用于發動機試驗現場的推力測量傳感器長期穩定性監測系統

鄭 科 郭健鑫 朱 旺 王得志 張雪飛 劉 碩

用于發動機試驗現場的推力測量傳感器長期穩定性監測系統

鄭 科 郭健鑫 朱 旺 王得志 張雪飛 劉 碩

（北京航天試驗技術研究所，北京 100074）

發動機高空模擬試驗前需要進行推力校準，目的是確定傳感器靜態特性指標，如線性度、滯后性以及重復性等，關鍵工作是通過試驗的方法來建立輸入量和輸出量之間的輸入-輸出實際特性曲線。推力校準中使用的標準傳感器有效期為一年，實際使用中傳感器存在長期穩定性不佳或突然損壞的現象，但在試驗前準備階段唯一不能確定問題的就是標準傳感器，因此，有必要對推力測量進行長期穩定性監測，完善推力校準操作規程，通過研制一套覆蓋常用量程的推力傳感器比對裝置，在推力架或者某個標準傳感器長時間沒使用時，試驗前對標準傳感器進行標定，與證書各項指標進行比對，經試驗測試實現了對推力傳感器的快速校驗，時間24min，誤差在千分之一內，滿足了試驗現場對傳感器的任務要求。

推力測量；火箭發動機試驗；傳感器；推力校準

1 引言

發動機常被用于衛星、火箭等的精確軌道控制和姿態調整，姿軌控發動機推力矢量直接關系到衛星能否入軌以及發射任務的成敗，準確測出推力矢量參數，能夠為發動機的在軌工作狀態提供基本依據[1，2]。

目前推力矢量測量有多種方案，但在我國的發動機高空模擬熱標定試驗中，技術和工藝比較成熟且經多次飛行驗證效果顯著的是北京航天試驗技術研究所投入使用的轉臺推力矢量測量方法[3，4]和該所總結提煉的基于壓電的動態矢量推力測量方法[5～7]。

無論采用何種推力測量方法，推力矢量參數都不是直接測得，而是基于一定的數學模型通過計算間接得出[8]。而計算推力矢量需要通過發動機高空模擬試驗測得三向力，測三向力前都需要進行推力校準，目的是確定傳感器靜態特性指標，如線性度、靈敏度以及重復性等，建立推力測量傳感器輸入量和輸出量之間的輸入-輸出實際特性曲線[9]。

2 推力校準

傳感器在裝配完畢后，需要對線性度、重復性、滯后性以及靈敏度等傳感器性能指標進行校準試驗，以評定傳感器性能的優劣。同時由于系統其他因素的影響，不能只對傳感器進行校準，需要將配套的測力板、電荷放大器、數據采集卡等一起標定，確定輸出及輸入關系[10，11]。

對于推力矢量校準裝置，推力校準是在試驗現場通過實際測量建立推力測量系統輸入量和輸出量之間的關系，系統包括測力平臺、轉接架、臺架、電荷放大器、數據采集卡以及管路等，如圖1所示。

圖1 推力矢量校準裝置三維結構圖[5]

推力校準時，試驗員通過液壓手動加載系統產生拉力，由連接件傳到測力平臺上，手動調節油缸，使標準傳感器二次儀表的指示值剛好達到標定值，記錄此時測力平臺中工作傳感器的輸出，依據標準傳感器的檢定證書，計算逐級加載的力值，逐級加載完成推力校準。

試驗時，依據推力校準得出的輸入量與輸出量關系，對得到的電壓值處理，即得出推力測量值[12]。

3 推力測量傳感器穩定性監測必要性

推力測量系統是復雜的機電系統，隨著對推力校準精度的要求越來越高，為保證數據的一致性，需要對推力測量系統的狀態進行監測。影響推力校準的因素有很多，包括電源的影響、推力架結構本身的影響、有數據采集系統太平洋6000的影響、有標準傳感器的影響等等。

對于某次推力校準，發現斜率和以往偏差0.3%，需要分析原因：數據采集系統自身精度高，一般會定期送校；推力架本身結構除去接線不會有大的變化；供電電源以及監測儀表定期校檢；排查標準傳感器一般為最后一步，除去送校沒有自身的手段，但是在檢查標準傳感器時，已經到了臨近試驗的日期，如果送到計量所校準則會耽誤進度。

推力校準中使用的標準傳感器有效期為一年，實際使用中傳感器存在長期穩定性不佳或突然損壞的現象，但在試驗前準備階段唯一不能確定問題的就是標準傳感器。

推力架標準傳感器長期穩定性不佳帶來的可靠性問題：

a. 試驗前推力校準時發現對工作傳感器標定的斜率和之前試驗的斜率存在偏差時，就需要在每個傳遞環節查找問題，花費時間，耽誤進度；

b. 在不能確定是標準傳感器出現不穩定時，由于時間關系，試驗中只能應用推力校準得出的傳遞關系系數，試驗后送檢標準傳感器，但這會影響試驗數據處理進度。

2021年，某型號發動機試驗中發現推力偏低3%，標準傳感器為半年前送檢，試驗后經再次送檢發現標準傳感器已經漂移，試驗前推力校準系數有誤差。

因此，有必要對推力測量進行長期穩定性監測，完善推力校準操作規程，設計一個對推力傳感器進行推力校準的比對裝置，通過比對裝置，定期或在重大試驗前快速確認標準傳感器的性能指標，對比證書；同時建立一個數據庫，包含不同推力架不同發動機型號推力校準的各項性能指標，方便查閱比對，有效保證試驗高質量、高效率的完成，避免非必要的進度耽誤。

4 穩定性監控系統設計

4.1 系統組成

推力測量傳感器長期穩定性監測系統包括覆蓋常用量程推力傳感器的比對裝置和數字采集系統，其中比對裝置包括固定支架、驅動控制器、步進電機、直線模組、滑軌、彈簧、加長螺母、標準傳感器、被測傳感器以及自適應固定裝置，監控系統比對裝置流程圖如圖2所示，比對裝置的結構圖如圖3所示，數字采集系統包括數字采集儀和穩壓電源。

圖2 監控系統比對裝置流程圖

圖3 監控系統比對裝置結構圖

1—步進電機；2—精密直線模組；3—加長螺母；4—滑軌；5—加長螺母；6—標準傳感器；7—被測傳感器；8—自適應固定裝置；9—彈簧伸縮部件；10—鋁型材固定支架

a. 用于推力測量的傳感器的壓縮量或伸長量都較小，尤其對于大量程傳感器，壓縮或伸長單位微米對應的力值的變化量很大，將彈簧和滑軌（包括彈簧支撐軸和套筒）相結合，彈簧伸縮量代替傳感器伸縮變形量，即彈簧伸縮毫米級代替傳感器伸縮微米級，可以有效提高系統的負載精度。

b. 為了做到傳感器的快速校準，首先需要做到傳感器的快速安裝，不同被測傳感器的長度、大小、連接方式都不同，裝置為做到快速安裝做了如下改進：

為滿足0～5000N的量程覆蓋，引入矩形彈簧，如圖4所示。不同顏色可承受不同最大載荷，但是結構尺寸一致，外徑50mm，長度200mm，材質50CRVA，如表1所示，可根據不同量程的傳感器選擇合適的矩形彈簧。這里每個彈簧的最大載荷取安全系數為0.8，矩形彈簧可覆蓋系統所需所有量程，詳見表2。

圖4 矩形彈簧

表1 矩形彈簧參數表

表2 矩形彈簧選擇表

彈簧支撐軸與直線模組電動缸連接，機構設置了直線模組電動缸的初始伸長量170mm，校準前只需要將直線模組的伸長量通過電機收縮170mm，空出余量便可快速安裝，模塊化管理。

針對傳感器連接尺寸的不同，加工了不同尺寸的連接件，做到試驗常用傳感器校準前的快速安裝；針對傳感器長度的不同，在機構尾端設計自適應固定機構，可以根據傳感器底部的位置確定擋板固定的位置。

4.2 工作原理

在比對裝置中，如圖5所示，電機轉動由直線模組轉換為直線運動，直線模組連接滑軌，彈簧套在滑軌上與標準傳感器連接，標準傳感器通過加長螺母連接被測傳感器，達到受力一致的目的。計算機通過驅動控制器控制電機的往復運動，從而控制彈簧的伸縮運動，施加需要加載的力值，數字采集系統記錄標準傳感器和被測傳感器的輸出信號，得出被測傳感器的輸入輸出特性曲線，與校準證書比較，驗證傳感器的穩定性。

圖5 監測系統原理圖

圖6 自動校準技術流程圖

系統的校準技術采用自動校準技術，日常姿軌控空間發動機試驗一般使用油壓機手動加載，前端根據檢定證書施加力值，后端采集聽到口令記錄；自動校準技術通過程序控制電機旋轉傳遞力，在到達一個力值臺階時，自動進行記錄，繼續到達下一個臺階，這避免了人工操作的誤差，精度更高。自動校準加載系統的準確度，主要通過遠端控制電機的穩定性來實現。

采用逐級加載的方式，在接近比對力值臺階時，如何保證電機在那一點處的穩定性是一個影響精度的重要因素。初步思路是把整個加載過程和卸載過程分為粗加卸載段和微調階段，微調階段為在加載力值接近標準值要求的力值時，通過微調達到穩定的目的，主要流程圖如圖6所示。在自動校準的同時，系統建立了一個數據庫，包含不同推力架不同發動機型號推力校準的各項性能指標，方便查閱比對，同時可以分析方差。區別于以記錄本的形式記錄零散的數據，數據庫不僅可以將歷史的數據記錄下來，還可以隨時調用同一推力架同一型號的發動機的數據，做到全生命周期化管理。

4.3 實施方式

系統的實施方式包括以下內容：

a. 根據被測傳感器的量程選擇彈簧的量程，并安裝被測傳感器和彈簧；

b. 通過程序控制電機旋轉，使電動缸縮短伸長量，便于彈簧安裝在彈簧軸上，設置一定的預緊力；

c. 記錄初始值，開始進行推力校驗，通過彈簧傳遞力的臺階；

d. 每次到達力的校驗值時，減小電機速度，在校驗值與實際值之差的絕對值小于某一值時，進行記錄；

e. 校準采用正反行程校準，通過信號處理系統記錄數據得出傳感器靜態性能指標與證書比對；

f. 得出結論，并將結果記錄在數據庫中，方便以后查閱。

5 試驗

5.1 試驗對象

被測傳感器：取試驗現場的量程500N傳感器進行比對，檢定證書如表3所示。

表3 500N傳感器檢定證書數據

圖7 500N傳感器檢定證書校準擬合曲線

根據檢定證書數據可以計算出擬合曲線斜率為0.0395，如圖7所示，檢定證書中測量結果的不確定度為0.058%。

5.2 試驗數據

通過監測系統，對500N傳感器進行推力校準，標定數據如表4所示。

表4 推力測量傳感器靜態標定

由以上數據可以計算出斜率為0.039487，如圖8所示，測量結果的不確定度為0.098%。

圖8 500N傳感器自動校準擬合曲線

5.3 試驗分析

推力校準的目的是確定工作傳感器輸入量與輸出量之間的關系，在發動機試驗中，通過關系函數得出發動機實際力值，關系函數的重要參數之一就是斜率，通過監測系統比對裝置得出，檢定證書斜率與程序校準斜率對比誤差為0.033%，在千分之一內，滿足實際需求。

指標實現情況如表5所示。

表5 監測系統指標實現情況表

6 結束語

一個推力測量傳感器長期穩定性監測的系統其特征在于一套覆蓋常用量程的推力傳感器比對裝置，相比計量所的檢驗裝置，本裝置做到了小型化，整套裝置占地1.5m2；相比于送到計量所校準，本裝置可以在現場直接進行推力校準比對；相比于日常試驗油缸加載，本裝置采用步進電機和驅動控制器加載，精度更高；相比于日常試驗人工加載，本裝置采用自動校準技術通過步進電機、驅動控制器、精密直線模組、彈簧伸縮部件、滑軌等校準推力傳感器，精度更高；本裝置通過設計傳感器連接件覆蓋了姿軌控發動機試驗常用量程20～7500N傳感器的校準比對，覆蓋范圍廣；本裝置采用了量程不一致結構尺寸一致彈簧伸縮部件以及自適應擋板等，既可以自適應調節也可以達到快速安裝的目的。

基于設計研制推力傳感器比對裝置的系統，開發了新的自動推力校準算法，并已應用到發動機試驗任務中。試驗前對較長時間未使用的力傳感器，通過利用比對裝置進行快捷校準，可以預知傳感器狀態，提前應對相應措施，進而保障試驗進度。提升時間效率，減低試驗人工成本，減小姿軌控發動機多頻次試驗壓力。

1 鄭科，耿衛國，朱子環. 蒙特卡洛法在發動機推力測量不確定度評估中的應用[J]. 計算機測量與控制，2021，29(6)：249～254

2 王宏亮，晏卓，李志勛，等. 發動機矢量推力測量與校準系統設計研究[J]. 火箭推進，2018，44(1)：75～80

3 顏雄雄，耿衛國. 小發動機推力矢量的測量[J]. 推進技術，2000， 21(3)：86～88

4 張偉，田國華，陳鋒，等. 遠地點發動機推力矢量的極坐標算法[J]. 宇航計測技術，2012，32(2)：33～36

5 陳修平. 月面軟著陸火箭發動機推力矢量測試系統研究[D]. 大連：大連理工大學，2013

6 史乃青. 小力值推力矢量測試研究[D]. 大連：大連理工大學，2015

7 耿衛國，朱子環. 軌姿控發動機動態推力與推力矢量測試系統研制[J].宇航計測技術，2015，35(6)：28～32

8 鄭科. 液體火箭發動機推力矢量測量不確定度評定方法研究[D]. 北京：中國運載火箭技術研究院，2021

9 常慶兵. 推力矢量測試裝置可控六維力/力矩加載研究[D]. 大連：大連理工大學，2019

10 朱文勇. 發動機推力矢量測試系統研究 [D]. 大連：大連理工大學， 2014

11 化梅. 周向動力布置系統推力矢量測量研究[D]. 大連：大連理工大學，2019

12 朱子環，蔡睿. 氫氧火箭發動機高空模擬試驗推力測量裝置研制[J]. 宇航計測技術，2016，36(6)：50～55

Long Term Stability Monitoring System for Thrust Measurement Sensors Used in Engine Testing Site

Zheng Ke Guo Jianxin Zhu Wang Wang Dezhi Zhang Xuefei Liu Shuo

(Beijing Aerospace Test Technology Institute, Beijing 100074)

Before the high-altitude simulation test of the engine, thrust calibration is required to determine the static characteristic indicators of the sensor, such as linearity, sensitivity, and repeatability. The key task is to establish the actual input-output characteristic curve between the input and output quantities through experimental methods. The validity period of the standard sensor used in thrust calibration is one year. In actual use, the sensor has long-term poor stability or sudden damage, but the only problem that cannot be determined in the preparation stage before the test is the standard sensor. Therefore, it is necessary to monitor the long-term stability of thrust measurement, improve the thrust calibration operating procedures, and develop a thrust sensor comparison device that covers common ranges, When the thrust frame or a standard sensor is not in use for a long time, the standard sensor is calibrated before the test and compared with various indicators of the certificate. After experimental testing, the rapid calibration of the thrust sensor is achieved, with a time of 24 min and an error of within one thousandth, meeting the task requirements of the sensor on the test site.

thrust measurement；rocket engine testing；sensor；thrust calibration

V439+.8

A

某國防科技技術基礎項目。

鄭科（1996），碩士，制冷及低溫工程專業；研究方向：液體火箭發動機測試計量。

2023-07-05