專利名稱：微推力器陣列測試臺架的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微型固體火箭發(fā)動機推力測試的臺架，特別涉及一種微型固體火 箭發(fā)動機組成的推力器陣列的推力測試臺架。
背景技術(shù)：
隨著近年來航空航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展，對發(fā)動機推力性能的精確測試的要求也是 越來越高。固體火箭發(fā)動機具有結(jié)構(gòu)簡單、沒有移動部件、能量轉(zhuǎn)換效率高的優(yōu)點，所以被 選為微型衛(wèi)星的助推器。然而固體火箭不能夠重復(fù)使用，微型衛(wèi)星的助推器使用陣列式的 微型發(fā)動機組將成為趨勢。如果要對微小衛(wèi)星進(jìn)行精確的變軌和調(diào)姿控制，對推力器提出 了更高的要求，要求產(chǎn)生可控的微牛量級的推力，就對微推力測試提出了更高的要求。國內(nèi)外關(guān)于固體火箭發(fā)動機推力測試的臺架有很多，如二軸轉(zhuǎn)臺測試臺、六分力 測試臺、推力天平測試臺、美國的倒鐘擺推力測試架。這些測試臺架僅僅適用于單個固體火 箭發(fā)動機的推力的測試。而對于微型固體火箭發(fā)動機陣列整體性能的考察，一般是通過數(shù) 學(xué)計算方式獲得，固體火箭發(fā)動機之間的耦合關(guān)系也都是理論分析，無法驗證其正確性。另 一方面，由于推力器陣列中相鄰兩個固體火箭發(fā)動機之間的距離非常近，點火產(chǎn)生的高溫 是否會引起誤燃也僅僅是用流場分析軟件進(jìn)行理論分析，正確性用常規(guī)的測試臺架無法進(jìn) 行驗證。圖1所示是法國懸臂式微推力測試臺架。固體火箭發(fā)動機安裝在印刷電路板連接 的鐘擺下端，擺可以繞上面的軸旋轉(zhuǎn)，線圈中的電流產(chǎn)生的洛倫茲力在永磁鐵的磁場中，鐘 擺的位置由位置傳感器獲得，通過快速調(diào)節(jié)線圈中電流的大小使鐘擺始終保持豎直位置， 如此通過標(biāo)定，找出推力大小和線圈中的電流大小的函數(shù)關(guān)系，就可以進(jìn)行測試了。但是該 測試臺架僅僅可以測試單排固體火箭發(fā)動機的推力效果，是一維的，并沒有分析多個固體 火箭發(fā)動機同時點火時，產(chǎn)生推力發(fā)動機位置的求解方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)中的問題，提供一種可以測試推力器陣列整體推力 效果和可獲得同時點火發(fā)動機位置的測試臺架。本發(fā)明所述微推力器陣列測試臺架包括平臺、立柱、支座、底座、子彈球、壓電力傳 感器，外圍設(shè)備包括微型推力器陣列、放大器，其特征在于，放置微型推力器陣列的平臺為X 形板；所述立柱至少有四個，其一端分別裝卡微型推力器陣列的一角，另一端與X形板通過 中空螺栓聯(lián)接；X形板四個角的位置分別設(shè)置一個與底座固定連接的Z形支座，其中一個對 角線支座的支撐平面設(shè)置在X形板上部，在兩個支撐平面下分別通過調(diào)節(jié)螺栓螺紋連接一 個壓電力傳感器，另外一個對角線支座的支撐平面設(shè)置在X形板下部，在兩個支撐平面上 分別通過調(diào)節(jié)螺栓螺紋連接一個壓電力傳感器；X形板四個角與壓電力傳感器對應(yīng)的位置 分別過盈連接一個子彈球；所述子彈球包括圓柱形彈身和半球形彈頭，其圓柱形彈身與X 形板過盈配合，半球形彈頭頂在壓電力傳感器的應(yīng)力接觸面上；每個壓電力傳感器分別與一個放大器相連。本發(fā)明所述測試臺架能夠測試微推力器陣列的多個固體火箭發(fā)動機同時點火的 整體推力效果，并且能理論上反求出點火發(fā)動機位置。


圖1為法國懸臂式微推力測試臺架。圖2為實現(xiàn)本發(fā)明的測試臺架結(jié)構(gòu)圖。圖3為X形板與頂在其下的傳感器之間點接觸的示意圖。圖4為X形板與壓在其上的傳感器之間點接觸的示意圖。圖5為X形板的結(jié)構(gòu)圖。圖6為應(yīng)用該測試臺架的測試系統(tǒng)模塊圖。圖7為點火位置算法原理坐標(biāo)圖。其中，1為轉(zhuǎn)軸，2為鐘擺，3為銅盤，4為微型固體火箭發(fā)動機，5為線圈，6為底座， 7為Z形支座，8為X形板，9為立柱，10為調(diào)節(jié)螺栓，11為微型推力器陣列，12為傳感器，13 為子彈球。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖，詳細(xì)說明本發(fā)明的優(yōu)選實施方式。本測試臺架的測試對象是100個固體發(fā)動機均勻分布在100x100x3mm長方體平板 上的推力器陣列，其單個發(fā)動機的推力峰值為10mN，推力時間100ms。圖2為實現(xiàn)本發(fā)明的測試臺架結(jié)構(gòu)圖。微型推力器陣列11在四個小正方形的立 柱9上裝卡。X形板8與立柱9聯(lián)接部分是可小范圍水平移動的鍵槽形孔，為了測試不同邊 長的微型推力器陣列11，共開八個鍵槽孔，分兩組分別測試邊長不同的正方形微型推力器 陣列11。立柱9可以在下面X形板8的鍵槽形孔內(nèi)小范圍的滑動，實現(xiàn)對微型推力器陣列 11的夾持。添加四個立柱9的目的是為微型推力器陣列113mm厚的薄板下面有比較龐大的 點火電路板提供空間。X形板8的一個對角線支座7上安裝兩個壓電力傳感器12向下壓， 另外一個對角線支座7上的兩個壓電力傳感器12向上頂，壓電力傳感器12應(yīng)力接觸面的 另一端在Z形支座7上由調(diào)節(jié)螺栓10螺紋連接，通過旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺栓10，上下移動壓電力傳 感器12在支座7上的軸向位置，實現(xiàn)對X形板8預(yù)緊力的加載。至此，微型推力器陣列11 就完全由四個壓電力傳感器12支撐起來，在微型推力器陣列11上的微小的推力加載都會 在四個壓電力傳感器12上有輸出。圖3和圖4為壓電力傳感器12的應(yīng)力接觸面和X形板8之間點接觸的示意圖。 壓電力傳感器12的應(yīng)力接觸面和X形板8之間通過球與面點接觸，可以大大消減由于Z支 座7加工和安裝位置誤差帶來的影響，保證推力永遠(yuǎn)垂直于壓電力傳感器12的受力面，有 效去除水平干擾。子彈球的圓柱部分和X形板8之間通過公差實現(xiàn)過盈配合，子彈球球形 部分和壓電力傳感器12的應(yīng)力接觸面是點接觸，可以實現(xiàn)受力始終垂直于X板平面，消減 測試水平方向干擾。壓電力傳感器12非受力面的一端用調(diào)節(jié)螺柱和支座7連接，通過調(diào)節(jié)螺柱，可以 實現(xiàn)壓電力傳感器12的軸向小范圍內(nèi)的移動，臺架預(yù)緊之后用兩個螺母鎖緊調(diào)節(jié)螺栓10，固定壓電力傳感器12的一端。由于推力的上升時間大約為10ms，所以要分辨出來，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)一定要輕，剛度應(yīng)該盡可能大。壓電力傳感器12的信號是通過X形板8的變形獲得的，其中X形板8是測試 臺架的測試推力關(guān)鍵部分，材料可以選為鈦合金或者鋁合金，考慮到成本，選擇了鋁合金。 為了最大限度的使得X形板8重量更輕，用ANSYS對其進(jìn)行了優(yōu)化分析，最終形成了如圖5 的中心為空，下面為2mm厚加強筋的結(jié)構(gòu)形式。壓電石英晶體具備高剛度、高靈敏度、高固有頻率和良好的穩(wěn)定性，另外，它的居 里點高，溫度穩(wěn)定性好，非常適于發(fā)動機點火這樣的溫度變化非常明顯的環(huán)境。所以，本實 施例中最終選擇了壓電石英晶體作為該測試系統(tǒng)的力敏。圖6為應(yīng)用該測試臺架的測試系統(tǒng)。由測試臺架可以獲得四個傳感器的電壓輸 出，由于推力比較小，獲得的電壓信號也很微弱，所以需要連接一個四通道放大器，然后將 放大器的信號輸出給示波器或者讀卡器。最終將測試的信號輸入至電腦用MATLAB進(jìn)行分 析。測試系統(tǒng)分析過程簡要如下通過吊裝砝碼剪斷細(xì)繩的方式給測試臺X形板添加 階躍信號，讀取示波器的四通道輸出，對其進(jìn)行求矢量和運算；對信號進(jìn)行離散快速傅里葉 變換，獲得臺架的固有頻率分布；針對頻率分布設(shè)計帶通濾波器對原始信號進(jìn)行濾波處理， 并與原始信號進(jìn)行比較分析；對帶通信號進(jìn)行擬合，求出系統(tǒng)的識別參數(shù)；設(shè)計補償電路 或者軟件補償算法進(jìn)行補償，完成對標(biāo)準(zhǔn)階躍力的標(biāo)定。圖7為點火位置算法原理坐標(biāo)圖。單個發(fā)動機點火時的測試原理如圖7所示， xy平面為推力器陣列所在的平面，F(xiàn)1和F4為正方形陶瓷板的一個對角線上傳感器所施加的 力，指向Z軸正方向，F(xiàn)2和F3為其另一個對角線上的力，指向Z軸負(fù)方向。以矩陣發(fā)動機組 平板為研究對象，規(guī)定正方向為Z軸正方向，假設(shè)點火發(fā)動機的位置坐標(biāo)為(a，b)，L為相鄰 兩個傳感器之間的距離，則有單個發(fā)動機主推力F為<formula>formula see original document page 5</formula> ①對X 軸取矩則有<formula>formula see original document page 5</formula> ②對Y 軸取矩則有<formula>formula see original document page 5</formula> ③由方程②③可得<formula>formula see original document page 5</formula> 當(dāng)有多個火箭同時點火時的測試原理由總體推力的大小可以得出同時點火的火 箭的個數(shù)η。當(dāng)η = 2時，先求出總的推力的作用點，原理和單個發(fā)動機坐標(biāo)位置確定方法 一致。同時點火發(fā)動機推力的合力即為總推力。假設(shè)總推力在第二象限(其他象限道理一 樣)，過總推力的作用點作一條斜率為1的直線，則此直線的上下方必各有一個固體火箭點 火。依次按順序假設(shè)左上方的一個發(fā)動機^^為點火發(fā)動機，則以總推力作用點為中心對 稱點的另一點附近必有一個發(fā)動機β ！點火，由α ” β工點火進(jìn)行推力疊加計算得出四個傳 感器的理論讀數(shù)，如果和實際測得的讀數(shù)一致則點火發(fā)動機為β”若不一致，依次在直 線上方取另一個發(fā)動機α 2假設(shè)其點火，得出中心對稱的另一個發(fā)動機β 2位置，再驗證，如 此循環(huán)便可以求出兩個同時點火發(fā)動機的位置坐標(biāo)。取極限情況，假設(shè)推力合力在坐標(biāo)系 原點，則最多循環(huán)50次，即可找出點火發(fā)動機的位置。
當(dāng)η = 3時，先找出推力合力的位置，假設(shè)在第三象限，過作用點畫一條斜率為-1 的直線，在線的下方依次假設(shè)一個發(fā)動機α工點火，α工點火發(fā)動機距離合力作用點為d，則 在直線上合力作用點的另一方距離為的d/2的位置為另外兩個固體火箭β”、的推力合 力的作用點，求Y1位置的方法如η = 2的情況，然后驗證循環(huán)。η>3時，同理。
至此，就完成了對點火發(fā)動機位置的反求。
權(quán)利要求
一種微推力器陣列測試臺架，包括平臺(8)、立柱(9)、支座(7)、底座(6)、子彈球(13)、壓電力傳感器(12)，外圍設(shè)備包括微型推力器陣列(11)、測試系統(tǒng)，其特征在于，放置微型推力器陣列(11)的平臺(8)為X形板；所述立柱(9)至少有四個，其一端分別裝卡微型推力器陣列(11)的一角，另一端與X形板(8)通過中空螺栓聯(lián)接；X形板(8)四個角的位置分別設(shè)置一個與底座(6)固定連接的Z形支座(7)，其中一個對角線支座(7)的支撐平面設(shè)置在X形板(8)上部，在兩個支撐平面下分別通過調(diào)節(jié)螺栓(10)螺紋連接一個壓電力傳感器(12)，另外一個對角線支座(7)的支撐平面設(shè)置在X形板(8)下部，在兩個支撐平面上分別通過調(diào)節(jié)螺栓(10)螺紋連接一個壓電力傳感器(12)；X形板(8)四個角與壓電力傳感器對應(yīng)的位置分別過盈連接一個子彈球(13)；所述子彈球(13)包括圓柱形彈身和半球形彈頭，其圓柱形彈身與X形板(8)過盈配合，半球形彈頭頂在壓電力傳感器(12)的應(yīng)力接觸面上；每個壓電力傳感器(12)分別連接到測試系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微推力器陣列測試臺架，其特征在于，X形板(8)與立柱(9) 聯(lián)接部分是鍵槽形孔。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微推力器陣列測試臺架，其特征在于，所述鍵槽形孔有8個。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微推力器陣列測試臺架，其特征在于，所述X形板(8)的材料 為鈦合金或者鋁合金。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微推力器陣列測試臺架，其特征在于，所述X形板(8)中心為 空，下面有加強筋。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微推力器陣列測試臺架，其特征在于，所述壓電力傳感器 (12)為壓電石英晶體。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種微型固體火箭發(fā)動機組成的推力器陣列的推力測試臺架，包括平臺、立柱、支座、底座、壓電力傳感器，外圍設(shè)備包括微型推力器陣列、放大器，其中放置微型推力器陣列的平臺為X形板；所述立柱至少有四個，其一端分別裝卡推力器陣列的一角，另一端與X形板通過中空螺栓聯(lián)接；X形板四個角的位置分別設(shè)置一個Z形支座，其中一個對角線支座的支撐平面設(shè)置在X形板上部，另外一個對角線支座的支撐平面設(shè)置在X形板下部，每個支撐平面分別通過壓電力傳感器與X形板相連。本測試臺架能夠測試微推力器陣列的多個固體火箭發(fā)動機同時點火的整體推力效果，并且能理論上反求出點火發(fā)動機位置。
文檔編號G01L5/00GK101813537SQ20101012696
公開日2010年8月25日 申請日期2010年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月18日
發(fā)明者劉書杰, 劉旭輝, 方蜀州, 權(quán)恩 申請人:北京理工大學(xué)