关于姿态与轨道控制发动机推力测量系统的误差解除及现场校准性能的研究

《Acta Astronautica》：Study on error decoupling and in-situ calibration performance of thrust measurement system for attitude and orbit control engine

　　

刘金龙|王凯婷|张军|程龙波|王富迪|袁明宇|梅世鹿|吴家玲|任宗金|刘伟

大连理工大学机械工程学院，中国大连116024

摘要

为了解决由于复杂的力传递路径和装配轴线不对中导致的推力测试系统中测量精度降低的技术问题，本文提出了一种直接的压电推力测量装置。通过采用解耦算法和坐标变换理论，构建了一个力到电转换和轴线偏差的耦合模型，以在多维载荷下解耦传感器的力状态。基于解耦后的校正数据，一个复合旋转矩阵将传感器坐标系映射到工作平面上，从而实现高精度的推力测量和重建。其次，利用有限元仿真分析了测试系统的频率响应和机械特性，完成了整体结构的概念设计。基于自主研发的三轴原位校准装置，对测试系统进行了误差检测、静态校准、复合加载和自然频率测试。该装置的实验验证证实了理论方法的可行性。该装置具有结构简单、精度高和动态响应快等优点，线性度低于0.23%。在800 N的推力载荷下，x轴和y轴的干扰分别降低到0.01%和0.07%。这项研究为提高未来推力框架的测试精度和结构优化提供了理论指导，展现了明显的工程应用价值。

引言

液体火箭发动机作为空间发射载具的核心推进系统，广泛应用于火箭、卫星和空间探索[1],[2],[3],[4]。在轨运行过程中，航天器轨道会受到各种空间干扰的影响，如太阳辐射、太空碎片、天体引力和地球潮汐力，导致实际轨道与标准轨道出现细微偏差[5],[6],[7]。在高精度卫星定位和深空探索任务中，轨道偏差误差会显著影响任务结果。因此，采用了小推力的姿态和轨道控制发动机来执行轨道维护任务[8],[9]。目前，发动机通常采用推力框架耦合的力传感器测量方案，利用力到电转换来获取实际力信号。然而，在实际工程应用中，推力传递路径受到系统复杂性的影响。系统复杂性越大，装配误差就越大。在相互耦合的影响下，这些误差会导致传感器的合力矢量偏离理论轴线，产生显著的干扰分量。此外，由于姿态-轨道控制发动机的推力较小，系统装配误差的引入会导致在校准过程中各种干扰效应的显著放大，使得地面测试数据（偏移量和倾斜角）难以准确反映发动机在空中的实际性能[10],[11],[12]。因此，建立一种能够在真实空间中对姿态和轨道控制发动机进行高精度推力测量并补偿干扰效应的地面测试系统，已成为当前航空推进系统发展中的关键技术挑战[13],[14],[15],[16]。

为了满足姿态和轨道控制发动机推力的测试要求，常用的传感器有应变片力传感器、压电力传感器和电磁力传感器[17],[18],[19],[20]。在推力测量过程中，力传感器不仅需要准确测量稳态力，还需要具备高频率响应能力，以满足多维高频动态力测试的需求[21],[22],[23]。与其他两种传感器类型相比，压电力传感器在自然频率和力测量范围方面具有显著优势，因此成为全球学者在推力测量研究中的重点。例如，卢等人[24]提出了一种用于脉冲爆发发动机的压电推力框架结构，其中使用不锈钢导轨和精密滚珠轴承来构建可移动框架，并将力传感器连接到可移动框架以实现推力信号的测量。秦等人[25]提出了一种用于液体火箭发动机的直接测量装置，利用两组纵向排列的压电传感器和弹性结构来测量由推力引起的剪切变形。该装置的线性和重复性误差小于0.3%，动态推力误差小于5%（峰峰值）；然而，它没有考虑装配误差对推力测量的影响。Moriai等人[26]开发了一种具有主动力补偿的六分量推力测量装置，用于冷气发动机推力系统。通过使用弹簧来抵消装置的重量，并通过音圈电机产生补偿力来抵消发动机推力。在测量4 mN推力时，推力矢量的不确定性优于0.13 mN，但存在装配复杂性和对额外干扰力和力矩的敏感性。Rohaizat等人[27]开发了一种基于扭转摆系统的卫星推力测量装置，该装置利用生成的角度位移和扭矩平衡原理间接计算推力值。理论角度位移与测量值非常接近。然而，装置中的磁性阻尼器容易受到环境干扰的影响，同时扭转丝变形引入的误差限制了其测量精度。此外，研究人员还使用分布式配置的应变片力传感器构建了推力测试台，以实现高精度的推力矢量测量。然而，这种方法存在系统自然频率低和装配复杂的缺点[28]。总之，现有的推力测量装置通常存在设计复杂、自然频率低和由于未补偿误差导致的显著方向间干扰等问题[29],[30],[31]。因此，为了在地面测试中实现姿态和轨道控制发动机实际推力的高精度测量，并消除装配误差对测量结果的影响，迫切需要一种结构简单且具有相应校正理论的推力测量装置，从而为发动机性能评估提供可靠的推力数据支持。

为了解决由于复杂的力传递路径和装配误差导致的姿态和轨道控制发动机推力测试系统中测量精度降低的工程问题，提出了一种直接的传感器测量方法。该方法结合了解耦算法和坐标变换理论，以实现发动机推力的补偿和校正。其创新点包括：(1) 与间接和分布式测量方案相比，显著降低了装配复杂性和不确定性；(2) 通过解耦和坐标变换理论有效减轻了装配问题引入的干扰，从而更准确地恢复真实推力值；(3) 该装置支持三轴力测量和原位校准，同时具有高动态性能。通过对推力框架结构的机械建模和有限元分析，全面评估了系统的机械性能，确保了结构的可靠性和稳定性。使用坐标测量机(CMM)进行了几何误差检查，同时使用砝码和圆柱体对三轴力传感器进行了静态校准。此外，还研究了不同矢量倾斜角对设备测量性能的影响，并使用锤击法获得了系统的三轴动态响应。

章节片段

推力测试系统的结构设计和解耦测量方法

姿态和轨道控制发动机的z方向主推力为800 N，x轴和y轴推力分别为10.37 N，线性度控制在1%以内，方向间干扰控制在3%以内，测试系统的自然频率不低于200 Hz。根据上述推力测量技术要求，开发了一种适用于高推力重量比和高精度的压电推力测量系统(PTM)

推力测试系统的坐标变换校正理论

由于测试系统中装配误差和结构变形的普遍存在，力传递路径的偏差已成为限制精度提升的关键瓶颈。为了准确获取发动机的真实推力值，采用坐标变换理论将传感器坐标系转换为工作坐标系，从而建立了一种适用于高精度推力测量的通用校正方法。

测试系统的模态分析

由于姿态轨道控制发动机的推力频率高达200Hz，测试系统的自然频率过低，容易产生共振现象，导致测量得到的力值远高于实际力值。因此，为了确保推力测量的准确性和稳定性，设备需要具有相对较高的自然频率。通过使用有限元方法模拟系统的自由共振状态，提供了理论指导

系统装配误差检测

为了确保PTM在装配后的高同轴性，并最小化轴不对中对输入和输出力值的干扰，使用Zeiss坐标测量机(Jeiss PRISMO7S)和VAST金探头进行了预实验轴误差检测和设备校准，如图8所示。以定位套(连接器1)为参考建立测量坐标系，检测连接器2-5的圆心在x

结论

为了解决由于复杂的力传递路径和装配误差导致的推力测量系统中测量精度降低的技术问题，本文提出了一种结构简单的直接压电推力测量装置。它主要由圆柱体、标准力传感器、底座、压电力测量仪、提升平台和适配器法兰组成。利用压电力的电转换

刘伟：概念化。任宗金：概念化。刘金龙：撰写——原始草稿，概念化。梅世鹿：概念化。袁明宇：概念化。吴家玲：概念化。张军：概念化。王凯婷：概念化。王富迪：概念化。程龙波：概念化

作者声明没有利益冲突。

? 作者声明没有已知的可能会影响本文报道工作的财务利益或个人关系。

本工作得到了国家自然科学基金（52125504）的支持。