[發明專利]一種發動機真空羽流力熱效應的試驗系統及方法

有效

• 申請號: 202110303945.0
• 申請日: 2021-03-22
• 公開（公告）號: CN113340603B
• 公開（公告）日: 2022-09-27
• 發明（設計）人: 舒燕;張旭輝;邢卓異;張伍;葉青;曹瑞強;于杭健;龐彧;何秋鵬
• 申請（專利權）人: 北京空間飛行器總體設計部
• 主分類號: G01M15/14
• 分類號: G01M15/14;G01M9/06
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 陳鵬

1.一種發動機真空羽流力熱效應的試驗系統，其特征在于，包括：控制子系統、真空環境子系統、驗證器子系統、試驗結構子系統以及測量子系統；其中，

所述控制子系統，與所述真空環境子系統以及驗證器子系統連接，用于根據預設的環境信息控制所述真空環境子系統提供真空環境，以及根據預設的點火信息生成第一控制指令；

所述真空環境子系統，包括真空艙和真空抽吸設備；所述真空艙用于為所述驗證器子系統、所述試驗結構子系統以及所述測量子系統提供真空環境；所述真空抽吸設備用于將所述真空艙抽吸為真空環境，以及保持發動機點火過程中的真空環境；

所述驗證器子系統，包括發動機以及驗證器，通過所述試驗結構子系統安裝于所述真空艙中；所述發動機，用于在所述第一控制指令控制下實現點火操作噴射出高溫燃氣羽流，以產生真實的發動機羽流場；所述驗證器用于模擬高溫燃氣羽流影響范圍內的幾何邊界和物理邊界，并為所述測量子系統中多種傳感器提供安裝接口；

所述試驗結構子系統，用于為所述驗證器子系統提供安裝接口，并設置試驗的多工況；

所述測量子系統，設置于所述真空艙中，用于測量發動機羽流場及力熱效應參數、所述真空環境子系統的工作參數、所述驗證器子系統的工作參數以及測量數據采集與處理；

所述驗證器，包括：上升器驗證器和起飛平臺驗證器，其中，

所述上升器驗證器，通過安裝所述發動機，用于產生所述真實的發動機羽流場；

所述上升器驗證器和所述起飛平臺驗證器，用于模擬所述高溫燃氣羽流影響范圍內的幾何邊界和物理邊界；

所述試驗結構子系統，包括承力架和位姿調整裝置，其中，

所述承力架，用于為所述上升器驗證器提供連接和支撐，其中，所述承力架頂部通過所述測量子系統與所述上升器驗證器頂部連接；

所述位姿調整裝置，與所述起飛平臺驗證器連接，且設置于所述起飛平臺驗證器的下方，用于調整所述發動機與所述起飛平臺驗證器之間的距離以及偏轉角度，以實現多工況下的羽流場測量；

所述測量子系統，包括：發動機羽流場及力熱效應參數測量子系統、所述真空環境子系統工作參數測量子系統、所述發動機及驗證器子系統工作參數測量子系統和測量數據采集與處理子系統，其中：

所述發動機羽流場及力熱效應參數測量子系統，包括測量羽流合力效應的測力架、測量羽流場的分布式力效應的微差壓傳感器、測量羽流場的分布式熱效應的溫度和熱流傳感器、測量羽流場的紋影儀及圖像采集裝置；所述測力架，一端與所述上升器驗證器連接，另一端與所述承力架連接，用于測量所述上升器驗證器所受羽流合力；所述溫度和熱流傳感器根據預設要求設置于所述驗證器子系統上；所述紋影儀，設置于所述真空艙外正對發動機出口位置處，用于獲取發動機的羽流場密度分布特征和激波邊界；所述圖像采集裝置，設置于所述真空艙外正對發動機出口位置處，用于采集所述發動機點火期間高溫燃氣羽流的影像；

所述真空環境子系統工作參數測量子系統，包括測量真空度的真空艙壓傳感器和反應真空艙內熱沉溫度的傳感器；

所述發動機及驗證器子系統工作參數測量子系統，包括確保所述驗證器子系統中發動機正常工作的壓力傳感器和溫度傳感器；

所述測量數據采集與處理子系統，包括多種傳感器的數據采集與處理設備，用于實現試驗測量數據的采集、處理和存儲；

所述測力架，包括：設置于所述測力架中心位置的測力板組件以及法蘭，其中，

所述法蘭，包括頂部法蘭和底部法蘭，所述頂部法蘭，用于與所述承力架連接；所述底部法蘭，用于與所述上升器驗證器連接；

所述測力板組件，包括頂板、底板以及四組壓電石英傳感器，所述頂板與所述頂部法蘭固定連接，所述底板與所述底部法蘭對應的支架上端連接，所述四組壓電石英傳感器，設置于所述頂板與所述底板之間，每組所述傳感器用于3個方向的力測量，以使得測量與其連接的所述上升器驗證器所受羽流合力；

所述四組壓電石英傳感器，具體用于：

通過如下公式計算所述高溫羽流對所述上升器驗證器的合力及合力矩：

F_x合＝F_x-F_推

F_y合＝F_y

F_z合＝F_z

F_X＝F_X1+F_X2+F_X3+F_X4

F_y＝F_y1+F_y2+F_y3+F_y4

F_z＝F_z1+F_z2+F_z3+F_z4

M_X＝aF_y1+aF_y2-aF_y3-aF_y4-aF_z1+aF_z2+aF_z3-aF_z4

M_y＝-aF_x1-aF_x2+aF_x3+aF_x4

M_Z＝aF_x1-aF_x2-aF_x3+aF_x4

其中，F_x合表示所述上升器驗證器在x方向所受的羽流合力；F_x表示所述四組壓電石英傳感器測量得到的x方向的合力；F_推表示所述發動機的推力；PcMP1表示預設的發動機室壓參數；C表示預設的測量系數；F_熱標表示預設的發動機熱標試車參數；F_y合表示所述上升器驗證器在y方向羽流合力；F_y表示所述四組壓電石英傳感器測量得到的y方向的合力；F_z合表示所述上升器驗證器在z方向羽流合力；F_z表示所述四組壓電石英傳感器得到的z方向的合力；Mx、My、Mz表示上升器驗證器在測力板組件中心點處的3個方向的合力矩。