固体火箭发动机测试与试验技术第三章
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College of Aerospace and Civil Engineering
固体火箭发动机测试与试验技术
主讲：刘平安
College of Aerospace and Civil Engineering
（6）挠性件的设计与选用
挠性件是靠材料本身的弹性变形提供运动自由度的。 挠性件的优点：弹性变形引起材料的内摩擦，内摩擦与外摩擦相 比具有摩擦力小，重复性好的优点。
College of Aerospace and Civil Engineering
推力偏心距 ，有三种情况：
1）通过发动机质心 C 0、0、z 作垂直于发动机几何中心线的横 截面 ，与发动机的实际推力作用线 L相交于 D , , ， C 点 和D 点之间的连线即为推力偏心距 ；
各种外摩擦连接的缺点：各种外摩擦连接，由于构成运动自由度 的两个或多个零件之间，存在相对运动（滑动或滚动），存在接 触表面间的摩擦。其摩擦力大，影响因素多，很难控制。造成重 复性差，用在精密测量设备上将影响测量精度，加之存在间隙和 摩损，用在有强烈冲击、振动的火箭发动机试验中将产生更大的 误差。 因此，目前在火箭发动机试验中，都普遍采用了各种型式的挠性 件。
（1）静态性能鉴定 静态性能是指重复性、非线性、迟滞、精度、分辨率、灵敏度等。它的鉴定是 在发动机、试车架安装调试到正式试车状态后，利用原位校准装臵进行的。
对两面平行，相邻两面垂直，并紧固锁紧。
4）在光学站监测下，使轴向测力组件处于垂直状态。
5）用工具经纬仪测量，调整动架方位，使其上4个安装面与4个 立柱安装面互相对应平行.
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6）用工具经纬仪及水准仪调整测力组件1和4，原位校准装臵 1‘和4’的安装，使4个组件的轴线水平，且1与1‘同轴，4与4’同轴； 调整测力组件2、3、5，原位校准装臵5‘、3’，使它们的轴线水平， 5与5’同轴，3‘与2和3的对称轴同轴。 7）在光学站监测下，吊装调整发动机，使其轴线处于垂直方 位，并与轴向测力组件轴线同轴。
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小型试车架主要采用机械测量工具进行安装调试，大型试 车架一般采用光学测量工具或激光仪器进行安装调试，常用的 有测微准直望远镜（提供光学基准视线）、工具经纬仪（确定 与基准视线垂直的平面）、水准仪（建立水平平面）、光学直 角头（建立与基准视钱垂直的辅助视线）、工具轴（建立光学 站的导轨）、各种光学目标、杯座、照明器、光学工具尺及尺 架、仪器活动支架、目标固定支架、托架等。光学仪器的优点 是光线无质量、无厚度、无长度限制，不会产生下垂和弯曲变 形，用它作定位或测量基准可大大提高安装调试精度。
26
图3-17 立式六分力试车架测量示意图
27
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选坐标原点为力的简化中心，设主矢量和主矩各为： F F F F M M M M 。 空间力系的平衡条件是主矢量和主矩分别在3个坐标轴上的投 影同时为零，即：
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常规卧式试车架安装
图3-21是一台常规卧式试车架的光学安装调试示意图。光学对 准步骤如下：
1）建立水平面内的型光学站
用一台水准仪监测光学站的三个点，即1、2、3点，使三点的 球体目标中心在同一水平面内。在1点放臵带上直角头的准直望远 镜，2、3点放臵球体目标，使1-2基准视线与试车台体轴线平行， 1-3与1-2垂直测量调整要反复进行逐步接近，直到同时满镜使足 水平和垂直关系为止。用快干水泥固定位臵，保证在安装调试过 程中不变动。
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1）将4根立柱（静架）安装面初步调整至相对的两立柱安装面 互相平行，相邻立柱安装面互相垂直.
2）建立与立柱安装面基本平行、垂直的水平面内的L型光学站。
3）用工具经纬仪测量调整4个立柱，使其安装面处于垂直，相
Fx F1 F4
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主矢量的值为
F F 2x F 2 y F 2z
主矩的值为
（3-30）
或由下式求出：
M M 2x M 2 y M 2z
（3-31）
试车架在设计制造完毕以后，应根据“试车架安装调试、性 能试验大纲”进行安装调试，检验设计、制造的正确性。投入 使用以后，根据“试车安装工艺文件”进行试车前的安装调试。 试车架是一种连接接点多，调整结构多，相互关系复杂，要 求严格的复杂测力装臵。安装调试中必须对各种活动接点紧固 连接，可靠锁紧，保证试车架的静态和动态性能。
2）调整静架和动架平台 8点和9点的水准仪进行监测，调整静架和动架平台到水平状态。
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3）调整承力钢板和发动机支撑板簧 在光学站监测下，在5、6、7三点，用工具经纬仪分别测量承力 钢板和发动机支撑板簧平面，将它们调整到与发动机轴线垂直。 4）调整原位校准装臵和测力组件 在光学站监测下，使原位校准装臵和测力组件的轴线与发动机 轴线同轴，并处于水平。 在一些试车架中，对垂直平而和水平面的测量，要求不严格， 可采用框式水平仪、象限仪等简便测量仪器，可以不建立光学站， 只需一台水准仪和一台经纬仪进行测量，保证三条轴线同轴即可。 （2）多分力试车架安装 图3-22是一个立式六分力试车架的光学测量安装示意图。光学 安装步骤如下：
推力偏心角是指发动机实际推力作用线与发动机几何中心轴线间的夹角（图3-18），可用下式 求出：
arctg
F 2x F 2 y Fz
Fz F
2 x
（3-32）
arccos
F
2 y
F
2 z
（3-33）
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8）在光学站监测下，安装调整轴向原位校准装臵，使其轴线 与发动机、测力组件轴线同轴。 到此，立式六分力试车架及发动机已完全达到理想的试车状态， 即水平、垂直、同轴、空间直角坐标系的状态。
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3.6性能鉴定
C
x y z
2）发动机质心点 直距离CE；
C 0、0、zC
与发动机实际推力作用线 L间的垂
很明显，这两个定义是一致的，都反映了推力对质心的力矩值， 有时它表现为翻转力矩，有时表现为稳定控制力矩，用得较普遍。 3）发动机的几何中心线与发动机实际推力作用线间的最短距 离。
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来自百度文库
（2）高精度试车架
各类高精度试车架的共同特点是动静架之间采用弹性元件连接，选用高精度传 感器和万向挠性件，采用原位校准技术，使高精度安装对准工具。结构上设计成专 用的整体式结构。
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弯曲挠性件
挠性件按功能分
扭转挠性件
单向运动性能挠性件
挠性件按提供自 由度的方式分
万向运动性能挠性件
3
圆杆式挠性件
单工作段板簧 常用的挠性件 双工作段板簧
万向挠性件
4
（1）滚动元件试车架
3.3.4典型试车架
（2）高精度试车架
（3）多分力试车架
5
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图3-19为卧式三分力试车测量示意图，用来测量推力矢量控制 机构产生的姿态控制力，利用各力对O点的力矩之和等于零的等式 即可求出推力向量控制力Fc的大小，即：
L1 FC F2 L1 L2
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3.3.5安装调试
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13
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（3）多分力试车架 六分力试车架用来测量发动机产生的推力偏心值和推力矢量控制机构产生的姿 态控制力和力矩，推力终止机构打开时所产生的侧向干扰力。 6分力试车架是利用刚体的平衡原理，适当布臵约束，以限制发动机的6个自由 度（3个移动自由度和3个转动自由度），使之处于静定平衡状态。由于每一约束均 由带传感器的测力组件来承担，并通过挠性件把相互间的干扰减到最小。所以，通 过试车即可测得配臵的六个约束所承受的6个分力。根据6个分力的作用点和方向进 行空间向量合成，求出推力向量的大小、方向和作用点。 图3-17是测推力偏心的立式六分力试车架测量示意图，选O-XYZ直角坐标系， 以F1和F6两传感器的理论轴线交点为坐标原点， F1传感器的理论轴线为x轴， F1 传感器理论轴线为z轴，通过O点平行于F2和F3的轴线为Y轴，安装传感器的方向为 各坐标轴的正方向。H、R为台架结构尺寸，是已知数。
x y z x y z
x 0 y0 z 0
M M M
x y z
0 0 0
由此可得到各分力合分力矩的计算公式为：
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Fy F2 F3 F5 Fz F6 Mg M x F5 H M y F4 H M z F3 F2 R
图3-15是一个小型发动机用的高精度试车架结构简图。静架由承力架、 龙门架、底架组成，承力架、龙门架安装在底架上，底架与试车台体相连。 动架是一个直角形构件，其上有两个安装发动机的支座。 利用光学工具技术进行安装，原位校准装臵、测力组件、发动机三轴 线的不同轴度小于0.2mm；试车架与试车台体对接时的倾斜度小于30‘；板 簧处于自由垂直状态，对试车轴线不垂直度小于30‘ 。 图3-16是一个直径约1m，推力约200kN的中型发动机试车架结构简图。 它采用了单工作段双板簧作为动架和静架之间的连接件，其弹阻力仅为推 力的0.075%。原位校准采用液压系统，后支撑采用中心架，并设计了专用 后裙定位板作为定位基准。
（1）滚动元件试车架 常用的滚动元件试车架有滚轮车式、滚球式和中心架式三种·
7
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图3-14是滚轮车式试车架结构简图，滚轮内装有滚动轴承，四个滚轮在两条钢 轨上运动。其优点是结构简单，安装操作简便快速，通用性好，应用很普遍。大型 发动机，特别是长发动机，滚轮车作成分段式，它可消除发动机工作时轴向延伸影 响，亦可适应各种长度。 滚球式试车架的优点是既可沿轴向自由调节，又可沿水平面在一定范围内任意 调节；缺点是沿轴向调节距离太小，对试车架安装要求较高，操作较复杂。 中心架式试车架的优点是将动架重量减到最小，以保证试车架具有尽可能高的 固有频率，有利于动态力的测量。其次是安装操作简便，通用性好，普遍使用于小 型发动机试验。
试车架加工装调完毕，正式投入使用前；受到破坏，进行修复后；长期放臵不 用，重新投入使用前均应进行性能鉴定试验。对试车架进行鉴定试验时，一般应进 行三次发动机、试车架的安装和拆卸，得到三次校准数据，均应符合技术要求，对 大型发动机试车，在每次试验之前均应通过原位校准对试车架及测试系统的性能进 行评定，确认达到要求后，才进行试车。 试车架和其他测量一次仪表一徉，是用来感受和测量特定的物理量的，它的性 能包括静态性能和动态性能。
固体火箭发动机测试与试验技术
主讲：刘平安
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（6）挠性件的设计与选用
挠性件是靠材料本身的弹性变形提供运动自由度的。 挠性件的优点：弹性变形引起材料的内摩擦，内摩擦与外摩擦相 比具有摩擦力小，重复性好的优点。
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推力偏心距 ，有三种情况：
1）通过发动机质心 C 0、0、z 作垂直于发动机几何中心线的横 截面 ，与发动机的实际推力作用线 L相交于 D , , ， C 点 和D 点之间的连线即为推力偏心距 ；
各种外摩擦连接的缺点：各种外摩擦连接，由于构成运动自由度 的两个或多个零件之间，存在相对运动（滑动或滚动），存在接 触表面间的摩擦。其摩擦力大，影响因素多，很难控制。造成重 复性差，用在精密测量设备上将影响测量精度，加之存在间隙和 摩损，用在有强烈冲击、振动的火箭发动机试验中将产生更大的 误差。 因此，目前在火箭发动机试验中，都普遍采用了各种型式的挠性 件。
（1）静态性能鉴定 静态性能是指重复性、非线性、迟滞、精度、分辨率、灵敏度等。它的鉴定是 在发动机、试车架安装调试到正式试车状态后，利用原位校准装臵进行的。
对两面平行，相邻两面垂直，并紧固锁紧。
4）在光学站监测下，使轴向测力组件处于垂直状态。
5）用工具经纬仪测量，调整动架方位，使其上4个安装面与4个 立柱安装面互相对应平行.
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6）用工具经纬仪及水准仪调整测力组件1和4，原位校准装臵 1‘和4’的安装，使4个组件的轴线水平，且1与1‘同轴，4与4’同轴； 调整测力组件2、3、5，原位校准装臵5‘、3’，使它们的轴线水平， 5与5’同轴，3‘与2和3的对称轴同轴。 7）在光学站监测下，吊装调整发动机，使其轴线处于垂直方 位，并与轴向测力组件轴线同轴。
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小型试车架主要采用机械测量工具进行安装调试，大型试 车架一般采用光学测量工具或激光仪器进行安装调试，常用的 有测微准直望远镜（提供光学基准视线）、工具经纬仪（确定 与基准视线垂直的平面）、水准仪（建立水平平面）、光学直 角头（建立与基准视钱垂直的辅助视线）、工具轴（建立光学 站的导轨）、各种光学目标、杯座、照明器、光学工具尺及尺 架、仪器活动支架、目标固定支架、托架等。光学仪器的优点 是光线无质量、无厚度、无长度限制，不会产生下垂和弯曲变 形，用它作定位或测量基准可大大提高安装调试精度。
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图3-17 立式六分力试车架测量示意图
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选坐标原点为力的简化中心，设主矢量和主矩各为： F F F F M M M M 。 空间力系的平衡条件是主矢量和主矩分别在3个坐标轴上的投 影同时为零，即：
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常规卧式试车架安装
图3-21是一台常规卧式试车架的光学安装调试示意图。光学对 准步骤如下：
1）建立水平面内的型光学站
用一台水准仪监测光学站的三个点，即1、2、3点，使三点的 球体目标中心在同一水平面内。在1点放臵带上直角头的准直望远 镜，2、3点放臵球体目标，使1-2基准视线与试车台体轴线平行， 1-3与1-2垂直测量调整要反复进行逐步接近，直到同时满镜使足 水平和垂直关系为止。用快干水泥固定位臵，保证在安装调试过 程中不变动。
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1）将4根立柱（静架）安装面初步调整至相对的两立柱安装面 互相平行，相邻立柱安装面互相垂直.
2）建立与立柱安装面基本平行、垂直的水平面内的L型光学站。
3）用工具经纬仪测量调整4个立柱，使其安装面处于垂直，相
Fx F1 F4
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主矢量的值为
F F 2x F 2 y F 2z
主矩的值为
（3-30）
或由下式求出：
M M 2x M 2 y M 2z
（3-31）
试车架在设计制造完毕以后，应根据“试车架安装调试、性 能试验大纲”进行安装调试，检验设计、制造的正确性。投入 使用以后，根据“试车安装工艺文件”进行试车前的安装调试。 试车架是一种连接接点多，调整结构多，相互关系复杂，要 求严格的复杂测力装臵。安装调试中必须对各种活动接点紧固 连接，可靠锁紧，保证试车架的静态和动态性能。
2）调整静架和动架平台 8点和9点的水准仪进行监测，调整静架和动架平台到水平状态。
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3）调整承力钢板和发动机支撑板簧 在光学站监测下，在5、6、7三点，用工具经纬仪分别测量承力 钢板和发动机支撑板簧平面，将它们调整到与发动机轴线垂直。 4）调整原位校准装臵和测力组件 在光学站监测下，使原位校准装臵和测力组件的轴线与发动机 轴线同轴，并处于水平。 在一些试车架中，对垂直平而和水平面的测量，要求不严格， 可采用框式水平仪、象限仪等简便测量仪器，可以不建立光学站， 只需一台水准仪和一台经纬仪进行测量，保证三条轴线同轴即可。 （2）多分力试车架安装 图3-22是一个立式六分力试车架的光学测量安装示意图。光学 安装步骤如下：
推力偏心角是指发动机实际推力作用线与发动机几何中心轴线间的夹角（图3-18），可用下式 求出：
arctg
F 2x F 2 y Fz
Fz F
2 x
（3-32）
arccos
F
2 y
F
2 z
（3-33）
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8）在光学站监测下，安装调整轴向原位校准装臵，使其轴线 与发动机、测力组件轴线同轴。 到此，立式六分力试车架及发动机已完全达到理想的试车状态， 即水平、垂直、同轴、空间直角坐标系的状态。
College of Aerospace and Civil Engineering
3.6性能鉴定
C
x y z
2）发动机质心点 直距离CE；
C 0、0、zC
与发动机实际推力作用线 L间的垂
很明显，这两个定义是一致的，都反映了推力对质心的力矩值， 有时它表现为翻转力矩，有时表现为稳定控制力矩，用得较普遍。 3）发动机的几何中心线与发动机实际推力作用线间的最短距 离。
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（2）高精度试车架
各类高精度试车架的共同特点是动静架之间采用弹性元件连接，选用高精度传 感器和万向挠性件，采用原位校准技术，使高精度安装对准工具。结构上设计成专 用的整体式结构。
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弯曲挠性件
挠性件按功能分
扭转挠性件
单向运动性能挠性件
挠性件按提供自 由度的方式分
万向运动性能挠性件
3
圆杆式挠性件
单工作段板簧 常用的挠性件 双工作段板簧
万向挠性件
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（1）滚动元件试车架
3.3.4典型试车架
（2）高精度试车架
（3）多分力试车架
5
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图3-19为卧式三分力试车测量示意图，用来测量推力矢量控制 机构产生的姿态控制力，利用各力对O点的力矩之和等于零的等式 即可求出推力向量控制力Fc的大小，即：
L1 FC F2 L1 L2
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3.3.5安装调试
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（3）多分力试车架 六分力试车架用来测量发动机产生的推力偏心值和推力矢量控制机构产生的姿 态控制力和力矩，推力终止机构打开时所产生的侧向干扰力。 6分力试车架是利用刚体的平衡原理，适当布臵约束，以限制发动机的6个自由 度（3个移动自由度和3个转动自由度），使之处于静定平衡状态。由于每一约束均 由带传感器的测力组件来承担，并通过挠性件把相互间的干扰减到最小。所以，通 过试车即可测得配臵的六个约束所承受的6个分力。根据6个分力的作用点和方向进 行空间向量合成，求出推力向量的大小、方向和作用点。 图3-17是测推力偏心的立式六分力试车架测量示意图，选O-XYZ直角坐标系， 以F1和F6两传感器的理论轴线交点为坐标原点， F1传感器的理论轴线为x轴， F1 传感器理论轴线为z轴，通过O点平行于F2和F3的轴线为Y轴，安装传感器的方向为 各坐标轴的正方向。H、R为台架结构尺寸，是已知数。
x y z x y z
x 0 y0 z 0
M M M
x y z
0 0 0
由此可得到各分力合分力矩的计算公式为：
College of Aerospace and Civil Engineering
Fy F2 F3 F5 Fz F6 Mg M x F5 H M y F4 H M z F3 F2 R
图3-15是一个小型发动机用的高精度试车架结构简图。静架由承力架、 龙门架、底架组成，承力架、龙门架安装在底架上，底架与试车台体相连。 动架是一个直角形构件，其上有两个安装发动机的支座。 利用光学工具技术进行安装，原位校准装臵、测力组件、发动机三轴 线的不同轴度小于0.2mm；试车架与试车台体对接时的倾斜度小于30‘；板 簧处于自由垂直状态，对试车轴线不垂直度小于30‘ 。 图3-16是一个直径约1m，推力约200kN的中型发动机试车架结构简图。 它采用了单工作段双板簧作为动架和静架之间的连接件，其弹阻力仅为推 力的0.075%。原位校准采用液压系统，后支撑采用中心架，并设计了专用 后裙定位板作为定位基准。
（1）滚动元件试车架 常用的滚动元件试车架有滚轮车式、滚球式和中心架式三种·
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College of Aerospace and Civil Engineering
图3-14是滚轮车式试车架结构简图，滚轮内装有滚动轴承，四个滚轮在两条钢 轨上运动。其优点是结构简单，安装操作简便快速，通用性好，应用很普遍。大型 发动机，特别是长发动机，滚轮车作成分段式，它可消除发动机工作时轴向延伸影 响，亦可适应各种长度。 滚球式试车架的优点是既可沿轴向自由调节，又可沿水平面在一定范围内任意 调节；缺点是沿轴向调节距离太小，对试车架安装要求较高，操作较复杂。 中心架式试车架的优点是将动架重量减到最小，以保证试车架具有尽可能高的 固有频率，有利于动态力的测量。其次是安装操作简便，通用性好，普遍使用于小 型发动机试验。
试车架加工装调完毕，正式投入使用前；受到破坏，进行修复后；长期放臵不 用，重新投入使用前均应进行性能鉴定试验。对试车架进行鉴定试验时，一般应进 行三次发动机、试车架的安装和拆卸，得到三次校准数据，均应符合技术要求，对 大型发动机试车，在每次试验之前均应通过原位校准对试车架及测试系统的性能进 行评定，确认达到要求后，才进行试车。 试车架和其他测量一次仪表一徉，是用来感受和测量特定的物理量的，它的性 能包括静态性能和动态性能。