1.2 国内外发展状况

1.3 本文的主要内容

新型固体火箭发动机的研制属于今后优先研究工作之一，在新型固体火箭发动机的地面试验中，测量参数多、信息量大、实时性强，如果采用传统的测试方案，必然要用到很多测量控制仪器，如信号放大器、滤波器等等，使得系统造价高、可靠性低，另外不同类型的仪器采集的信号数据以不同类型保存，使得数据分散，不便于管理。

本文以一种新型六分力试验台为研究对象，针对固体火箭发动机的推力矢量的测量对试验台进行了初步的系统设计。

本文的主要工作包括以下几个方面：

（1）在现有的固体火箭发动机推力矢量测量理论基础之上，根据给定技术指标，选择试验台方案（立式试验台或者卧式试验台），根据试验台方案建立测量力学模型，对发动机进行力学分析，建立静力学方程，推导出火箭发动机推力偏心角、推力偏心距和幅角的计算公式。

（2）针对试验台测试项目和设计要求，对六分力试验台各组件进行设计，包括定架、动架等。

（3）试验台整体结构设计完成之后，设定试验台的安全系数，对试验台进行强度校核，以防在试验过程中出现试验台强度不足而导致试验台损坏，造成实验失败及安全事故。

（4）根据试验测试参数，组建六分力试验台测试系统，以传感器、信号调理模块及信号采集系统为基础，设计推力矢量及燃烧室压力测量系统；根据测试系统正常工作的需要，设计数据传输、采集系统及电源系统。

 2 推力矢量测量原理

2.1 试验台方案选择

2.1.1 立式台和卧式台的选取

根据火箭发动机的安装方式，试验台可以分为立式试验台（发动机垂直安装）和卧式试验台（发动机水平安放）[18]。

卧式试验台的优点有：发动机主推力沿方向水平，与重力垂直，所以发动机工作中的质量变化对主推力没有影响；也不需要立式试验台那样的高大的定架，结构简单；火箭发动机水平安装，易于测量调试，因而可以得到较高的测量精度；安装人员安装时操作也简单方便。

卧式试验台的缺点是：火箭发动机工作过程中，推进剂燃烧以燃气形式由喷管喷出，引起发动机质量和质心位置变化，使侧向测力传感器产生附加信号，影响侧向力的测量精度。铅垂面内传感器支撑着火箭发动机的质量，侧向力的测量就会受到试验中发动机振动的影响，造成试验台动态误差增大，因此，必须对测试系统的动态特性提出较高的要求。

如果使用立式试验台，发动机垂直安放，主推力沿重力方向，这样发动机质量变化只给主推力测量带来误差，只需要根据发动机质量随时间的变化对主推力进行修正即可[19]。立式试验台的缺点就是试验台架高大，实验室也必须建的非常高大，发动机的安装、调试、操作会有很多困难。

立式台和卧式台都能进行推力矢量测量，本项目测量发动机最大直径305mm，最大长度3500mm；如果采取立式试验台，发动机的安装调试将会不太方便，试验过程中主推力的误差将比较小，对于侧向力，最大侧向力达10KN，相对发动机的质量比较大，测量时对侧向力进行修正即可，且修正量远小于侧向力的大小；所以本项目试验台选取卧式试验台。

2.1.2 参考系和传感器设置

对于六分力试验台，需要合理布置约束，构建六分力测量模型及参数求解。总体设计中，先后考虑了两种传感器配置方案：图2.1和图2.2。

此方案把五个传感器布置在两个相距l的平行的铅垂平面内，两个平面上各一个平面直角坐标系，再加上一条公共Z轴，构成了两个空间直角坐标系。1号传感器在公共Z轴上，测量火箭的主推力，2、3传感器在左边的第一平面（第一个空间直角坐标系的XY平面）内，4、5、6在右边的第二平面