火箭质量、质心测量设备的校准

□ 宋 虎 □ 杨富宁 □ 张世林

蓝箭航天空间科技股份有限公司 上海 201109

1 研究背景

根据火箭总体设计要求,在箭体结构总装前和总装后,需对箭体质量和纵向、横向质心位置进行测量,参数是否准确,将直接影响火箭飞控精度。由于箭体结构尺寸较大,生产加工过程中可能存在尺寸偏差,模型理论数据计算的质量、质心数据和实际生产出的产品存在偏差,需要使用质量、质心测量设备进行测量。同时需要对质量、质心测量设备进行校准,使最终测量数据满足运载火箭飞行时控制需求。

2 测试原理

质量、质心测量设备的测量方法是:在火箭箭体两端安装滚动环,滚动环将箭体抱紧,通过安装在测量设备底部支撑面的四组传感器,称取箭体质量;通过力矩平衡原理,实现箭体纵向质心位置的测量;通过力矩平衡原理配合电机驱动箭体缓慢转动,分别得到箭体在0°、90°、180°、270°四个方向的数据,计算得到横向质心位置。箭体质量,以及各方向质心位置也可以由软件计算得出。

在同一坐标系下,两个及以上物体的质量通过相互叠加求和得到,两个及以上多质点物体的质心位置Rc计算式为:

Rc=∑(MiRi)/∑M

(1)

式中:Mi为各物体质量;Ri为各物体位置矢量;M为箭体总质量。

可以写成三个分量式:

Xc=∑(XiMi)/∑M

Yc=∑(YiMi)/∑M

Zc=∑(ZiMi)/∑M

(2)

式中:Xi、Yi、Zi为各方向质心位置。

3 测试方法

对直径为3 350 mm的箭体二级氧箱试验件在测量设备上获取初始质量、质心数据,并通过在箭体二级氧箱试验件上加载标准负载,获取加载后的质量、质心数据。同时在NX12.0软件环境下,按照试验件的初始数据和加载数据进行建模,获取理论质量、质心数据。经过多组测量分析,对比找出理论与实际测量数据偏差,进而分析质量、质心测量设备的测量精度是否满足要求。

3.1 质量、质心测量设备精度指标

目前使用的质量、质心测量设备主要精度指标参数如下:

(1) 质量测量范围为400 kg～7 500 kg;

(2) 质量测量精度不低于满量程的0.05%;

(3) 质心位置测量精度中,纵向质心为±10 mm,横向质心为±1mm。

3.2 测量对象

质量、质心的测量对象为箭体二级氧箱试验件。为消除装夹对测量的影响,对箭体二级氧箱试验件前后短壳支撑位置发泡层进行去除,露出二级氧箱金属外壳。箭体二级氧箱试验件实物如图1所示。

▲图1 箭体二级氧箱试验件实物

由于后续加载对象安装在箭体二级氧箱氧增加支架上,因此对加载和仿真建模直接关联的关键位置尺寸进行复测,包括后端框与前端框距离、后端框与止推距离、前端框与止推距离、止推与二级氧箱轴线距离。二级氧箱试验件关键尺寸如图2所示。

▲图2 箭体二级氧箱试验件关键尺寸

按照关键尺寸要求对实物进行测量,使理论尺寸与实际尺寸基本保持一致。箭体二级氧箱试验件关键尺寸复测数据见表1。

表1 箭体二级氧箱试验件关键尺寸复测数据 mm

3.3 加载对象

试验过程中的加载对象为均质对称20号钢材,包括钢棒、固定法兰A、固定法兰B、套管A、套管B,以及六角螺栓、六角螺母国标紧固件。加载对象三维图如图3所示。

▲图3 加载对象三维图

安装前对加载对象进行单独称重,加载对象质量实测数据见表2。

表2 加载对象质量实测数据

4 测试过程

测试分为三个过程:① 空箱状态箭体二级氧箱试验件质量、质心测量;② 增加负载后质量、质心测量;③ 测量结果和仿真数据进行对比。

4.1 空箱状态箭体二级氧箱试验件测量

将空箱状态箭体二级氧箱试验件放置在质量、质心测量设备上,前后支撑分别位于氧箱后短壳、前短壳去除发泡层处,Ⅱ象限向下,后短壳靠近测量设备标尺端,对接定位孔与标尺对齐,测量质量和X、Y、Z三个方向的质心位置,共计三次。其中,测量坐标原点为二级氧箱后短壳端面中心,X向指向火箭飞行方向,Y向指向Ⅳ象限,Z向指向Ⅰ象限。箭体二级氧箱试验件初始质量、质心实测数据见表3。

表3 箭体二级氧箱试验件初始质量、质心实测数据

按照测量平均值的质量、质心数据在NX12.0环境下搭建坐标系,坐标系与箭体二级氧箱测量坐标系一致,建立等效圆柱模型并修正。修正后模型质量为1 047 kg,X向质心位置为1 903.5 mm,Y向质心位置为-14.47 mm,Z向质心位置为15.04 mm,与测得的质量、质心数据保持一致。

4.2 增加负载后测量

第一次加载,加载对象为钢棒、固定法兰A、固定法兰B。用配套紧固件将加载对象安装在箭体二级氧箱止推支架上,测得钢棒端头与止推支架端面距离为42mm后,拧紧螺钉固定,开始加载后质量、质心数据测量,并记录。

第二次、第三次加载,加载对象为钢棒、固定法兰A、固定法兰B、套管A、套管B。先将套管A、套管B安装在钢棒上,然后按照第一次加载固定方式和尺寸要求安装在箭体二级氧箱止推支架上。调节套筒距离L1为950 mm,L2为200 mm,测量质量、质心数据共三次,并记录。调节套筒距离L1为500 mm,L2为0 后,测量质量、质心数据共三次,并记录。

测试中,加载对象的安装如图4所示,三次加载现场如图5所示。

▲图4 加载对象安装▲图5 三次加载现场

5 数据处理分析

5.1 仿真计算

在NX12.0环境下建立箭体二级氧箱试验件等效模型,虚拟装配钢棒、固定法兰、套筒等加载对象与实际测量位置一致,并单独修正加载对象质量与实际测量质量保持一致。应用NX12.0软件中的分析体模块计算得到仿真模型的质量、质心数据,作为实物加载的理论值。

5.2 理论值与实测值对比

对箭体二级氧箱试验件三次加载后的理论质量和实际测得的质量平均值做对比,质量最大偏差为1.25 kg。箭体二级氧箱试验件三次加载后质量偏差统计见表4。

表4 质量偏差统计 kg

对箭体二级氧箱试验件三次加载后的理论质心位置和实际测得的质心位置做对比,X向质心位置最大偏差为2.52 mm,Y向质心位置最大偏差为0.74 mm,Z向质心位置最大偏差为0.72 mm。

箭体二级氧箱试验件三次加载后质心位置偏差统计见表5。

表5 质心位置尺寸偏差统计 mm

5.3 测量精度

通过上述仿真和试验测量获取的质量、质心偏差数据,与质量、质心测量设备测量精度要求对比,证明质量、质心测量设备测量精度准确可靠,可以用于此型运载火箭二子级、整流罩的质量、质心测量。产品要求精度与设备精度对比见表6。

表6 产品要求精度与设备精度对比

6 结束语

火箭质量、质心位置技术参数对于火箭的正确飞行具有十分重要的意义,笔者设计的某型火箭质量、质心测量设备经过测试和数据建模加载计算方式对比分析,确认测试结果和三维模型计算数据误差可控,满足测试要求。通过试验对比,证明测量设备测量精度满足火箭总体设计提出的要求,测量数据可以作为火箭飞行控制参数输入。这一设备的设计是成功的,可以为后续火箭的飞行提供可靠的数据。