推力线构成要素转化对柔性喷管检测的影响分析

01序言固体火箭发动机的喷管通过控制排气的膨胀使燃烧室产生的燃气能量有效地转换为动能，为飞行器提供推力[1]。固体火箭发动机的零件在加工过程中不可避免地会出现尺寸偏差和几何公差，零件装配及部件、组件在组装过程中也会出现积累偏差。这些偏差都不同程度地影响发动机的推力线横移和推力线偏斜[2]。推力线偏斜和横移量所产生的推力线偏差在火箭飞行过程中会产生干扰力与干扰力矩，它不仅使运载火箭姿态控制系统设计增加了困难，而且要求设计更为复杂的校正网络和提供更大的控制力，对运载火箭的总体性能产生影响[3]。因此，固体火箭发动机柔性喷管装配完成后，需要在调平状态下对其多项关键参数进行测量，发动机推力线的横移和偏斜就是非常关键的参数。测量柔性喷管推力线及以推力线为基准的各项几何公差的主要手段是应用激光跟踪仪进行测量。然而在实际测量过程中，需要将柔性喷管夹持在喷管翻转架上，调平后使喷管水平横置，方可使用激光跟踪仪测得喉径和扩张段出口内圆来拟合推力线。测量过程复杂，反复拆装产品转运架，使用翻转架固定喷管等操作不仅费时费力，而且在产品吊装过程中还存在一定的吊装操作风险。通过将推力线构成要素喷管出口内圆转化为外圆能给喷管检测带来比较大的便利，但同时给测量结果带来了一些影响。文中通过对转换推力线构成要素对各参数受到的影响进行分析和计算，并评价了转换对测量结果的影响。02现状分析与设想目前有推力线测量要求的喷管的几何公差检测指标主要依靠激光跟踪仪进行测量，在喷管几何公差的检测过程中，需要拆卸转运架，将喷管吊装到翻转架上，调平后水平横置，使用激光跟踪仪进行测量（见图1）。利用两个测量站位置测得喉径和扩张段出口内圆，构建推力线。图1激光跟踪仪测量柔性喷管示意测量完成后将喷管卸下，重新安装固定转运架。使用常规量具进行喷管尺寸的测量，整个测量过程复杂，在操作熟练的情况下也需要3人3h才能完成1台喷管的检测。反复拆装产品转运架，使用翻转架固定喷管等操作不仅费时费力，而且在产品吊装过程中还存在一定的吊装操作风险。如果将推力线构成要素从扩张段出口内圆转换为外圆，将可在不拆转运架的情况下，采用关节臂式坐标测量机完成柔性喷管尺寸和几何公差的检测，简化了喷管检测过程，能够大大节约人力，提高检测效率，并且消除了喷管吊装产生的操作风险。关节臂式坐标测量机是一种新型的多自由度非笛卡尔式坐标系测量系统，具有体积小、质量轻、运动灵活、方便现场测量及价格较便宜等优点[4]。在使用关节臂式坐标测量机测量喷管时（见图2），喷管可以在转运架上竖直放置，只需2人操作1h即可完成喷管的尺寸和几何公差各项指标的测量，单台喷管的检测效率可提升4.5倍。图2关节臂式坐标测量机测量柔性喷管示意03指标的确定与计算3.1指标的确定在柔性喷管几何公差检测时，评价推力线横移的指标为固定体外圆中心到推力线的距离；评价推力线偏斜的指标为固定体外圆柱面与推力线的夹角。当固定体外圆柱与推力线形成夹角时，固定体对接面与推力线将产生垂直度偏差，能够更加直观地反映固定体与推力线的偏斜程度。喷管推力线计算原理如图3所示，其中，L推为推力线长度，L摆为摆心到出口端面距离，L露为喷管外露长度，D固为固定体直径，T固为固定体外圆中心到推力线的距离，α为固定体外圆柱与推力线的夹角。图3喷管推力线计算原理

1—扩张段出口圆

2—摆心

3—固定体外圆柱面

4—固定体对接面

5—喉径3.2指标计算根据扩张段加工工艺要求，加工扩张段出口外圆时，扩张段出口内型面的复位间隙≤0.1mm。故扩张段出口内、外圆同心度t按理论最大偏差取值φ0.2mm。以两种型号柔性喷管为例，计算推力线基准转换对距离T固和夹角α的影响。两种型号喷管相关参数见表1。表1喷管参数（单位：mm）

假设在喷管调平后，固定体外圆中心到推力线的距离T固为0mm；固定体外圆柱面与推力线的夹角α为0′。当转换推力线基准时，推力线因同心度t的影响，发生偏斜。固定体外圆柱与推力线产生夹角，偏斜角α为固定体外圆中心到推力线的距离T固为固定体对接面与推力线的垂直度H为

基准转换产生影响的计算结果见表2。表2基准转换产生影响的计算结果

在测量固定体外圆柱面时，由于被测表面的表面粗糙度的影响及手工采点带来的人为误差，会造成固定体外圆柱面轴线的测量偏差。假设A型喷管的固定体外圆柱面长度为35mm，由于涂抹防锈油或边沿修磨，使被测表面与实际表面发生0.03mm的偏差，拟合圆圆心偏移0.015mm，则造成测得固定体外圆柱面与实际轴线发生了角度偏差。将式（1）中L摆替换为固定体外圆柱面长度35mm，可以计算出由于固定体外圆柱面在上述假设情况下，对固定体轴线造成1.473′的角度偏差。04结果分析根据以上计算结果，可以得出转化推力线基准对喷管几何公差测量结果的影响如下。1）对推力线偏斜测量结果的影响比较小，均在0.5′以内。2）对推力线横移测量结果的影响非常小，不足0.01mm。同时，根据计算可以看出在测量固定体外圆柱面时，很小的测量误差也会对测量结果带来较大的影响。固定体对接面与推力线的垂直度指标能够准确反映推力线偏斜程度，在量值上较固定体外圆柱面与推力线夹角更具有可测量性和测量结果的稳定性。在喷管测量前，为了更加准确地反映被测喷管的装配偏差，调平操作都会尽量将调平尺寸差值调到最小。根据固定体对接面与推力线的垂直度计算结果可以看出，喷管调平偏差0.1mm以内，对喷管推力线横移和偏斜的测量结果影响较小。05结束语推力线是固体火箭发动机喷管的一项重要几何特征。受到喷管各零部件在加工、装配过程中几何公差的影响，导致喷管推力线的横移和偏斜。在测量过程中，通过将构建推力线的扩张段出口内圆转化为出口外圆，使喷管在不拆转运架的竖直状态下完成检测，能够大大节约人力，提高检测效率，并且消除了喷管吊装产生的操作风险。1）将构成推力线的出口内圆转化为出口外圆，对柔性喷管推力线的横移和偏斜检测结果的影响较小，是可行的。2）由于检测方法的改变，检测效率将提升约4.5倍。3）固定体外圆的测量偏差对推力线偏斜的检测结果影响较大