题目：火箭发动机比对式和差动式推力测量技术研究

小推力火箭发动机已广泛应用于航天器之中，其推力直接反映了发动机的设计性能，对其推力精确测量有十分重要的意义。本文针对比对式和差动式这两种新型小推力测量方式进行了研究，设计和搭建了比对式推力测量装置、差动式推力测量装置以及与之配套的供气系统和测控系统，对差动式推力测量装置的灵敏系数、结构强度及动态特性进行了分析，对这两个推力测量装置的测量不确定度进行了分析，分别对这两个推力测量装置进行了初步验证性试验，并对冷流试验发动机及试验喷管进行了流场仿真。第一，设计和搭建了1000N级的比对式推力测量装置。它由推力架、液压配气系统、氢氧试验发动机和冷流试验发动机等组成，设计推力测量范围为0-1500N，推力测量相对扩展不确定度设计值小于0.5％。它有两种比对式试验模式：恒压预紧力模式及非恒压预紧力模式，解决了常规推力测量装置标定后需要将标准传感器脱离试验装置的问题，并消除了推力测量时油压预紧力变化所带来的测量不确定度影响。它可以进行气氢气氧火箭发动机热试和压缩空气冷流试验。第二，设计和搭建了100N级推力差的差动式推力测量装置。它由标准喷管、待测喷管、工作圆筒、扩压器、立柱、应变测量组件、集气箱、均流栅和减振器等组成，其设计静推力差测量范围为1-110N，推力差测量相对扩展不确定度设计值小于3%。通过测量应变测量组件中弹簧片的应变，来直接测量两个喷管的推力差，可以用来进行喷管型面优化试验。第三，设计和搭建了配套的供气系统和测控系统。该供气系统包括：气源、氧气空气配气操纵台、氢气氮气配气操纵台。供气系统可满足比对式推力测量装置1500N推力热试时，氢氧混合比2~4、室压3~7MPa工况下的压力及氢氧流量要求；可满足两个推力测量装置冷试时，室压3~7MPa工况下1kg/s的压缩空气流量要求。测控系统包括计算机、测控软件、多通道数据采集卡、继电控制卡、传感器、电磁阀、电源及电缆等。开发了可视化的测控软件，能实现试验过程的自动测量和控制。第四，对差动式推力测量装置敏感系数进行了分析。首先用曲梁理论对差动式推力测量装置的测量核心部件弹簧片的力学特性进行分析，得出其灵敏系数公式。然后用悬臂梁理论对差动式推力测量装置的简化模型进行结构分析，得出其结构灵敏系数公式，再根据应变片及电桥理论得出其电信号灵敏系数公式。尽管理论公式预估值比试验值小40.37%，但是理论公式仍然可以较好地指导该推力测量装置的初步设计。第五，对差动式推力测量装置进行了结构强度分析。首先对65Mn、2Al12、1Cr18Ni9Ti进行了拉力试验，选定了65Mn作为该推力测量装置测量核心部件——应变套筒及弹簧片的材料，1Cr18Ni9Ti作为其他部件的材料。用悬臂梁及内压圆筒理论对应变套筒的敏感元件薄壁圆筒结构进行了理论分析，给出了其在组合力作用下各个关键位置处等效应力的拟合公式。进一步用有限元数值仿真对应变测量组件进行分析，给出其在组合力作用下各个关键位置处等效应力的拟合公式。通过上述两组拟合公式给出了该推力测量装置许用推力差及内压组合，并用12kgf的静力试验验证了结构设计的合理性。第六，对差动式推力测量装置进行了动态特性分析。将该推力测量装置简化成弹簧-质量模型，导出了其无阻尼自由振动方程、粘性阻尼自由振动方程、粘性阻尼受阶跃力作用的响应方程。由简化模型公式、有限元数值仿真及试验得到的1阶固有频率分别为6.493 Hz、5.408 Hz和4.628Hz，这表明简化模型公式可以对系统设计进行定性地指导，但数值仿真值更接近实际情况。发现4Hz低通快速傅里叶数值滤波可以有效地滤除振动干扰。设计了由内外圆筒组成的减振器，它可以使振动迅速衰减。第七，分别对比对式和差动式推力测量装置进行了不确定度分析。结果表明比对式推力测量装置的两种测量模式的扩展不确定度都小于0.4%，实现了设计预期；非恒压预紧力模式对火箭发动机长程热试车比较适用。将差动式推力测量装置推力差的不确定度与1000N级常规推力测量装置推力差测量不确定度相比较，发现前者的测量不确定度远小于后者的测量不确定度。当推力差绝对值为6.86N时，常规方式测得的推力差的相对扩展不确定度为102.4%；而差动式推力测量装置测量的相对扩展不确定度为4.4%，这充分说明差动式推力测量装置在小推力差测量时的优势。第八，分别对比对式和差动式推力测量装置进行了初步验证性试验，并对冷流试验发动机及试验喷管进行了流场仿真分析。对比对式推力测量装置进行了推力和喷管压降试验，推力和喷管压降的试验值、理论值和仿真结果规律一致。对差动式推力测量装置进行了冷流推力差试验，推力差的试验数据与仿真数据表现出相似的变化规律。综上所述，论文对比对式和差动式推力测量装置的原理、结构、工作模式和特性进行了深入的理论、试验和相关数值仿真研究，得到差动式推力测量装置的灵敏系数、许用工况、动态特性以及两个推力测量装置的测量不确定度，验证了两个推力测量装置的试验能力，为工程实践提供了参考，也为进一步研制小推力发动机高精度推力测量装置打下了技术基础。