柔性噴管六自由度真實擺角測量系統研制

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(北京精密機電控制設備研究所，北京 100076)

0 引言

隨著我國航天技術的不斷發展，航天器總體對發動機伺服系統控制精度的要求不斷提高。為滿足發動機柔性噴管推力矢量控制伺服系統動態特性研究，研制一種能夠真實反映柔性噴管在全軸擺動狀態下的動態特性的試驗系統的需求日益迫切[1]。

傳統的噴管擺角測量裝置是基于三自由度運動模型，假定噴管擺心固定不變的情況下對噴管擺角進行測量，但是柔性噴管的擺心是由粘彈性材料構成的球心，在受到壓力變化時會發生變形，擺心從而發生變化，擺心的變化會對噴管的擺動角度、作動器作動筒的行程以及作動力臂都產生影響[2]。目前國內朱耆祥研制了基于線陣CCD探測器的柔性噴管六自由度光電實時測量系統[3]。張丹陽開發了基于激光位移傳感器的柔性噴管動態擺心非接觸測量方法[4]。基于光學或激光測量技術方法的測量精度受環境影響較大，而發動機柔性噴管的工作環境條件下極其惡劣，因此光學或激光技術方法已不適用。

國外Reynolds開展了關于柔性噴管材料對于擺心和擺角的影響[5]。Rolbert 開展了噴管擺心和擺角對航天器控制系統的性能影響[6]。Gaffin針對固體火箭伺服系統的柔性噴管的擺心偏移進行了深入研究[7]。Seely以近紅外激光二極管為基礎，結合位移傳感器，介紹了噴管擺角測量系統，但是并沒有給出實際測量方案[8]。Donat針對固體火箭的擺心偏移進行了深入的研究[9]。隨著我國航天技術的不斷發展，上述測量方法粗略計算柔性噴管的擺心偏移和擺動角度無法精確獲取噴管工作特性，因此迫切研制一種能夠真實反映柔性噴管在全軸擺動狀態下的動態特性的試驗系統。

針對問題，本文研制的真擺角測量系統是以真實伺服機構和真實發動機負載為控制對象的試驗系統，逼真模擬飛行控制特性，對發動機施加額定慣量基礎上，測量發動機真實擺角，進而可以實時準確的獲得柔性噴管在全軸擺動過程中的六自由度數據。

1 真擺角測量系統研制方案

測量發動機噴管擺角時，將噴管主體看作是剛體，其幾何軸線(噴管平面法向量)即為實質的推力方向，可以通過確定噴管出口端面的位置和指向來最終測定噴管擺角和擺心位置。

在火箭飛行過程中，發動機噴管的擺動是由多類運動耦合而成，包括柔性噴管的質心運動、繞質心運動、彈性振動、噴管擺動等。任何自由剛體的運動，都是由剛體的質心運動和圍繞質心的繞心運動兩種運動的合成，當發動機工作時，它是一個變質心的質點系。因此真擺角測量系統測量發動機柔性噴管真實擺角時，需要依據變質心質點系動量和動量矩定理，在三自由度質點模型的基礎上充分考慮噴管的姿態運動[10]。

針對柔性噴管“擺心不固定”的特點，并考慮到發動機柔性噴管所處的惡劣工作環境，本文制定了一種測量噴管真擺角的技術方案。該方案主要是利用固定在噴管法蘭盤上的四組機電式極坐標傳感器中任意3個來測量噴管加強環的空間位置與指向，然后將測量的數據按特定算法實時變換得到柔性噴管的真實擺角和擺心

真擺角測量系統方案結構簡單，可靠性環節較少，加工工藝性良好，易于維護，在保證傳感器定位精度的同時，整體重量可以滿足系統要求。

1.1 真擺角測量系統測量原理

測量發動機柔性噴管真實擺角時，通常將發動機噴管主體看作是剛體，真擺角測量系統原理框圖1所示。

圖1 真擺角測量系統原理框圖

真擺角測量系統將兩組傳感器的輸出軸正交配置，線位移傳感器和角位移傳感器輸出軸連接在一起，組成極坐標傳感器，每只極坐標傳感器由四只角位移傳感器和二只線位移傳感器組成，四只角位移傳感器每兩只為一組，可同時測量出噴管沿X、Y軸的角位移變化，線位移傳感器用于測量空間線位移變化量。試驗時每級噴管裝四組極坐標傳感器，實際使用時，用三只極坐標傳感器即可測得噴管擺角和擺心變化量，加設第四組極坐標傳感器，可任選其中三組數據，提高了獲得可信數據的測量可靠性，并可消除噴管擴散段的局部變形影響。

1.2 真擺角測量系統模塊結構

真擺角測量系統進行測量時，將采集到的模擬信號(擺角測量信號與角加速度信號)通過信號電纜傳送到適配箱內，其中擺角測量信號在適配箱內完成信號的調理。調理后的擺角測量信號和角加速度信號由采集電纜送入A/D采集卡，由計算機完成擺角測量信號的處理，最后將處理后的數據和角加速度信號通過光纖發送出去。實時網卡選用GE公司的VMIPMC-5565網卡，該網卡采用內存映射技術實現強實時通信，具有實時性強、可靠性高、使用簡單的特點。通常兩結點數據傳輸時延遲為納秒(或微秒)級，比通用局域網快兩個數量級，實現計算機高速互聯。真擺角測量系統模塊結構如圖2所示。

圖2 真擺角測量系統模塊結構圖

圖3 測量系統軟件程序框圖

1.3 真擺角測量裝置的方案設計

1.3.1 真擺角測量裝置機械結構設計

本文研制的真擺角測量系統主要由支架、角位移傳感器、撐桿、線位移傳感器、調整板和上支架等組成，如圖4所示。其中線位移傳感器和角位移傳感器為真擺角測量系統的測量元件，兩組角位移傳感器輸出軸通過十字型構件組合在一起，正交配制。線位移傳感器則和十字型構件上固定的一組角位移傳感器輸出軸聯結在一起，組成極坐標傳感器，角位移傳感器通過底盤和支架固定在柔性噴管的加強環上，線位移傳感器通過上支架和調整板固定在發動機噴管的法蘭盤上，撐桿通過連接螺栓與傳感器上、下支耳的撐桿座連接，然后調節工藝撐桿長度，將噴管調平。

圖4 真擺角測量系統組成結構示意圖

1.3.2 傳感器設計

本文研制的真擺角測量系統由四組極坐標傳感器構成，如圖5所示，極坐標傳感器由四只角位移和兩只線位移組成，可同時測量出噴管繞X、Y軸角位移和空間位移變化量。6只傳感器每兩只為一組，分別為大量程和小量程，通過量程切換裝置，以提高測量精度和靈敏度。

圖5 極坐標傳感器示意圖

當伺服系統進行位置回環擺動時，極坐標傳感器中大行程傳感器用于測量噴管擺角、擺心的變化。當伺服系統做頻率特性試驗時，則用小行程傳感器測量噴管擺角、擺心的變化，并同時測量伺服系統的頻率特性。

傳感器設計的關鍵技術是傳感器量程設計。以下是關于量程的設計計算模型，其二維建模如圖6所示。

圖6 傳感器量程計算二維建模圖

圖中，P’點和P點分別為真擺角測量系統下支點和上支點的初始位置，P’點在發動機上固定不變，上支點由P點擺到P’’點，可結合噴管結構尺寸確定P’點和P點的坐標，根據噴管和擺角測量裝置的結構尺寸和安裝位置關系可知，P’P’’，0P，PP’’，PP’的長度，進而可計算得到角位移量程為：

(1)

線位移量程為：

L=PP'-P'P''

(2)

角位移傳感器通常采用旋轉變壓器和微動同步器兩種類型的傳感器。其測量范圍及指標要求見表1。

線位移傳感器采用合成膜電位計原理。每個傳感器由兩組電位計構成，采用冗余設計。兩組傳感器可并聯使用，也可以分別施加不同的電壓。高電源一組用于小信號測量，可以提高信噪比。線位移傳感器的主要設計技術指標見表2。

表1 角位移傳感器技術指標

表2 線位移傳感器技術指標標

2 真擺角測量系統試驗驗證

2.1 系統試驗誤差標定

為了標定測試誤差，通常將真擺角測量系統安裝在試驗負載臺的標準柔性噴管上。將驅動柔性噴管從極限負擺角運動到極限正擺角，在此過程中對真擺角測量系統進行標定，柔性噴管的極限擺角為±4.5°單向運動時的誤差最大是12.71''。噴管運動過程中，真擺角測量系統對擺動角度進行采集，經數據處理后實時輸出角位移信號，實測數據如表3所示。

表3 真擺角測量系統單向運動信號輸出標定結果

2.2 地面試車試驗

2.2.1 真擺角測量系統調零

為了檢驗真擺角測量系統的測試效果，現以某型號柔性噴管為測量對象，通過真實發動機地面點火熱試車試驗進行驗證。在進行大型地面試車試驗前，需要對真擺角測量系統的角位移傳感器和線位移傳感器進行零位調試，具體方法如下：

1)用調零電纜檢測變換器的輸出電壓，調整45度安裝方向處的調節板，調節法向角位移傳感器零位25 mV至以內，然后均勻鎖緊螺釘。

2)調節線位移傳感器零位，將零位輸出電壓調節至10 mV以內，然后鎖緊螺栓，鎖緊線位移傳感器與角位移傳感器聯接處螺母。

3)擰松切向傳感器的4個螺釘，調節角位移傳感器至零位，將零位電壓控制在25 mV以內，然后均勻鎖緊螺釘。

4)全部零位調整完畢后，逐路檢查傳感器零位電壓值并記錄，如有零位超出允許的25 mV電壓值，重復步驟1或2，重新調節直至滿足零位要求。

2.2.2 地面試車試驗結果

地面熱試車過程中，由伺服控制器按照預定的信號控制伺服作動器的動作，進而帶動柔性噴管擺動。真擺角測量系統對柔性噴管擺動角度進行實時采集，經數據處理后實時輸出柔性噴管擺動角位移。真擺角測量系統采集噴管擺動數據與控制器輸入角度曲線對比結果如圖7所示。

圖7 真擺角測量系統測量曲線圖

對柔性噴管擺角的測試結果如表4所示。其中，真擺角測量系統測得噴管零位偏差為-0.058°，位置回環寬度為0.12°，真擺角測量系統采集噴管擺動數據與控制器輸入角度位置增益高達0.996。所有指標均滿足了任務書的要求，真擺角測量系統的測試精度、產品可靠性、環境適應性均得到了有效的考核。

表4 噴管技術指標

3 結束語

本文研制的真擺角測量系統為國內首創，已成功應用于伺服系統噴管擺角測量，與傳統的噴管擺角測量裝置相比，具有明顯的特點及技術進步點：

1)在測量方面，傳統的噴管擺角測量裝置是假定噴管擺心固定不變的情況下對噴管擺角進行測量。而本文研制的真擺角測量系統是建立在以真實伺服機構的真實發動機負載為控制對象的試驗系統，逼真模擬飛行控制特性，對發動機施加額定慣量基礎上，可以準確獲得柔性噴管在全軸擺動過程中的空間擺角、擺心變化量。

2)在模型方面，傳統的噴管擺角測量裝置采用三自由度質點模型。而本文研制的真擺角測量系統為了真實模擬柔性噴管的姿態變化過程和實際運動特性，實現了六自由度實時測量。

3)在控制方面，由于伺服技術的發展前擺心噴管在擺動時，其在動作器的兩個安裝方向上存在嚴重的交聯現象，兩個通道的運動不獨立，造成俯仰、偏航推力矢量控制的方向不準確，導致導彈控制偏差增大。噴管擺角交聯也使的噴管擺角的測量不能夠采用傳統的角位移測量和計算方法，必須采用真擺角測量系統下，角位移傳感器采用十字架組合形式對交聯狀態下的擺角進行準確測量和計算，每兩只為一組，實現了X、Y軸角位移變化的同時測量，且傳感器分別為大量程和小量程，通過量程切換裝置，使其具有較高的測量精度和靈敏度。

隨著我國航天技術的不斷發展，航天器總體對推力矢量控制精度的要求不斷提高，該真擺角測量系統能夠用于測量固體發動機柔性噴管空間擺角、擺心變化量及推力矢量控制伺服系統性能特性，具有廣闊的應用前景和深遠的應用價值。