mx。
[0020]單分量力傳感器8、13的測量方向沿X軸布置，並分別用四個內六角螺釘將每個單分量力傳感器固連在下固定板19上，用於測量沿坐標軸X方向的力Fx以及沿坐標軸Z方向的力矩Mz。
[0021]單分量力傳感器6的測量方向沿Y軸布置，並用四個內六角螺釘將單分量力傳感器的底座(如圖3a所示，單分量力傳感器6的底座64上設有四個的通孔65)固連在下固定板19上，用於測量方向沿坐標軸Y方向的力Fy。
[0022]本實施例安裝上述配置，可以實現在笛卡爾坐標系下三個正交方向力和三個正交方向力矩的同時測量。
[0023]優選地，為使本實施例的結構更合理、測量更精確，三個單分量力傳感器5、12、14分別布置在下固定板19平面內一等腰三角形的三個頂點上。更優選地，該等腰三角形的高為 174mm。
[0024]單分量力傳感器8、13的測量方向與坐標軸X平行布置，同時，兩個單分量力傳感器8、13的測量方向與坐標軸X平行布置，Y向間距優選為160mm。
[0025]單分量力傳感器6的測量方向沿坐標軸Y布置，同時，其處於單分量力傳感器8、13的中間位置。
[0026]單分量力傳感器5、12、14的結構基本相同，均為懸臂梁式結構，只是三者的固定位置不同。如圖2a、2b、2c所示，單分量力傳感器5包括依次連接的用於固定的底座54、用於感測位移的懸臂梁53、用於和彈性鉸鏈連杆3連接的位移自由端51。位移自由端51設有通孔52，彈性鉸鏈連杆3的端部穿過通孔52之後由一防松螺母10鎖緊。懸臂梁53水平設置，彈性鉸鏈連杆3豎直設置。
[0027]單分量力傳感器6、8、13的結構基本相同，亦均為懸臂梁式結構，只是三者的固定位置不同。如圖3a、3b、3c所示，單分量力傳感器6包括依次連接的用於固定的底座64、用於感測位移的懸臂梁63、用於和彈性鉸鏈連杆11的一端連接的位移自由端61。位移自由端61設有通孔62，彈性鉸鏈連杆11的端部穿過通孔62之後由一防松螺母10鎖緊。懸臂梁63豎直設置，彈性鉸鏈連杆11水平設置。底座64上設有四個的通孔65，四個螺釘通過通孔65之後將底座64固定於下固定板19上。
[0028]每個單分量力傳感器5、6、8、12、13、14的懸臂梁兩側均粘貼有一組四個應變計，每組應變計分別組成惠斯通電橋。應變計阻值優選為350Ω，每組四片，在靠近懸臂梁固支端根部沿橫向對稱粘貼。由於每個單分量力傳感器5、6、8、12、13、14粘貼的應變計的承載結構、粘貼位置及電路結構相同，因此僅通過單分量力傳感器5上的應變計加以說明，如圖4a、4b、4c、4d所示，懸臂梁53的固支端根部兩側粘貼有兩組八個應變計(八個應變計均有編號，分別為1-8)56，每側一組，一組四個。在懸臂梁53的兩側，八個應變計56——對應。八個應變計按照圖4c、4d所示的電路結構組成惠斯通電橋，將懸臂梁53的機械形變轉換為電壓信號輸出，其中，「 O」表不輸出，「 I 」表不電源輸入。
[0029]優選地，應變計56上覆蓋有隔熱材料層，防止應變計56因發動機燃氣加熱導致設備出現嚴重的溫度效應。更優選地，隔熱材料層的隔熱材料為陶瓷纖維紙，其厚度為1_。更優選地，將陶瓷纖維紙剪裁成與懸臂梁寬度相同的長條狀，並纏繞一圈後用漆包線繫緊。
[0030]彈性鉸鏈連杆3、7、11、15、16、17的結構基本相同，不再——贅述，僅以彈性鉸鏈連杆3為例進行說明。如圖5a、5b、5c所示，彈性鉸鏈連杆3包括主軸31、兩端的連接部以及彈性的鉸鏈32、33、34、35，鉸鏈32、33、34、35的厚度優選為0.6mm，在軸向之外的正交方向各設置兩處鉸鏈32、33和鉸鏈34、35。
[0031]如圖6a、6b、6c所示，防松螺母10為圓形螺母，其直徑可以為28mm，螺母端面邊緣設有四個對稱的豁口 101便於使之轉動，距離螺母端面2mm處沿垂直於螺母軸線方向切有寬度為0.5mm的半圓形槽102，在半圓形槽102所在的螺母端面攻有M4的螺紋孔103。比較簡單的一種應用方式為，在螺紋孔103中擰入螺釘，半圓形槽102上方的薄弱位置發生變形，致使防松螺母10與彈性連杆的螺紋配合抱緊，以此達到防松效果。
[0032]綜上，本發明能完成RSC整機在工作狀態下三分量力和三分量力矩的同時測量，因此實現了幹擾力與幹擾力矩的識別。而現有技術只能完成單方向力與力矩的測量。[0033]由技術常識可知，本發明可以通過其它的不脫離其精神實質或必要特徵的實施方案來實現。因此，上述公開的實施方案，就各方面而言，都只是舉例說明，並不是僅有的。所有在本發明範圍內或在等同於本發明的範圍內的改變均被本發明包含。
【權利要求】
1.一種臨近空間飛行器RCS噴流幹擾力與幹擾力矩測量裝置，其特徵在於，包括:下固定板(19 )、上浮動板(20 )、六個單分量力傳感器(5、6、8、12、13、14 )、六根彈性鉸鏈連杆(3、7、11、15、16、17)、三根轉接杆(1、2、18)，所述單分量力傳感器(5、6、8、12、13、14)布置於所述下固定板(19)和上浮動板(20)之間並固定於所述下固定板(19)上； 其中，所述單分量力傳感器(5)、(12)、(14)的測量方向沿笛卡爾坐標系的Z軸布置，用於分別測量沿坐標軸Z方向的力、沿坐標軸Y方向的力矩以及沿坐標軸X方向的力矩； 所述單分量力傳感器(8)、(13)的測量方向沿笛卡爾坐標系的X軸布置，用於測量沿坐標軸X方向的力以及沿坐標軸Z方向的力矩； 所述單分量力傳感器(6)的測量方向沿笛卡爾坐標系的Y軸布置，用於測量方向沿坐標軸Y方向的力； 所述彈性鉸鏈連杆(3)、( 15)、( 17)豎直設置，且其一端分別固定於所述單分量力傳感器(5)、(12)、(14)，另一端固定於所述上浮動板(20);所述彈性鉸鏈連杆(7)、(11)、(16)水平設置，且其一端分別固定於所述單分量力傳感器(8)、(6)、(13)，另一端分別固定於所述轉接杆(2)、(I)、(18)的一端；所述轉接杆(2)、(I)、(18)豎直設置，其另一端固定於所述上浮動板(20)。
2.根據權利要求1所述的測量裝置，其特徵在於，所述單分量力傳感器(5)、(12)、(14)分別布置在所述下固定板(19)平面內一等腰三角形的三個頂點上。
3.根據權利要求1所述的測量裝置，其特徵在於，所述單分量力傳感器(8)、(13)的測量方向與坐標軸X平行布置。
4.根據權利要求1所述的測量裝置，其特徵在於，所述單分量力傳感器(6)處於所述單分量力傳感器(8)、(13)的中間位置。
5.根據權利要求1所述的測量裝置，其特徵在於，所述單分量力傳感器(5、6、8、12、13、14)為懸臂梁式結構，均包括依次連接的用於固定的底座、用於感測位移的懸臂梁、用於和所述彈性鉸鏈連杆(3、7、11、15、16、17)連接的位移自由端，所述懸臂梁上設有應變計。
6.根據權利要求5所述的測量裝置，其特徵在於，每個單分量力傳感器(5、6、8、12、13、14)的所述懸臂梁兩側分別粘貼一組四個所述應變計，每組所述應變計分別組成惠斯通電橋。
7.根據權利要求6所述的測量裝置，其特徵在於，所述應變計覆蓋有隔熱材料層，以防止出現溫度效應。
8.根據權利要求1所述的測量裝置，其特徵在於，所述各單分量力傳感器(5、6、8、12、13、14)上貼有兩組所述應變計，所述應變計在靠近所述懸臂梁固支端根部沿橫向對稱粘貼。
9.根據權利要求1所述的測量裝置，其特徵在於，所述彈性鉸鏈連杆(3、7、11、15、16、17)的彈性鉸鏈厚度為0.6_，在軸向之外的正交方向各設置兩處所述鉸鏈。
10.根據權利要求1所述的測量裝置，其特徵在於，所述彈性鉸鏈連杆(3、7、11、15、16、17)兩端均採用防松螺母(10)固定，所述防松螺母(10)在距離端面附近沿垂直於軸線方向切有半圓形槽(102)，在所述半圓形槽(102)所在的螺母端面攻有螺紋(103)。
【文檔編號】G01L5/16GK103630285SQ201310684444
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年12月13日 優先權日:2013年12月13日
【發明者】宮建, 熊琳 申請人:中國航天空氣動力技術研究院