一种冲量测试装置、系统及测试方法

技术领域

本发明属于火箭发动机测试技术领域，具体涉及一种冲量测试装置、系统及测试方法。

背景技术

随着航天技术的不断发展，人类的探索空间不断扩大。近年来，航天器的小型化或微型化成为一种发展趋势。因此，需要质量更轻、推力更精确的推进系统用于轨道控制和姿态调整。某些航天器上，还需有快速响应能力。采用固体火箭发动机方案，可以使推进系统所占质量大大减轻，同时可发挥固体推进剂易长期储存的优势。众所周知，发展航天技术、卫星探空技术国家能在技术上得到了全面迅速的提高。在应用上获得了全方位的发展.并有着显著的经济和社会效益。

目前，国内外对微小型发动机测试也都在大力发展，其中美、俄、日、法、捷克从五十年代开始就进行了动态力测量的研究,到七十年代先后取得了一些成果,并陆续应用于探空火箭发动机实验的推力测量中,满足了卫星发动机研制的需要，技术已经非常成熟，我国在这方面起步晚、底子薄，其中在测量装置方面型号少，很难满足现在火箭发动机发展速度。

当前发动机的实验，主要是进行中、大推力发动机的实验测试，而近些年，随着精确控制的增加，对新型姿控发动机的研发力度加大，微小推力发动机不断涌现，而对其进行精确测试则迫在眉睫，这就对实验工装的测量方式和测试精度提出了更高的要求。

冲量测试装置系统是微固体发动机推进实验系统的关键组成部分之一。它主要用于安装微固体推进发动机并进行精确的推力测量以保证发动机处于规定的位置和状态和推力冲量参数测量的正确。目前国内发动机技术发展迅猛，各型号大小不断增加，现有测试系统不能全面满足新型微固体发动机测试需求，所以新开发一种新型冲量测试装置。

目前，微固体发动机冲量测试实验标定方式复杂、实验架要求较高、测量精度易受到外部环境影响。考虑到以上各种情况，一种简单、可靠的冲量测试装置成为了当下微固体发动机实验的必须产物。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简单、可靠的冲量测试装置、系统及方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种冲量测试装置，包括测量承载框架、标定组件、预紧钢带、发动机固定底座、位移锁紧螺丝和电涡流传感器；所述位移锁紧螺丝连接在测量承载框架上表面的中心处，所述电涡流传感器连接在位移锁紧螺丝上；所述标定组件设置两组，两组标定组件分设在测量承载框架上表面的两端；所述预紧钢带的两端分别连接在两组标定组件的下面；所述发动机固定底座可拆卸连接在预紧钢带上表面的中心处；所述电涡流传感器位于发动机固定底座正下方。

所述的标定组件包括上调节块和下调节块；上调节块和下调节块上下设置；所述下调节块与测量承载框架固定连接，下调节块上表面中心设置有销孔、两侧对称设置有腰孔，腰孔内设置有用于调节预紧钢带弹性拉伸量的调节栓；所述上调节块的中心设置有上下贯穿的通孔；所述预紧钢带的两端分别置于两侧标定组件的上调节块和下调节块之间。

所述的测量承载框架包括上面板、下面板和支撑板；所述上面板和下面板通过支撑板连接；所述下面板上设置有连接通孔。

所述的预紧钢带采用FDP802无磁不锈钢制成。

所述的发动机固定底座为中心具有圆形凹槽的板状结构，圆形凹槽四周开有四个螺纹孔，固定底座下表面中心设置有一个螺丝柱，螺丝柱底部为平面。

所述的位移锁紧螺丝为圆柱形状，所述位移锁紧螺丝上端面均匀设置有4个用于固定电涡流传感器的螺纹孔，位移锁紧螺丝下部侧壁设置有螺纹，移锁紧螺丝中心沿轴向设置有贯穿通孔。

一种冲量测试系统，至少包括一种冲量测试装置，还包括真空箱、数据采集分析器和标准砝码；所述冲量测试装置连接在真空箱上；所述数据采集分析器与电涡流传感器电信号连接；所述的标准砝码在标定时连接在发动机固定底座上；所述真空箱内设置有发动机点火线。

一种冲量测试系统的冲量测试方法，包括如下步骤：

步骤一：冲量测试装置的连接与调整；

将冲量测试装置中测量承载框架的下面板与真空箱连接固定，两组标定组件分别固定在测量承载框架上表面两端，将预紧钢带两端分别置于上调节块和下调节块之间并压紧，调整电涡流传感器与钢带之间距离为预设值，并使电涡流传感器与发动机固定底座对中；

步骤二：对冲量测试装置进行标定；

将标准砝码安装在发动机固定底座上，按预设的同等重量值的砝码添加多次，得到多个标定台阶值，电涡流传感器获取预紧钢带在多个标定台阶值所发生的多个标定位移变量数据并将获取的数据发送给数据采集分析器，数据采集分析器记录数据；

步骤三：安装发动机并给真空箱抽真空；

步骤二完成后，取下标准砝码，将发动机安装在发动机固定底座上，将发动机与真空箱内发动机点火线连接，封闭真空箱，打开真空泵，使真空箱内抽真空至预设压力，关闭真空泵；

步骤四：点火实验；

发动机点火，数据采集分析器获取发动机点火时的预紧钢带发生的实际位移变量值，并记录推力变化时域数据及时长；

步骤五：计算实际推力值

将步骤二中数据采集分析器所记录的数据和步骤四中的实际位移变量值代入推力计算公式

最大标定值/最大标定位移变量值＝实际推力值/实际位移变量值算出实际推力值；

步骤六：获得发动机冲量数据；

将步骤五得到的实际推力值，及步骤四记录的力的作用时长带入冲量计算公式I＝Ft中，得出发动机冲量数据；

其中：I为发动机冲量；

F为恒力即推力N；

t为力的作用时间s；

步骤七：数据分析评价；

数据采集分析器将步骤六得到的发动机冲量数据与设计任务书进行比对，输出发动机的性能、精度、可靠性评定结果。

所述的步骤一中电涡流传感器与钢带之间距离的预设值为1mm。

所述的步骤三中安装发动机并给真空箱抽真空时，真空箱内抽真空的预设压力为小于10Pa。

有益效果：

(1)本发明通过实验前砝码标定，确保本发明装置自身的稳定性和实验数据的准确度。

(2)本发明集数据采集与处理为一体，当进行试车时，该测量装置可确保发动机按所要求的实验状态定位和固定在测量装置上，对发动机点火时的实时数据进行采集，并对所采集的数据进行分析处理，与设计任务书进行比对，对发动机的性能、精度、可靠性等进行评定，及暴露发动机研制过程中的一些问题，从而为改进设计指出方向和寻找解决问题的途径。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚的了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的结构正视图。

图2是本发明的结构俯视图。

图中：1-测量承载框架；2-标定组件；3-预紧钢带；4-发动机固定底座；5-移锁紧螺丝；6-电涡流传感器；7-上调节块；8-下调节块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

参照图1～2所示的一种冲量测试装置，包括测量承载框架1、标定组件2、预紧钢带3、发动机固定底座4、位移锁紧螺丝5和电涡流传感器6；所述移锁紧螺丝5连接在测量承载框架1上表面的中心处，所述电涡流传感器6连接在位移锁紧螺丝5上；所述标定组件2设置两组，两组标定组件2分设在测量承载框架1上表面的两端；所述预紧钢带3的两端分别连接在两组标定组件2的下面；所述发动机固定底座4可拆卸连接在预紧钢带3上表面的中心处；所述电涡流传感器6位于发动机固定底座4正下方。

在实际使用时，将冲量测试装置中测量承载框架1的下面板与真空箱连接固定，两组标定组件2分别固定在测量承载框架1上表面两端，将预紧钢带3两端分别置于上调节块7和下调节块8之间并压紧，调整电涡流传感器与钢带之间距离为1mm，并使电涡流传感器与发动机固定底座对中；然后，将标准砝码安装在发动机固定底座4上，按预设的同等重量值的砝码添加多次，得到多个标定台阶值，电涡流传感器6获取预紧钢带3在多个标定台阶值所发生的多个标定位移变量数据并将获取的数据发送给数据采集分析器，数据采集分析器记录数据；然后，取下标准砝码，将发动机安装在发动机固定底座4上，将发动机与真空箱内发动机点火线连接，封闭真空箱，打开真空泵，使真空箱内抽真空至预设压力，关闭真空泵；随后发动机点火，数据采集分析器获取发动机点火时的预紧钢带3发生的实际位移变量值，并记录推力变化时域数据及时长；将数据采集分析器所记录的数据和步骤四中的实际位移变量值代入推力计算公式算出实际推力值；然后将实际推力值及记录的力的作用时长带入冲量计算公式I＝Ft中，得出发动机冲量数据；之后数据采集分析器将得到的发动机冲量数据与设计任务书进行比对，输出发动机的性能、精度、可靠性评定结果。其中步骤三中安装发动机并给真空箱抽真空时，真空箱内抽真空的预设压力为小于10Pa。

本发明在正式试验前需进行静态校准以对设备本身精度进行验证、校准，进行静态校准时，观察预紧钢带3是否存在变形、损坏，标定组件2对预紧钢带3拉伸过紧或者预紧钢带3两端受力不够均匀，按照校准规程进行标定前检查准备。满足规程要求后，进行砝码标定，本发明在实验前进行砝码标定，依据需求选用合适的砝码来满足本设备在静态标定时所需求的微小力值加载的稳定性，砝码标定时用镊子夹住砝码逐一增加和递减，砝码经过鉴定机构鉴定，避免手和外界物品接触。当增加砝码和递减砝码时，电涡流传感器6记录采集预紧钢带3位移量变化，增加实验设备采集数据准确度、重复性和实验架稳定性。

采用本发明进行冲量测试，不仅简单，而且可靠。

实施例二：

参照图1和图2所示的一种冲量测试装置，在实施例一的基础上：所述的标定组件2包括上调节块7和下调节块8；上调节块7和下调节块8上下设置；所述下调节块8与测量承载框架1固定连接，下调节块8上表面中心设置有销孔、两侧对称设置有腰孔，腰孔内设置有用于调节预紧钢带3弹性拉伸量的调节栓；所述上调节块7的中心设置有上下贯穿的通孔；所述预紧钢带3的两端分别置于两侧标定组件2的上调节块7和下调节块8之间。

在实际使用时，标定组件2相当于钢带调节座，用上调节块7和下调节块8将预紧钢带3压紧，标定组件2中间与预紧钢带3两端有销孔，用销子固定紧，防止位移。发动机固定底座4下端的螺丝柱通过预紧钢带3中心圆孔用螺母锁紧，移锁紧螺丝5与发动机固定底座4上的预紧钢带3中心圆孔之间对中且保持合适距离。

标定组件2采用本技术方案，能够进一步保障本发明测试的精确性。

实施例三：

参照图1所示的一种冲量测试装置，在实施例一的基础上：所述的测量承载框架1包括上面板、下面板和支撑板；所述上面板和下面板通过支撑板连接；所述下面板上设置有连接通孔。

在实际使用时，测量承载框架1采用本技术方案，便于实验架整体平稳，能够使发动机水平安装。

实施例四：

参照图1和图2所示的一种冲量测试装置，在实施例一的基础上：所述的预紧钢带3采用FDP802无磁不锈钢制成。

在实际使用时，预紧钢带3采用本技术方案，具有无磁性好、拉伸性好的特点，用于实验标定时产生弹性线性位移量变化，方便采集系统采集发动机试车和砝码标定时产生冲量计算。

实施例五：

参照图1和图2所示的一种冲量测试装置，在实施例一的基础上：所述的发动机固定底座4为中心具有圆形凹槽的板状结构，圆形凹槽四周开有四个螺纹孔，固定底座4下表面中心设置有一个螺丝柱，螺丝柱底部为平面。

在实际使用时，发动机固定底座4上的圆形凹槽有砝码大小圆形加工凹面，方便砝码标定时放在中心孔位，凹槽周围有4个螺纹孔，方便安装模拟发动机，螺丝柱的设置便于在预紧钢带3中心预留孔安装，螺丝柱底部为加工平面，用于电涡流传感器6表头测量。

板实施例中的发动机固定底座4采用硬铝加工，不仅减少了重量，而且减少了对预紧钢带弹性变量影响，提高了安装发动机时间效率、减少了发动机对中产生的误差。

固定底座采用本技术方案，能够避免砝码不居中发生，操作简单，增加了冲量测试装置的可靠性。

实施例六：

参照图1所示的一种冲量测试装置，在实施例一的基础上：所述的位移锁紧螺丝5为圆柱形状，所述位移锁紧螺丝5上端面均匀设置有4个用于固定电涡流传感器6的螺纹孔，位移锁紧螺丝5下部侧壁设置有螺纹，移锁紧螺丝5中心沿轴向设置有贯穿通孔。

在实际使用时，位移锁紧螺丝5下部侧壁设置有螺纹能够方便的将移锁紧螺丝5调节上下位移量，移锁紧螺丝5中心沿轴向设置有贯穿通孔，能够方便的将电涡流传感器6从移锁紧螺丝5底部穿到头部进行固定安装。

位移锁紧螺丝5采用本技术方案，能够方便的调节电涡流传感器6的感应头与发动机固定底座4之间的距离。

实施例七：

一种冲量测试系统，至少包括一种冲量测试装置，还包括真空箱、数据采集分析器和标准砝码；所述冲量测试装置连接在真空箱上；所述数据采集分析器与电涡流传感器6电信号连接；所述的标准砝码在标定时连接在发动机固定底座4上；所述真空箱内设置有发动机点火线。

在实际使用时，将冲量测试装置中测量承载框架1的下面板与真空箱连接固定，两组标定组件2分别固定在测量承载框架1上表面两端，将预紧钢带3两端分别置于上调节块7和下调节块8之间并压紧，调整电涡流传感器与钢带之间距离，并使电涡流传感器与发动机固定底座对中；随后，将标准砝码安装在发动机固定底座4上，按预设值增加砝码重量，电涡流传感器6获取预紧钢带3位移变化数据并将获取的数据发送给数据采集分析器，数据采集分析器根据标定得到的计算公式，算出砝码重量变化时域数据并计算获得标定冲量数据；之后，取下标准砝码，将发动机安装在发动机固定底座4上，将发动机与真空箱内发动机点火线连接，封闭真空箱，打开真空泵，使真空箱内抽真空至预设压力，关闭真空泵；发动机点火，数据采集分析器获取发动机点火时的实时实验数据；数据采集分析器将获取的发动机点火时的实时实验数据，带入标定得到的计算公式中，得出推力变化时域数据及发动机冲量数据，并将得出的数据与设计任务书进行比对，输出发动机的性能、精度、可靠性评定结果。

采用本发明的技术方案进行冲量测试，不仅简单，而且可靠。

本实施例中，数据采集分析器与电涡流传感器6通过电信号连接，设备采集设备选用美国NI公司基于PC的测量和控制系统，NI硬件产品通过USB或以太网连接到PC或笔记本电脑。将CompactDAQ机箱连接到PC，并在机箱中插入集成信号调理的I/O模块。在所述数据采集设备以Microsoft VC++6.0为开发环境开发专用测试软件，软件主要具备以下功能：

文件操作：打开/保存数据文件、导入标定数据、导出数据文件；

信号设置：设置信号对应的模块、通道、滤波、输入范围等参数；

信号标定：标定传感器，计算线性、滞后、重复性精度，计算使用精度；

信号监视：显示选择的信号曲线及瞬时值，但不存盘；

数据采集：采集并实时保存信号值，同时实时显示选择的信号曲线及瞬时值；

曲线显示：可以对曲线进行水平拉伸，显示鼠标对应时刻信号值；

数据处理：可以处理分析扩展接入的推压力传感器信号；

报表打印：打印标定记录、数据曲线、信号瞬时值、数据汇总表等；

文件格式：每次试验对应一个数据文件，包括各路信号参数设置、标定记录、试验数据以及数据处理结果。

实施例八：

一种冲量测试系统的冲量测试方法，包括如下步骤：

步骤一：冲量测试装置的连接与调整；

将冲量测试装置中测量承载框架1的下面板与真空箱连接固定，两组标定组件2分别固定在测量承载框架1上表面两端，将预紧钢带3两端分别置于上调节块7和下调节块8之间并压紧，调整电涡流传感器与钢带之间距离为预设值，并使电涡流传感器与发动机固定底座对中；

步骤二：对冲量测试装置进行标定；

将标准砝码安装在发动机固定底座4上，按预设的同等重量值的砝码添加多次，得到多个标定台阶值，电涡流传感器6获取预紧钢带3在多个标定台阶值所发生的多个标定位移变量数据并将获取的数据发送给数据采集分析器，数据采集分析器记录数据；

步骤三：安装发动机并给真空箱抽真空；

步骤二完成后，取下标准砝码，将发动机安装在发动机固定底座4上，将发动机与真空箱内发动机点火线连接，封闭真空箱，打开真空泵，使真空箱内抽真空至预设压力，关闭真空泵；

步骤四：点火实验；

发动机点火，数据采集分析器获取发动机点火时的预紧钢带3发生的实际位移变量值，并记录推力变化时域数据及时长；

步骤五：计算实际推力值

将步骤二中数据采集分析器所记录的数据和步骤四中的实际位移变量值代入推力计算公式

最大标定值/最大标定位移变量值＝实际推力值/实际位移变量值算出实际推力值；

步骤六：获得发动机冲量数据；

将步骤五得到的实际推力值，及步骤四记录的力的作用时长带入冲量计算公式I＝Ft中，得出发动机冲量数据；

其中：I为发动机冲量；

F为恒力即推力N；

t为力的作用时间s；

步骤七：数据分析评价；

数据采集分析器将步骤六得到的发动机冲量数据与设计任务书进行比对，输出发动机的性能、精度、可靠性评定结果。

优选的是，所述的步骤一中电涡流传感器与钢带之间距离的预设值为1mm。

优选的是，所述的步骤三中安装发动机并给真空箱抽真空时，真空箱内抽真空的预设压力为小于10Pa。

在实际使用时，在正式试验前需进行静态校准。对设备本身精度进行验证、校准，进行静态校准时，要观察预紧钢带是否存在变形、损坏，标定组件对预紧钢带拉伸过紧或者钢带两端受力不够均匀，按照校准规程进行标定前检查准备。满足规程要求进行砝码标定，标定结束后根据数据采集系统所得数据进行分析计算，得出试验架自身的精度。数据采集分析器将数据分析评价结果清晰的输出。

综上所述，本发明包括测量承载框架、标定组件、预紧钢带、发动机固定底座、位移锁紧螺丝和电涡流传感器；位移锁紧螺丝连接在测量承载框架上表面的中心，电涡流传感器连接在位移锁紧螺丝上；标定组件设置两组，两组标定组件分设在测量承载框架上表面的两端；预紧钢带的两端分别连接在两组标定组件的下面；发动机固定底座可拆卸连接在预紧钢带上表面的中心；电涡流传感器位于发动机固定底座正下方。通过冲量测试装置的连接与调整、对冲量测试装置进行标定、安装发动机并给真空箱抽真空、点火实验、计算实际推力值、获得发动机冲量数据和数据分析评价七个步骤，简单、可靠的进行了发动机冲量实验。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

在不冲突的情况下，本领域的技术人员可以根据实际情况将上述各示例中相关的技术特征相互组合，以达到相应的技术效果，具体对于各种组合情况在此不一一赘述。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖性特点相一致的最宽的范围。依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。