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基于激光跟踪仪的固体火箭发动机推力线测量技术研究

作　者: 张春富
导　师: 唐文彦
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 仪器科学与技术
关键词: 固体火箭发动机推力线激光跟踪仪坐标转换测量不确定度
分类号: V435
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
下　载: 421次
引　用: 5次
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内容摘要

固体火箭发动机具有结构简单、推进剂密度高、加速度大及易于贮存等优点,被广泛应用在各类中远程导弹的助推器上。由于生产和装配过程中存在的各种误差因素,装配后固体火箭发动机的推力线会偏离理论设计值;推力线的横移和偏斜会使发动机在工作过程中产生偏向力矩,导致导弹偏离预定轨道。因此在固体火箭发动机装配完成后进行推力线测量具有重要意义。本文对国内外固体火箭发动机推力线的测量现状进行了深入研究,论述了典型的推力线的静态和动态测量方法,分析了目前推力线测量方法存在的局限性;在分析了大尺寸空间坐标测量技术现状的基础上,根据激光跟踪仪在测量精度、测量范围、测量效率等方面的优势,提出了一种基于激光跟踪仪的固体火箭发动机推力线测量方案。本文以某型弹用固体火箭发动机为测量对象,研究了固体火箭发动机基准轴线、周向零位刻线和发动机推力线的测量技术;针对固体火箭发动机喷管的组合式回转结构特点,研究了复杂回转曲面形心轴线的测量方法;根据推力线的测量方程,建立了固体火箭发动机推力线横移、偏斜和偏斜方位角的计算模型;根据推力线测量及处理流程,提出了固体火箭发动机推力线测量中亟需解算的关键问题:固体火箭发动机推力线优化拟合算法;激光跟踪仪移站测量坐标转换参数求解算法;基于激光跟踪仪的固体火箭发动机推力线测量不确定度评估。以凹弧抛物面组合式喷管为研究对象,针对传统非线性最小二乘求解算法的复杂性和固体火箭发动机喷管在测量空间的位置随机性,提出了一种基于坐标转换和最优化Hooke-Jeeves模式搜索法的复杂回转曲面形心轴线的优化拟合算法,并进一步研究了该优化拟合算法的初始值估计问题,改善了优化拟合算法的效率。在分析激光跟踪仪移站测量的工作原理和坐标转换参数求解算法的基础上,根据激光跟踪仪的球坐标测量原理,建立了基于球坐标残差的激光跟踪仪移站测量坐标转换参数最小二乘求解模型;在研究了激光跟踪仪实际应用特点的基础之上,确定了坐标转换参数求解模型的初始值估计算法;根据激光跟踪仪球坐标角度和距离测量不确定度的分布规律,赋予角度残差和距离残差不同的权系数,建立了优化的加权球坐标残差坐标转换参数求解模型并进行了仿真实验,验证了基于加权球坐标残差坐标转换参数求解算法具有更高的解算精度。在分析了激光跟踪仪测量过程中的不确定度来源基础之上,研究了移站测量过程中不确定度的传递关系;通过蒙特卡罗法对固体火箭发动机推力线测量过程进行了仿真并进行了不确定度评估,仿真结果表明,本文所提出的基于激光跟踪仪的固体火箭发动机推力线测量方案满足推力线测量不确定度的设计要求。最后,对标准块规和某型固体火箭发动机推力线进行了实际测量,验证了本文提出的相关算法的正确性;结果表明,本文提出的基于激光跟踪仪的固体火箭发动机推力线测量方案具有较高的测量精度和较好的重复性。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-13
第1章绪论  13-30
  1.1 课题研究背景及意义  13
  1.2 固体火箭发动机结构和工作原理  13-15
  1.3 固体火箭发动机推力线测量技术现状  15-22
    1.3.1 基于电子经纬仪测量系统的推力线静态测量  15-18
    1.3.2 基于试车台的多分力动态测试法  18-22
  1.4 大尺寸空间坐标测量技术现状  22-28
    1.4.1 近景摄影测量系统  22-23
    1.4.2 近景摄影测量系统的技术特点和应用现状  23
    1.4.3 INDOOR GPS 测量系统  23-25
    1.4.4 INDOOR GPS 测量系统的技术特点和应用现状  25
    1.4.5 激光跟踪仪测量系统  25-27
    1.4.6 激光跟踪仪测量系统的技术特点和应用现状  27-28
  1.5 课题主要研究内容  28-30
第2章固体火箭发动机推力线测量技术研究  30-42
  2.1 引言  30
  2.2 推力线测量的站位布局及测量流程  30
  2.3 固体火箭发动机基准轴测量  30-32
  2.4 固体火箭发动机周向零位刻线测量  32-34
  2.5 固体火箭发动机推力线测量  34-39
    2.5.1 平行截面圆测量法  34-37
    2.5.2 回转曲面整体拟合测量法  37-39
  2.6 固体火箭发动机推力线参数的计算模型  39-40
  2.7 激光跟踪仪固体火箭发动机推力线测量关键技术  40-41
  2.8 本章小结  41-42
第3章固体火箭发动机推力线最优化拟合算法研究  42-54
  3.1 引言  42
  3.2 Hooke-Jeeves 模式搜索法  42-44
  3.3 固体火箭发动机推力线拟合算法研究  44-51
    3.3.1 曲面重构法  44-46
    3.3.2 基于坐标转换的推力线最优化拟合  46-51
  3.4 推力线最优化拟合仿真实验  51-53
  3.5 本章小结  53-54
第4章激光跟踪仪移站测量坐标转换参数解算  54-69
  4.1 引言  54
  4.2 激光跟踪仪移站测量坐标转换  54-57
    4.2.1 三点转换法  56
    4.2.2 泰勒展开近似法  56-57
  4.3 基于球坐标残差最小二乘移站坐标转换参数求解模型  57-62
    4.3.1 基于球坐标残差的坐标转换参数最优化求解模型  57-58
    4.3.2 坐标转换参数最优化求解的初始值估计  58-60
    4.3.3 坐标转换参数最优化求解的初始值估计仿真实验  60-62
  4.4 基于动态加权的移站坐标转换参数求解模型  62-64
  4.5 仿真实验  64-68
  4.6 本章小结  68-69
第5章固体火箭发动机推力线测量不确定度评估  69-83
  5.1 引言  69
  5.2 固体火箭发动机推力线测量误差分析  69-75
    5.2.1 激光跟踪仪仪器误差  69-72
    5.2.2 激光跟踪仪移站测量坐标转换参数误差  72-74
    5.2.3 测量环境参数误差  74-75
  5.3 固体火箭发动机推力线测量不确定度评估方法  75-76
  5.4 固体火箭发动机推力线测量不确定度仿真计算  76-81
  5.5 本章小结  81-83
第6章实验结果及分析  83-91
  6.1 引言  83
  6.2 激光跟踪仪单站测量不确定度实验  83-84
  6.3 激光跟踪仪移站测量不确定度实验  84-88
  6.4 固体火箭发动机推力线测量实验  88
  6.5 固体火箭发动机推力线测量结果的验证实验  88-89
  6.6 本章小结  89-91
结论  91-93
参考文献  93-102
攻读博士学位期间发表的学术论文  102-104
致谢  104-105
个人简历  105

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