液体火箭发动机试验负推力修正.pdf

第3 6 卷第6 期 2 0 1 0 年1 2 月 火箭推进 J O U R N A I 。O FR O C K E TP R O P U L S I O N V 0 1 3 6 ，N o 6 D e c 2 0 1 0 液体火箭发动机试验负推力修正 赵万明，王军钢 ( 西安航天动力试验技术研究所，陕西西安7 1 0 1 0 0 ) 摘要：推力大小是表征火箭发动机性能的关键指标。液体火箭发动机地面试验中，推 力参数的测量准确性关系到比冲的准确计算和对发动机性能的正确评价。发动机试验中影响 推力准确测量的因素很多，其中负推力是一项重要因素。主要介绍液体火箭发动机试验中， 推力测量系统的组成与测量技术，重点讨论产生负推力的因素和负推力修正技术。 关键词：发动机试验；推力测量；负推力修正 中图分类号：V 4 3 4 3 3 3文献标识码：A 文章编号：1 6 7 2 9 3 7 4 ( 2 0 1 0 ) 0 6 0 0 5 6 0 6 C o r r e c t i o no f n e g a t i v et h r u s ti nl i q u i dr o c k e te n g i n et e s t s Z H A O W a n - m i n g ，W A N GJ u n g a n g ( X i a nA e r o s p a c eP r o p u l s i o nT e s tT e c h n i q u eI n s t i t u t e ，X i a n7 1 0 1 0 0 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：T h r u s ti so n eo ft h ek e yp a r a m e t e r so ft h er o c k e te n g i n ep e r f o r m a n c e T h ea c c u r a c yo f t h r u s tm e a s u r e m e n ti nl i q u i dr o c k e te n g i n et e s t i n gi si m p o r t a n tt ot h ei m p u l s ea n dt h ee n g i n ep e r f o r - m a n c ee v a l u a t i o n N e g a t i v et h r u s ti so n eo ft h ei m p o r t a n tf a c t o r si n f l u e n c i n gt h ea c c u r a c yo ft h r u s t m e a s u r e m e n ti nl i q u i dr o c k e te n g i n et e s t i n g T h er e a s o no fn e g a t i v et h r u s tg e n e r a t i o n ，n e g a t i v et h r u s t c o r r e c t i o nt e c h n i q u ea n dt h et h r u s tm e a s u r e m e n ti nt h el i q u i dr o c k e te n g i n et e s t i n gi sd e s c r i b e di nt h i s P a p e r K e y w o r d s ：r o c k e te n g i n et e s t i n g ；t h r u s tm e a s u r e m e n t ；n e g a t i v et h r u s tm o d i f i c a t i o n 0 引言 大型液体火箭发动机地面试验中，推力参数 是测量精度较高的参数之一。目前大型液体火箭 发动机试验推力参数测量不确定度可达到0 2 0 5 。不确定度较高的主要原因是推力测量系统 采取了现场原位校准，现场校准状态和试车状态 完全一致，最大限度的减少了系统误差。工程测 量中，测量误差通常由系统误差和随机误差组 成，系统误差一般由固定因素引起，其大小和方 向基本不变，系统误差可以进行修正。一般测量 系统中系统误差比随机误差所占比列大，消除或 减小系统误差，基本解决了误差的主要部分。推 力测量系统采用原位现场校准，消除了主要误 差。但推力参数测量中，负推力也是系统误差的 收稿日期：2 0 1 0 0 3 1 7 ；修回日期：2 0 1 0 - 0 8 1 6 作者简介：赵万明( 1 9 5 8 一) ，男，研究员，研究领域为液体火箭发动机戚验 万方数据 第3 6 卷第6 期赵万明，等：液体火箭发动机试验负推力修正 5 7 一部分，由于校准时间和方式的不同，产生负推 力的部分因素现场校准中没有消除。液体火箭发 动机地面试验中，负推力指发动机工作过程中由 已知、固定的外界因素产生的与推力方向相反的 一种力，该力减小了发动机正常T 作状态下输出 的推力大小。负推力数值大小与泵前管路和发动 机头腔的介质充填量、入口压力大小、试验系统 的推力架和泵前管路结构形式、推进剂温度、高 空模拟及地面试验等因素有关。常规常温发动机 负推力修正一般通过理论计算和简单试验可以获 得比较准确的修正值。但低温介质发动机负推力 修正值是既不固定，又没有规律可循，其数值大 小对推力测量准确度有较大影响。因此，研究液 体火箭发动机推力测量技术，特别是负推力修正 技术和方法，对新型低温介质发动机研制和准确 客观评价发动机性能有着重要意义。 推力测量系统构成与原理 研究推力准确测量技术和负推力修正方法就 必须研究推力测量系统的结构组成和测量原理。 液体火箭发动机试验推力测量系统主要由试车 架、力源加载系统及测量系统组成。试车架主要 由定架、动架、预紧力装置及弹性约束件等组 成。图1 是一个典型的大型发动机垂直式试车架 结构形式。其中，定架固定在试车台主体地基 上，动架和发动机连接，测量传感器安装在动架 和定架之间。动、定架力分界面由两端分别固定 在动、定架上的弹性约束件和分别固定在动、定 架上的推进剂管路上的波纹管构成。弹性约束件 是试车架的关键环节，设计上应垂直于推力轴 线，并能承受一定的横向力( 一般要求额定推力 1 5 ) ，轴向约束力小于额定推力的0 1 5 。动 架、弹性约束件及波纹管组成的动架系统应保证 9 9 的被测力值传递到测量传感器上。预紧力装 置的作用是：利用杠杆原理通过砝码将动架拉 紧，使定架、测量传感器及动架三者之间没有缝 隙，且测量传感器提前受到一定预紧力值，减小 发动机启动瞬间对动架和传感器的冲击。预紧力 一般取额定推力的5 3 0 。 力源加载系统主要由力源加载装置、基准力 传感器等组成。力加载装置和基准传感器试验前 对推力测量系统进行原位校准，试验过程不参 加、不工作。一般要求基准力传感器的精度比测 量传感器的精度高一个数量级，力源加载装置在 每一档力值上应稳定。 由 牟 尚 且 I 且 ： ，一 。1 _ 一 1 t - I 2甚 _ J 广硝 1 张，l l r 图1 垂直式发动机试车架 F i g 1V e r t i c a lt h r u s tf r a m eo fe n g i n et e s t i n g 测量系统主要由测量传感器、传输电缆、信 号调理器、数据采集装置、关键参数实时显示及 数据处理分析装置等组成，如图2 所示。其中， 信号调理器对传感器输出的毫伏级电压信号进行 滤波、放大、隔离。数据采集装置对调理后的信 号进行实时采集、实时存盘、实时传输。实时硅 示装置将采集系统实时传输的推力参数计算成物 理量进行显示。 测 量 传 感 器 一传输电缆 石厕 力加载装 信 号 调 理 激 励 电 源 1 I ： 信号调理 龟 j 数 掘 采 集 工 2 据 分 图2 测量系统原理框图 F i g 2D i a g r a mo fm e a s u r e m e n ts y s t e m 推力参数的测量过程和原理是，发动机试验 前对推力测量系统进行现场原位校准。方法是： 力源加载系统通过固定在定架上的油缸顶动架或 砝码直接拉动架，获得和试验时推力同方向的N 档基准力值( 通常手动加载时选择6 档) ，力值 通过基准力传感器、动架传递到测量传感器上， 万方数据 5 8火箭推进2 0 1 0 年1 2 月 测量传感器输出的电压信号经信号调理后数据采 集装置采集数据。重复三遍，用最小二乘法将基 准推力传感器输出的各档计算标准力值与采集系 统记录的测量传感器各档对应电压值拟合曲线， 获得全系统的斜率。公式( 1 ) 至公式( 4 ) 为校 准计算公式，其中公式( 4 ) 表征系统的线性与 相关性，一般情况下相关性应0 9 9 9 以上。发动 机试验时数据采集装置采集的测量传感器输出电 压值减去零位后与斜率相乘，加上推力修正值就 是发动机试验时产生的实际推力值。 y = a + b x ( 1 ) a = y - b x ( 2 ) 6 ：! 坠警二坠娶( 3 ) 尼名i 一( 气) 。 y ：1 芸坠晕丝坠一( 4 ) 。、【n 戈；一( 气) 2 y i 一( 九) 2 】 一 一咒一气 y2 ；粘 式中：Y 为校准时施加的基准力值，k N ；戈为校 准时测量系统采集电压值，m V ；b 为系统斜率， k N m V ；a 为校准截距，k N ；凡为校准分档档 数；石；为校准时测量采集各档电压值，m V ；省为 校准时测量系统采集的所有档力值电压的平均 值，m V ；Y ；为校准时每一档所加的基准力值， k N ；Y 为校准时加载的所有档基准力值平均值， k N ；y 为两变量之间的相关系数。 试车架中除垂直式结构外，还有水平式和倾 斜式结构形式。图3 是一种典型的水平式试车 架，小型和姿轨控发动机一般采用水平式试车 架。倾斜式试车架是将水平式试车架倾斜一定角 度( 一般5 0 - 4 5 0 ) 。不同结构形式的试车架具有 不同的特点，垂直式试车架有利于提高推力测量 准确性，便于摇摆和多机并联试车，缺点是大型 液体火箭发动机试车台主体建筑高度高，需建立 水冷式导流槽。水平和倾斜式试车架能有效降低 试车台主体高度，便于安装高空模拟装置，但对 推力测量准确性有一定影响。 标准力油弋盼刁 、建 传感器l ，rK 弋o 艄 J 动 留 猕码 图3 水平式发动机试车架 F i g 3H o r i z o n t a lt h r u s tf h m eo fe n g i n et e s t i n g 2 负推力修正 推力参数测量中，物理量的计算如公式( 6 ) 所示： F = b ( u - u o ) + A F ( 6 ) 式中：F 为试验过程实时测量的推力值，k N ；b 为系统校准斜率，k N m V ；L s 为试验过程中实时 采集的电压值，m V ；l t 0 为试验前推力为零位时 记录的电压值，m V ；A F 为推力修正值，k N 。 不同的发动机、不同的试车架结构形式、常 温和低温推进剂及地面和高空模拟试车，其A F 的大小和所含的内容是不一样的。 2 1 常规推进剂发动机推力修正 使用常温常规推进剂，发动机试车架为垂直 式结构的推力测量系统，t F 通常考虑有以下几 方面。 1 ) 人口压力产生的负推力 推进剂管路与推力作用线平行时( 用于力分 界面的波纹管安装方向与推力轴线平行) ，人口 压力产生的负推力 F r = ( P ，+ p 广印a ) x A # 1 0 3 ( 7 ) 式中：F P 为泵前入口压力产生的负推力值，k N ； p ，、P ，为氧化剂和燃料管路波纹管处的压力，P a ； A ，为波纹管中径计算面积，m 2 ；P 。为当地大气压 强，M P a 。 2 ) 推进剂质量产生的负