朱舒揚

（西安航天動力試驗技術(shù)研究所，陜西 西安710100）

0 引言

超燃沖壓發(fā)動機采用高度一體化的結(jié)構(gòu)。目前國內(nèi)外普遍采用地面自由射流試驗的方法獲得發(fā)動機的總體性能[1-3]，其中推力參數(shù)是表征沖壓發(fā)動機性能的重要參數(shù)之一。因此沖壓發(fā)動機推力測量技術(shù)顯得至關(guān)重要，推力測量臺架是推力測量的關(guān)鍵設(shè)備，其設(shè)計成功與否直接影響推力測量的準確性。

日本在1993年建造了超燃沖壓發(fā)動機自由射流試驗設(shè)備[4]。該試驗系統(tǒng)中配置推力臺架測量發(fā)動機推力、升力和俯仰力矩，推力架可承載發(fā)動機的最大質(zhì)量為400 kg。推力方向的測力范圍為9 kN，升力方向為22 kN[5]。我國超燃沖壓發(fā)動機主要的一些研究單位實現(xiàn)了煤油自燃點火，有的已實現(xiàn)超燃點火，初步獲得了凈推力[6]。

隨著超燃沖壓發(fā)動機研究的深入開展，要求開展整機自由射流試驗并對發(fā)動機推力進行測量。為了適應(yīng)超燃沖壓發(fā)動機研制需要，設(shè)計了三分量推力測量臺架獲取發(fā)動機推力參數(shù)。

1 整體設(shè)計方案

沖壓發(fā)動機受力復雜，作用在發(fā)動機上的力不僅有外部高超聲速氣流作用下的氣動力，還有發(fā)動機本身燃燒產(chǎn)生的推力；不僅產(chǎn)生軸向推力，還會產(chǎn)生升力和俯仰力矩，各分量在測量時會產(chǎn)生相互干擾，推力測量難度大。為簡化設(shè)計，先期發(fā)動機試驗狀態(tài)不考慮攻角和側(cè)滑角，橫向力可以忽略不作為測量對象。體現(xiàn)發(fā)動機動力性能最重要的參數(shù)是軸向推力，法向升力只作為參考。因此，推力臺架設(shè)計為三分量形式，分別測量軸向推力、升力以及俯仰力矩。

1.1 試驗條件及設(shè)計載荷

試驗馬赫數(shù)為6，總溫1 800 K，總壓5.8 MPa，模擬高度26 km。發(fā)動機長度約5 m，連同支架總重量約2 000 kg?？紤]到加熱器啟動和停車產(chǎn)生的沖擊，以及試驗的安全性，故選取較大的天平設(shè)計載荷。法向安全系數(shù)取20，軸向安全系數(shù)取5，設(shè)計載荷的選取見表1所示。

表1 發(fā)動機計算載荷與推力架設(shè)計載荷Tab.1 Computational load of engine and design load of thrust platform

1.2 主要技術(shù)難點

發(fā)動機工作過程中產(chǎn)生軸向分量、法向分量、俯仰力矩以及不對稱造成的側(cè)向力。各分量測量系統(tǒng)之間存在相互干擾。為了準確測量所關(guān)心的分量，必須實現(xiàn)力的分解，有效地減小其他分量力和力矩對測量分量的干擾，將所關(guān)心的測量分量傳遞到相應(yīng)方向的力傳感器。由于空間位置限制，推力臺架測力傳感器距發(fā)動機推力軸線較遠，垂直距離為2.8 m。發(fā)動機到測量傳感器傳力距離較長，傳力損失增大。發(fā)動機軸向推力產(chǎn)生較大的附加俯仰力矩，對測力的干擾增加。必須提高推力架剛度并且減小附加彎矩對測量的影響。

發(fā)動機一次試驗過程中受力狀況復雜，先后經(jīng)歷加熱器啟動沖擊、發(fā)動機冷態(tài)阻力、發(fā)動機熱態(tài)受力、加熱器停車沖擊等不同的受力狀況。載荷變化大，尤其在加熱器啟動、關(guān)機時，通常是測量狀態(tài)的數(shù)倍[7]。即使是測量狀態(tài)下冷態(tài)工況阻力和發(fā)動機點火后熱態(tài)的受力相差也較大，要求推力架在測量狀態(tài)冷、熱工況均有較高的準度，并且在沖擊載荷下有較好的強度。由于試驗臺有效試驗時間短，要有效測量發(fā)動機各階段的受力就要求推力架具備良好的動態(tài)響應(yīng)特性。

1.3 推力架結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

發(fā)動機采用腹部支撐，為了保證在全尺寸試驗中的穩(wěn)定性和強度，推力臺架總體尺寸相對較大。推力架質(zhì)量、剛度、動態(tài)響應(yīng)速度、撓性件的撓性和臨界失穩(wěn)強度、測量精度等。因素互相影響和制約，合理匹配各制約因素是推力架設(shè)計的關(guān)鍵。

推力架示意圖見圖1。推力架由定架、動架、彈性連桿、動架鎖緊機構(gòu)、推力校驗系統(tǒng)組成。通過5個測量傳感器組成的測量系統(tǒng)獲得測量矩陣（圖1中，F(xiàn)5為軸向推力傳感器，F(xiàn)1～F4為升力傳感器，F(xiàn)b1～Fb3為校驗用標準力傳感器），通過推力校驗得出推力、升力、俯仰力矩與測量矩陣之間的關(guān)系。

圖1 推力架示意圖Fig.1 Diagram of thrust platform

臺架主體采用鋼框架結(jié)構(gòu)，以型鋼構(gòu)建骨架，在保證剛度的前提下減小質(zhì)量，達到剛度和質(zhì)量的良好匹配，提高推力臺架的固有頻率和動態(tài)響應(yīng)速度，在較短的試驗時間內(nèi)有效測量發(fā)動機各階段的受力。臺架結(jié)構(gòu)見圖2所示。

圖2 推力臺架結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of thrust platform

推力架采用獨立的測力基礎(chǔ)，與試驗艙基礎(chǔ)隔離，減少外部系統(tǒng)的震動對發(fā)動機測力系統(tǒng)的干擾。定架與測力基礎(chǔ)通過螺栓固連。動架通過5組彈性連桿與定架連接，其中軸向推力方向1組，位于推力架后端。法向升力方向4組，位于推力架的四角。彈性連桿由力傳感器和一對彈性鉸鏈組成，如圖3所示。

彈性鉸鏈是一種帶圓弧切口的一體化結(jié)構(gòu)新型鉸鏈，可以用于繞軸做復雜運動的有限角位移[8]。彈性連桿力的機械分解好，有較高的失穩(wěn)臨界載荷[9]。法向彈性連桿沿軸向推力方向剛度小，可以沿推力方向彈性變形，減小軸向推力在傳遞過程中的損耗，同時也抑制了軸向推力對法向力測量的干擾。該連桿沿法向剛度大，有較高的法向力傳遞效率。法向彈性連桿橫向剛度較大，承受試驗過程中不對稱造成的橫向力。軸向彈性連桿法向和橫向剛度小，可沿法向和橫向產(chǎn)生微小彈性變形，有效抑制了法向力、俯仰力矩以及橫向力對軸向力測量的干擾。軸向彈性連桿軸向剛度大，軸向力傳遞效率高。

圖3 彈性連桿Fig.3 Elastic connecting rod

由于軸向力傳感器距離發(fā)動機推力軸線較遠，不可避免的軸向推力會產(chǎn)生較大的附加俯仰力矩，對法向升力測量的干擾較大，這部分干擾通過推力架校驗修正。

加熱器啟動和停車時沖擊載荷較大，通常是穩(wěn)定狀態(tài)的數(shù)倍，為了保證傳感器和撓性件在沖擊載荷下不被破壞，使用液壓鎖緊機構(gòu)液壓插銷的插拔實現(xiàn)動架的鎖緊和解鎖，在承受沖擊過程中保護推力架。

2 液壓鎖緊設(shè)計方案

液壓鎖緊機構(gòu)通過4臺可承受剪切載荷的液壓缸活塞桿的插拔實現(xiàn)動架的鎖緊和解鎖，鎖緊結(jié)構(gòu)見圖4。加熱器啟動/停止前用油壓頂出活塞桿插入動架的錐孔內(nèi)，實現(xiàn)動架與定架的鎖緊。測力過程中活塞桿從動架錐孔退出，實現(xiàn)解鎖狀態(tài)。液壓缸活塞桿頭部為錐面，具有自定心作用，運動過程中不容易出現(xiàn)卡滯現(xiàn)象。通過位移和壓力反饋可以判斷鎖緊與解鎖狀態(tài)。液壓缸對稱分布在動架左右兩側(cè)。該布置方式使得液壓缸提供更大的橫向承載力，在承受沖擊載荷的過程中彌補推力架側(cè)向剛度的不足，同時通過剪切方式承受軸向和法向力。為了保證4個液壓缸鎖緊與解鎖的同步性，在油路上設(shè)置分流集流閥，鎖緊時通過液壓鎖對液壓缸保壓。

圖4 液壓鎖緊裝置Fig.4 Hydraulic locking fastener device

3 推力架標定方案設(shè)計

校驗采用液壓加載方式提供穩(wěn)定的標準力。軸向加載（Fb2）e與發(fā)動機推力線同軸。法向加載通過2臺前后布置的液壓缸 （Fb1、Fb3）加載升力。

校驗關(guān)系為：

對校驗關(guān)系式（1）進行變換得到校驗加載力在臺架上的力系與5個測量傳感器輸出的關(guān)系：

推力架通過單元加載與綜合加載進行校驗，校驗結(jié)果見表2。靜態(tài)標定結(jié)果表明，推力架軸向綜合準度指標為0.9%，升力綜合準度指標小于1.8%，推力架的設(shè)計達到了預(yù)期的效果。

表2 推力架校準度Tab.2 Calibration accuracy of thrust platform

4 自由射流測力試驗

試驗在西安航天動力試驗技術(shù)研究所的Ф1 500 mm自由射流試驗臺上進行，試驗馬赫數(shù)為6，總溫1 800 K，總壓 5.8 MPa，模擬高度26 km。圖5為軸向力傳感器測量值，由圖中可見3.7 s加熱器室壓開始上升，4.1 s產(chǎn)生第一個階躍，是加熱器啟動后產(chǎn)生的試驗件氣動阻力與推力架液壓鎖緊力共同作用的結(jié)果；4.62 s推力架完成解鎖動作開始測量發(fā)動機冷態(tài)受力值；8.3 s發(fā)動機點火產(chǎn)生推力克服部分氣動阻力使軸向力傳感器測量值產(chǎn)生減小的階躍，階躍量為發(fā)動機推力增益在軸向力傳感器上的輸出；13 s發(fā)動機關(guān)機，發(fā)動機回到冷態(tài)受力狀態(tài)。

圖5 軸向推力傳感器試驗曲線Fig.5 Test curves of axial thrust sensor

圖6為升力傳感器測量值，可以看出發(fā)動機點火前，作用在發(fā)動機處的軸向氣動阻力產(chǎn)生了較大的俯仰力矩。F1和F2受拉，F(xiàn)3和F4受壓。隨著發(fā)動機產(chǎn)生推力，軸向力減小，產(chǎn)生的俯仰力矩減小。隨著發(fā)動機關(guān)機又回到冷態(tài)受力狀態(tài)。14 s推力架開始鎖緊，15 s加熱器關(guān)機，16.25 s激波返回穿過試驗段產(chǎn)生強烈的沖擊震蕩，在升力方向尤為明顯。在加熱器啟動和關(guān)機時鎖緊推力架起到了保護傳感器和撓性件以及減少震動沖擊的作用。

圖6 升力傳感器試驗曲線Fig.6 Test curves for lift force sensor

從軸向推力和升力曲線可以看出，各測力傳感器真實反映了發(fā)動機各階段的受力狀況，跟隨性良好，輸出穩(wěn)定，獲得了較準確的推力參數(shù)。根據(jù)各傳感器輸出值可以計算出發(fā)動機軸向推力和升力以及俯仰力矩。

5 結(jié)論

該沖壓發(fā)動機推力架的研制是成功的，實現(xiàn)了長5 m，重2 000 kg全尺寸發(fā)動機推力參數(shù)的測量，各分量輸出穩(wěn)定，動態(tài)隨動性好，真實反映了發(fā)動機各階段的受力狀況，并獲得推力增益。測量準確性較好，滿足試驗要求，為發(fā)動機研制提供了可靠的推力參數(shù)。

該推力架的結(jié)構(gòu)形式有效解決了全尺寸發(fā)動機推力中心偏離測量傳感器較遠、給天平測力元件造成較大干擾的問題,為今后設(shè)計同類推力架提供了有效參考。

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