DE102006007406B3 - Schubmessbrücke und Verfahren zur messtechnischen Erfassung des Schubes von Triebwerken - Google Patents

Abstract

Es wird eine Schubmessbrücke (1) zur messtechnischen Erfassung des Schubes von Triebwerken (2) beschrieben, umfassend: einen Schubmesstisch (4), der eine Tischplatte (5) und zumindest ein elastisch unter Krafteinwirkung (F¶Schub¶) deformierbares Verformungselement (6) umfasst, welche die Tischplatte (5) mit einer Basis (3) verbindet, wobei der Schubmesstisch (4) zur Aufnahme und Halterung des zu prüfenden Triebwerks (2) dient; eine Vorrichtung (10) zur Ermittlung einer Größe (DELTAx), die mit der durch die Schubkraft des Triebwerks (2) hervorgerufenen Verformung des zumindest einen Verformungselements (6) korrespondiert; sowie eine Vorrichtung (16) zur Ermittlung der Schubkraft (F¶Schub¶) des Triebwerks aus der Größe (DELTAx), wobei die Vorrichtung (10) zur Ermittlung der Größe (DELTAx) auf Basis eines berührungslosen Verfahrens arbeitet.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Schubmessbrücke und ein Verfahren zur messtechnischen Erfassung des Schubes von Satelliten-Lageregelung-Triebwerken.
• Bei der messtechnischen Erfassung des Schubes von Triebwerken während des Heißfeuerns, insbesondere von Kleintriebwerken, werden sog. Schubmessbrücken eingesetzt. Die Schubmessbrücken sind zur Aufnahme des zu prüfenden Triebwerks ausgebildet und erlauben eine Bestimmung des erzeugten Schubes unter Verwendung von Lastmesszellen. Eine Lastmesszelle ist im Allgemeinen ein Feder-(Verformungs-)Element, welches unter einer einwirkenden Kraft elastisch deformiert wird. Die Deformation wird mit an dem Verformungselement angebrachten ohmschen Widerständen (Dehnungsmessstreifen) gemessen. Je nach Krafteinwirkung werden die Verformungselemente gedehnt oder gestaucht. An den Dehnungsmessstreifen ist eine der Verformung proportionale Widerstandsänderung die Folge. Aus dieser kann im Weiteren die Schubkraft des geprüften Triebwerks errechnet werden.
• Insbesondere beim sog. Aussetzbetrieb beim Heißfeuern kommt es zu einer Eigenanregung der Schubmessbrücke. Die Eigenfrequenz von Schubmessbrücken kann bei einem herkömmlichen Aufbau im Frequenzbereich des Aussetzbetriebes liegen. Dieser Umstand macht die Leistungsbestimmung in diesem Arbeits/Frequenzbereich schwierig, da eine Verfälschung durch überlagerte Eigenschwingungen (Resonanz) auftritt.
• Der definierte Kontakt (mechanische Kopplung) erfolgt in der Regel zwischen Triebwerksaufnahme und Lastmesszelle mechanisch unter Verwendung einer Kugel, die auf eine ebene Fläche unter Vorspannung eine Punktkraft aufbringt. Die Berührung der Kugel und der Fläche wird mittels einer Überwurfmutter sicherge stellt. Ein Nachteil dieser Vorgehensweise besteht darin, dass diese aufgrund von Reibungskräften an den Auflageflächen Verlust- und Hysterese-behaftet ist.
• Die GB 2 096 776 A betrifft einen Schubkraftmessstand für Flugzeugtriebwerke. Der Messstand umfasst eine erste Auflage an welche das Triebwerk befestigt ist. Die erste Auflage ist mittels Platten mit einer zweiten Auflage verbunden. Weiterhin sind Messfühler zwischen der ersten und der zweiten Auflage verbunden, um die Schubkraft des Triebwerks zu messen. Jede Platte ist im rechten Winkel zu der Schubkraft angeordnet. Die Platten können aus Stahl gemacht werden und benötigen keine maschinelle Bearbeitung. Die zweite Auflage ist mittels von Torsionsstäben an Belägen aufgehängt. Die Resonanzfrequenz dieser Aufhängung kann so adjustiert werden, dass Vibrationen vermieten werden.
• Die DE 38 43 121 A1 betrifft ein optoelektronisches Messsystem zur Erfassung von Verformungen, wobei ein Verformungsweg mittels eines achromatischen Interferometers in mehrere elektrische Signale umgesetzt wird, so dass ein Auswertung des absoluten Verformungsweges möglich ist.
• Die EP 1 014 064 A2 betrifft ein System zum Messen von Triebwerks-Rotorschub mittels faseroptischer Sensoren. Das beschriebene System enthält zwei reflektierende Oberflächen, die in einem Gehäuse gekapselt sind, wobei die beiden Oberflächen durch einen Anfangsspalt getrennt sind. Das System enthält ferner eine ankommende Faser zum Übertragen von Licht zu den beiden reflektierenden Oberflächen und ein Lagerelement, das mit dem Gehäuse verbunden ist. Darüber hinaus einhält das System Mittel zum Einführen einer Triebwerkslast in das Lagerelement, wobei der Rotorschub in das Lagerelement eine Änderung in dem Anfangsspalt hervorruft. Außerdem enthält das System eine Einrichtung zum Interpretieren der Änderung in dem Anfangsspalt, wobei eine Vergrößerung in dem Anfangsspalt Zug anzeigt und eine Verkleinerung in dem Anfangsspalt Druck anzeigt.
• Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schubmessbrücke und ein Verfahren zur messtechnischen Erfassung des Schubes von Triebwerken anzugeben, welche die o.g. Nachteile nicht aufweisen.
• Diese Aufgaben werden durch eine Schubmessbrücke mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie durch ein Verfahren zur messtechnischen Erfassung des Schubes von Triebwerken mit den Merkmalen des Patentanspruches 19 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweils abhängigen Patentansprüchen.
• Eine erfindungsgemäße Schubmessbrücke zur messtechnischen Erfassung des Schubes von Triebwerken umfasst folgende Merkmale: einen Schubmesstisch, der eine Tischplatte und zumindest ein elastisch unter Krafteinwirkung deformierbares Verformungselement umfasst, welche die Tischplatte mit einer Basis verbinden, wobei der Schubmesstisch zur Aufnahme und Halterung des zu prüfenden Triebwerks dient. Eine Vorrichtung zur Ermittlung einer Größe, die mit der durch die Schubkraft des Triebwerks hervorgerufenen Verformung des zumindest einen Verformungselements korrespondiert sowie eine Vorrichtung zur Ermittlung der Schubkraft des Triebwerks aus der Größe. Erfindungsgemäß arbeitet die Vorrichtung zur Ermittlung der Größe auf Basis eines berührungslosen Verfahrens.
• Hiermit ist der Vorteil verbunden, dass keine mechanische Kontaktierung des zu prüfenden Triebwerks erforderlich ist. Auf die Genauigkeit der Schubmessung negativ wirkende Reibungseinflüsse eines mechanischen Kontaktes können auf diese Weise eliminiert werden. Die Auflösung der Schubmessbrücke und des der Erfindung zugrunde liegenden Verfahrens ist wesentlich höher im Vergleich zu den im Stand der Technik eingesetzten Lastmesszellen.
• Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Vorrichtung zur Ermittlung der Größe einen opto-elektronischen Sensor. Mittels des opto-elektronischen Messverfahrens können sehr kleine Verformungen gemessen werden, so dass auch die Erfassung geringer Schubkräfte von zu prüfenden Triebwerken möglich ist. Die Erfindung ist deshalb zur Erfassung des Schubs von Triebwerken in den Schubklassen von einigen Millinewton, wie z.B. Ionen-Antriebe oder Micropropulsion-Antriebe, vorteilhaft einsetzbar.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung zur Ermittlung der Größe ein Transmissions-Beugungsgitter, eine Lichtquelle und einen Lichtempfänger, die derart zueinander angeordnet sind, dass von der Lichtquelle abgegebene Strahlung das Beugungsgitter passieren kann und von dem Lichtempfänger aufnehmbar ist, und das Beugungsgitter relativ zu der Lichtquelle und dem Lichtempfänger beweglich gelagert ist und eine ortsfeste Verbindung zu dem Schubmesstisch aufweist, so dass eine durch die Schubkraft des Triebwerks hervorgerufene Verformung des zumindest einen Verformungselements eine Bewegung des Beugungsgitters relativ zu der Lichtquelle und dem Lichtempfänger zur Folge hat. Weiter bevorzugt ist das Beugungsgitter an der Tischplatte des Schubmesstischs angeordnet.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Beugungsgitter holographisch hergestellt und weist eine örtlich periodische Struktur mit aneinander folgenden Abschnitten unterschiedlicher Transparenz auf.
• Die Vorrichtung zur Ermittlung der Größe ist weiter dazu ausgebildet, bei einer Relativbewegung des Beugungsgitters gegenüber der Lichtquelle und dem Lichtempfänger eine periodische Amplitudenänderung der Lichtstrahlung zu detektieren und die Anzahl der Maximas oder Minimas der Lichtstrahlung zu ermitteln. Die ermittelte Anzahl der Maximas oder Minimas der Lichtstrahlung ist direkt proportional der Verformung oder Verschiebung des zumindest einen Verformungselements. Aus diesen Informationen lässt sich auf einfache Weise die Schubkraft des Triebwerks ermitteln.
• In einer weiteren Ausführungsform ist die Steifigkeit des zumindest einen Verformungselements derart bemessen, dass die Eigenfrequenz der Schubmessbrücke außerhalb des Frequenzbereichs bei einem Aussetzbetrieb ist. Dies ist möglich, da die Empfindlichkeit des opto-elektronischen Sensors im Vergleich zu herkömmlichen Lastmesszellen wesentlich höher ist womit auch kleinste Verformungen noch messtechnisch erfasst werden können. Gegenüber herkömmlichen Aufbauten lässt sich deshalb die Systemsteifigkeit der Schubmessbrücke erhöhen, so dass die Eigenfrequenz außerhalb des Frequenzbereichs bei Aussetzbetrieb liegt.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Konstruktionsmaterialien der Schubmessbrücke, insbesondere des Schubmesstischs sowie der Verformungselemente, einen kleinstmöglichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Da unter Verwendung des erfindungsgemäßen Messverfahrens sehr kleine Verformungen bzw. Auslenkungen messbar sind, deren Größenordnung je nach Konstruktionsmaterialien der Schubmessbrücke im Bereich der durch thermische Ausdehnung verursachten Verformungen liegen, können Messwertverfälschungen auftreten. Dieser Verfälschung wird durch die beschriebene erfindungsgemäße Ausgestaltung durch eine geeignete Auswahl der Werkstoffe der Schubmessbrücke entgegengetreten.
• Um die Messwertverfälschung weiter zu verringern, kann die Schubmessbrücke gemäß einer weiteren Ausführungsform zumindest einen Kühlkreislauf aufweisen. Insbesondere kann der Schubmesstisch den zumindest einen Kühlkreislauf aufweisen. Hierdurch ist sichergestellt, dass ein permanenter Wärmetransport unter Einsatz des Kühlkreislaufs gewährleistet ist, so dass die thermische Ausdehnung der Konstruktionsmaterialien möglichst gering gehalten ist. Gemäß einer Ausgestaltung weist der zumindest eine Kühlkreislauf ein Fluid, insbesondere Wasser, als Arbeitsmedium und einen Wärmetauscher auf. Zur Erlangung einer maximalen Kühlung ist ferner vorgesehen, dass bei einer Mehrzahl an Kühlkreisläufen jeder der Kühlkreisläufe mit einem eigenen Arbeitsmedium betrieben wird.
• Insbesondere ist ein Kühlkreislauf in einer oder mehreren der folgenden Baugruppen vorgesehen: der Tischplatte des Schubmesstischs sowie der Verformungselemente; ein an der Tischplatte angeordneter Triebwerkshalter, an welchem das zu prüfende Triebwerk befestigt ist; ein an der Schubmessbrücke befestigtes Hitzeschild. Diese Baugruppen sind während der Prüfung des Triebwerks thermisch am meisten belastet, so dass es sinnvoll ist, ggf. in allen der genannten Baugruppen einen Kühlkreislauf vorzusehen.
• Der zumindest eine Kühlkreislauf lässt sich dann besonders einfach realisieren, wenn das zumindest eine Verformungselement einen Abschnitt des zumindest einen Kühlkreislaufs bildet. Dazu können die Verformungselemente hohl ausgeführt sein, so dass das Arbeitsmedium des zumindest einen Kühlkreislaufs in diese eingespeist und ausgeleitet werden kann.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist eine Kalibriereinrichtung vorgesehen, mit welcher die Schubmessbrücke gegenüber einer Referenzgröße kalibrierbar ist. Die Kalibrierung der Schubmessbrücke ist zweckmäßig, da der Schub eines Triebwerks am Anfang eines Tests nicht bekannt ist.
• Die Kalibriereinrichtung verfügt zu diesem Zweck über ein mit dem Schubmesstisch verbundenes Kalibriergewicht, welches zu Kalibrierzwecken den Schubmesstisch mit einer definierten Kraft beaufschlagt und eine auszuwertende Verformung des zumindest einen Verformungselements bewirkt und welches ansonsten keine Kraft auf den Schubmesstisch ausübt.
• Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur messtechnischen Erfassung des Schubes von Triebwerken bedient sich einer Schubmessbrücke, die einen Schubmesstisch aufweist, der eine Tischplatte und zumindest ein elastisch unter Krafteinwirkung deformierbares Verformungselement umfasst, welche die Tischplatte mit einer Basis verbinden, wobei der Schubmesstisch zur Aufnahme und Halterung des zu prüfenden Triebwerks dient. Bei dem Verfahren wird eine Größe auf Basis eines berührungslosen Verfahrens ermittelt, die mit der durch die Schubkraft des Trieb werks hervorgerufenen Verformung des zumindest einen Verformungselements korrespondiert. Dann wird aus der Größe die Schubkraft des Triebwerks ermittelt. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sind die gleichen Vorteile verbunden, wie sie vorstehend in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Schubmessbrücke erläutert wurden.
• In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Größe mit einem Transmissions-Beugungsgitter, einer Lichtquelle und einem Lichtempfänger ermittelt, die derart zueinander angeordnet sind, dass von der Lichtquelle abgegebene Strahlung das Beugungsgitter passiert und von dem Lichtempfänger aufgenommen wird. Das Beugungsgitter ist relativ zu der Lichtquelle und dem Lichtempfänger beweglich gelagert und weist eine ortsfeste Verbindung zu dem Schubmesstisch auf, so dass eine durch die Schubkraft des Triebwerks hervorgerufene Verformung des zumindest einen Verformungselements eine Bewegung des Beugungsgitters zur Folge hat.
• Zur Ermittlung der Größe werden bei einer Relativbewegung des Beugungsgitters gegenüber der Lichtquelle und dem Lichtempfänger eine periodische Amplitudenänderung der Lichtstrahlung detektiert und die Anzahl der Maximas oder Minimas der Lichtstrahlung ermittelt.
• Während der Prüfung des zu prüfenden Triebwerks wird gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Kühlkreislauf in einem oder mehreren der folgenden Baugruppen betrieben: der Tischplatte des Schubmesstischs sowie der Verformungselemente; ein an der Tischplatte angeordneter Triebwerkshalter, an welchem das zu prüfende Triebwerk befestigt ist; ein an der Schubmessbrücke befestigtes Hitzeschild.
• Der zumindest eine Kühlkreislauf wird gemäß einer weiteren Ausführungsform mit einem Fluid, insbesondere Wasser, als Arbeitsmedium und mit einem Wärmetauscher betrieben. Bei einer Mehrzahl an Kühlkreisläufen ist vorgesehen, dass jeder der Kühlkreisläufe parallel mit dem Arbeitsmedium betrieben wird. Weiter kann vorgesehen sein, das Arbeitsmedium durch das zumindest eine Verformungselement des zumindest einen Kühlkreislaufs zu fördern.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
• 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Schubmessbrücke, und
• 2 eine vergrößerte Darstellung von Teilen der Schubmessbrücke aus 1, anhand denen das erfindungsgemäße Verfahren zum Bestimmen der Schubkraft eines Triebwerks erklärt wird.
• In 1 ist eine erfindungsgemäße Schubmessbrücke 1 schematisch dargstellt. Auf einer ortsfesten Basis 3 ist ein Schubmesstisch 4 angeordnet. Der Schubmesstisch 4 umfasst eine Tischplatte 5, die beispielhaft mit zwei Verformungselementen 6 mit der Basis 3 verbunden ist. An einem mit der Tischplatte 5 verbundenen Triebwerkshalter 8 ist ein hinsichtlich seiner Schubkraft zu überprüfendes Triebwerk 2 befestigt. Das Triebwerk 2 ist dabei derart auf dem Schubmesstisch 4 gehaltert, dass dessen Expansionsdüse seitlich über die Schubmessbrücke 1 hinausragt. Ein an der Basis 3 befestigter Hitzeschild 9 schirmt die Expansionsdüse des Triebwerks gegenüber der Schubmessbrücke 1 ab.
• Während des Betriebs des Triebwerks 2 wird eine Schubkraft F_Schub in der mit dem Pfeil gekennzeichneten Richtung auf den Schubmesstisch 4 ausgeübt. Infolgedessen werden die Verformungselemente 6 elastisch deformiert. Hierbei verschiebt sich der Schubmesstisch, insbesondere die Tischplatte 5, um einen Weg Δx. Diese, in der Figur laterale Verschiebung, kann durch eine Vorrichtung 10 zur Erfassung der Verformung des Schubmesstischs detektiert werden. Anhand des zurückgelegten Weges Δx kann dann die Schubkraft F_Schub ermittelt werden.
• Die Vorrichtung 10 zur Erfassung der Verformung des Schubmesstischs umfasst ein holographisch hergestelltes Beugungsgitter 11 und einen sog. Δx-Detektor 12, welcher eine Lichtquelle 13 und einen Lichtempfänger 14 umfasst. Das Beugungsgitter 11 ist über eine Haltevorrichtung 7 mit der Tischplatte 5 des Schubmesstischs 4 starr verbunden, so dass eine Verformung der Verformungselemente 6 und damit eine quer zur Zeichenebene hervorgerufene Verschiebung der Tischplatte zu einer relativen Bewegung des Beugungsgitters 11 gegenüber dem Δx-Detektor führt.
• Das opto-elektronische Messverfahren zur Bestimmung des Weges Δx basiert auf dem Prinzip der inkrementalen Messtaster. Ein von der Lichtquelle 13 abgegebener Lichtstrahl passiert das Transmissions-Beugungsgitter. Das Beugungsgitter 11 bildet eine örtlich periodische Struktur mit aneinander folgenden Abschnitten unterschiedlicher Transparenz aus. Eine Verschiebung des Beugungsgitters relativ zu dem Δx-Detektor erzeugt eine periodische Amplitudenänderung der Lichtstrahlung. Durch die Ermittlung der Anzahl der Maximas oder Minimas der Lichtstrahlung durch den Δx-Detektor, welche direkt proportional der Verschiebung des Beugungsgitters 11 und damit der Tischplatte 5 ist, lässt sich der Weg Δx bestimmen.
• Die Verwendung von Lichtstrahlung als "Informationsquelle" erlaubt eine berührungslose und hochpräzise Ermittlung der Schubkraft. Gegenüber einer herkömmlichen Lastmesszelle ist eine wesentlich höhere Auflösung des Messsystems gegeben. Daraus resultierend können die Verformungselemente 6 steifer ausgeführt werden, wodurch die Eigenfrequenz der Schubmessbrücke 1 sich erhöht. Die Messgenauigkeit bleibt dabei gegenüber herkömmlichen Schubmessbrücken gleich.
• Zur Auswertung des Verschiebeweges Δx ist mit dem Δx-Detektor 12 als Auswerteeinrichtung ein Interpolator 15 gekoppelt. Dieser ist seinerseits mit einer weiteren Auswerteeinrichtung 16 gekoppelt, welche aus den ermittelten Daten die von dem zu prüfenden Triebwerk aufgebrachte Schubkraft F_Schub ermittelt. Dieser Sachverhalt ist in der 2 dargestellt. In übertriebener Weise ist auch das Verhalten eines Biegeelementes 6 beim Angreifen einer Schubkraft F_Schub dargestellt.
• Beim Angreifen der Schubkraft F_Schub wird das Verformungselement 6 in die mit dem Bezugszeichen 6' übertrieben gezeigte Stellung elastisch verformt. Die mit dem Triebwerk verbundene, in 2 nicht dargestellte, Tischplatte legt dabei eine Wegänderung Δx zurück, welche von der Höhe der Schubkraft F_Schub abhängt.
• Mittels des opto-elektronischen Messverfahrens können sehr kleine Verschiebungen gemessen werden, deren Größenordnung je nach Konstruktionsmaterialien der Schubmessbrücke, insbesondere des Schubmesstischs, im Bereich der durch thermische Ausdehnung verursachten Verformungen liegen. Hierdurch kann sich eine Messwertverfälschung ergeben. Aus diesem Grund weisen die Konstruktionsmaterialien der Schubmessbrücke kleinstmögliche thermische Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Die thermische Ausdehnung wird ferner durch das Vorsehen von Kühlkreisläufen 30.1, 30.2, und 30.3 minimiert. Jeder der Kühlkreisläufe 30.1, 30.2 und 30.3 wird mit einem Fluid als Arbeitsmedium, z.B. Wasser, betrieben. Die Arbeitsmedien können dabei an einem Wärmetauscher vorbeigeführt werden.
• Die Kühlkreisläufe 30.1, 30.2 und 30.3 sind in den thermisch besonders belasteten Baugruppen der Schubmessbrücke 1 vorgesehen. Der Kühlkreislauf 30.1 ist der Tischplatte 5 des Schubmesstischs 4 zugeordnet. Der Kühlkreislauf 30.2 ist dem Triebswerkhalter 8 zugeordnet. Der dritte Kühlkreislauf 30.3 ist in dem Hitzeschild 9 vorgesehen. Jeder der Kühlkreisläufe 30.1., 30.2 und 30.3 wird mit einem eigenen Arbeitsmedium versorgt. Das Einleiten und Ausleiten des Arbeitsmediums in den jeweiligen Kühlkreislauf kann über beispielsweise hohl ausgeführte Verformungselemente 6 erfolgen. Dies ist in der Figur schematisch mit den Pfeilen 31 und 32 dargestellt, wobei mit dem Pfeil 31 der Eingang der Kühlkreisläufe und mit dem Bezugszeichen 32 der Ausgang der Kühlkreisläufe bezeichnet ist.
• Die erfindungsgemäße Schubmessbrücke verfügt weiterhin über eine Abgleicheinrichtung 20. Diese dient zum Abgleich der Schubmessbrücke gegenüber einer Referenzkraft zu Beginn eines Tests eines Prüflings, da die Schubkraft eines Triebwerks zu Testanfang noch nicht bekannt ist. Die Abgleicheinrichtung umfasst ein kalibriertes Gewicht 21, welches über ein Seil 23 mit der Tischplatte 5 des Schubmesstischs 4 verbunden ist. Über eine an einem Ausleger 24 gelagerte Rolle 22 wird das Seil 23 umgelenkt. Das kalibrierte Gewicht 21 lagert auf einer Plattform, welche über ein Stößel 26, einen Exzenter 27 und einen Motor 25 in ihrer Höhe verstellt werden kann. Befindet sich das kalibrierte Gewicht 21, am Seil 32 frei hängend, so wird eine dem kalibrierten Gewicht 21 entsprechende Kraft auf den Schubmesstisch, bzw. die Tischplatte 5, ausgeübt, welche einer nominellen Schubgröße entspricht. In dieser Phase erfolgt ein Abgleich des Schubmesssystems. Nach erfolgtem Abgleich wird die Plattform mit dem kalibrierten Gewicht 21 wieder angehoben, so dass das kalibrierte Gewicht 21 über das Seil 23 keine Kraft mehr auf den Schubmesstisch 4 ausübt. Die Schubmessbrücke befindet sich dann in einem unbelasteten Zustand, in dem das zu prüfende Triebwerk 2 hinsichtlich seiner Schubkraft überprüft werden kann.

1

Schubmessbrücke

2

Triebwerk

3

Basis

4

Schubmesstisch

5

Tischplatte

6, 6'

Verformungselement

7

Haltevorrichtung

8

Triebwerkshalter

9

Hitzeschild

10

Vorrichtung zur Erfassung der Verformung des Schubmesstischs

11

Beugungsgitter

12

Δx-Detektor

13

Lichtquelle

14

Lichtempfänger

15

Interpolator (Auswerteeinrichtung)

16

Auswerteeinrichtung

20

Abgleicheinrichtung

21

kalibriertes Gewicht

22

Rolle

23

Seil

24

Ausleger

25

Motor

26

Stößel

27

Exzenter

30.1, 30.2, 30.3

Kühlkreislauf

31

Eingang Kühlkreislauf

32

Ausgang Kühlkreislauf

F_Schub

Schubkraft

F_kal

Kraft

Δx

Auslenkung

Claims (27)

1. Schubmessbrücke (1) zur messtechnischen Erfassung des Schubes von Triebwerken (2), umfassend: – einen Schubmesstisch (4), der eine Tischplatte (5) und zumindest ein elastisch unter Krafteinwirkung (F_Schub) deformierbares Verformungselement (6) umfasst, welche die Tischplatte (5) mit einer Basis (3) verbinden, wobei der Schubmesstisch (4) zur Aufnahme und Halterung des zu prüfenden Triebwerks (2) dient, – eine Vorrichtung (10) zur Ermittlung einer Größe (Δx), die mit der durch die Schubkraft des Triebwerks (2) hervorgerufenen Verformung des zumindest einen Verformungselements (6) korrespondiert, sowie – eine Vorrichtung (16) zur Ermittlung der Schubkraft (F_Schub) des Triebwerks aus der Größe (Δx), – wobei die Vorrichtung (10) zur Ermittlung der Größe (Δx) auf Basis eines berührungslosen Verfahrens arbeitet.
2. Schubmessbrücke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) zur Ermittlung der Größe (Δx) einen opto-elektronischen Sensor (11, 12) umfasst.
3. Schubmessbrücke nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) zur Ermittlung der Größe (Δx) ein Transmissions-Beugungsgitter (11), eine Lichtquelle (12) und einen Lichtempfänger (13) umfasst, die derart zueinander angeordnet sind, dass – von der Lichtquelle (12) abgegebene Strahlung das Beugungsgitter (11) passieren kann und von dem Lichtempfänger (13) aufnehmbar ist, – das Beugungsgitter (11) relativ zu der Lichtquelle (12) und dem Lichtempfänger (13) beweglich gelagert ist und eine ortsfeste Verbindung zu dem Schubmesstisch aufweist, so dass eine durch die Schubkraft des Triebwerks (2) hervorgerufene Verformung des zumindest einen Verformungselements (6) eine Bewegung des Beugungsgitters relativ zu der Lichtquelle (12) und dem Lichtempfänger (13) zur Folge hat.
4. Schubmessbrücke nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Beugungsgitter (11) an der Tischplatte (5) des Schubmesstischs (4) angeordnet ist.
5. Schubmessbrücke nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Beugungsgitter (11) holographisch hergestellt ist.
6. Schubmessbrücke nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Beugungsgitter (11) eine örtlich periodische Struktur mit aneinander folgenden Abschnitten unterschiedlicher Transparenz aufweist.
7. Schubmessbrücke nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) zur Ermittlung der Größe (Δx) dazu ausgebildet ist, bei einer Relativbewegung des Beugungsgitters (11) gegenüber der Lichtquelle (12) und dem Lichtempfänger (13) eine periodische Amplitudenänderung der Lichtstrahlung zu detektieren und die Anzahl der Maxima oder Minima der Lichtstrahlung zu ermitteln.
8. Schubmessbrücke nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steifigkeit des zumindest einen Verformungselements (6) derart bemessen ist, dass die Eigenfrequenz der Schubmessbrücke (1) außerhalb des Frequenzbereichs bei Aussetzbetrieb ist.
9. Schubmessbrücke nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Konstruktionsmaterialien der Schubmessbrücke (1) einen kleinstmöglichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen.
10. Schubmessbrücke nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese zumindest einen Kühlkreislauf (30.1, 30.2, 30.3) aufweist.
11. Schubmessbrücke nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Schubmesstisch (4) den zumindest einen Kühlkreislauf (30.1, 30.2, 30.3) aufweist.
12. Schubmessbrücke nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Kühlkreislauf (30.1, 30.2, 30.3) ein Fluid als Arbeitsmedium und einen Wärmetauscher aufweist.
13. Schubmessbrücke nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid Wasser ist.
14. Schubmessbrücke nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Mehrzahl an Kühlkreisläufen (30.1, 30.2, 30.3) jeder der Kühlkreisläufe mit einem eigenen Arbeitsmedium betrieben wird.
15. Schubmessbrücke nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühlkreislauf (30.1, 30.2, 30.3) in einer oder mehreren der folgenden Baugruppen vorgesehen ist: – der Tischplatte (5) des Schubmesstischs, – ein an der Tischplatte (5) angeordneter Triebwerkshalter (8), an welchem das zu prüfende Triebwerk (2) befestigt ist, – ein an der Schubmessbrücke (1) befestigtes Hitzeschild (9).
16. Schubmessbrücke nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Verformungselement (6) einen Abschnitt des zumindest einen Kühlkreislaufs (30.1, 30.2, 30.3) bildet.
17. Schubmessbrücke nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abgleicheinrichtung (20) vorgesehen ist, mit welcher die Schubmessbrücke (1) gegenüber einer Referenzgröße kalibrierbar ist.
18. Schubmessbrücke nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgleicheinrichtung (20) über ein mit dem Schubmesstisch (4) verbundenes kalibriertes Gewicht (21) verfügt, welches zu Abgleichzwecken den Schubmesstisch (4) mit einer definierten Kraft beaufschlagt und eine auszuwertende Verformung des zumindest einen Verformungselements (6) bewirkt und welches ansonsten keine Kraft auf den Schubmesstisch (4) ausübt.
19. Verwendung einer Schubmessbrücke nach einem der vorherigen Ansprüche zur Erfassung des Schubs von Triebwerken in den Schubklassen von einigen Millinewton, wie Ionen-Antriebe oder Micropropulsion-Antriebe.
20. Verfahren zur messtechnischen Erfassung des Schubes von Triebwerken (2) mit einer Schubmessbrücke (1), die einen Schubmesstisch (4) aufweist, der eine Tischplatte (5) und zumindest ein elastisch unter Krafteinwirkung (F_Schub) deformierbares Verformungselement (6) umfasst, welche die Tischplatte (5) mit einer Basis (3) verbinden, wobei der Schubmesstisch (4) zur Aufnahme und Halterung des zu prüfenden Triebwerks (2) dient, wobei – eine Größe (Δx) auf Basis eines berührungslosen Verfahren ermittelt wird, die mit der durch die Schubkraft des Triebwerks (2) hervorgerufenen Verformung des zumindest einen Verformungselements (6) korrespondiert, und – aus der Größe (Δx) die Schubkraft (F_Schub) des Triebwerks ermittelt wird.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe (Δx) mit einem Transmissions-Beugungsgitter (11), einer Lichtquelle (12) und einem Lichtempfänger (13) ermittelt wird, die derart zueinander angeordnet sind, dass – von der Lichtquelle (12) abgegebene Strahlung das Beugungsgitter (11) passiert und von dem Lichtempfänger (13) aufgenommen wird, – das Beugungsgitter (11) relativ zu der Lichtquelle (12) und dem Lichtempfänger (13) beweglich gelagert ist und eine ortsfeste Verbindung zu dem Schubmesstisch aufweist, so dass eine durch die Schubkraft des Triebwerks (2) hervorgerufene Verformung des zumindest einen Verformungselements (6) eine Bewegung des Beugungsgitters zur Folge hat.
22. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Größe (Δx) bei einer Relativbewegung des Beugungsgitters (11) gegenüber der Lichtquelle (12) und dem Lichtempfänger (13) eine periodische Amplitudenänderung der Lichtstrahlung detektiert und die Anzahl der Maxima oder Minima der Lichtstrahlung ermittelt werden.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass während der Prüfung des zu prüfenden Triebwerks (2) ein Kühlkreislauf (30.1, 30.2, 30.3) in einem oder mehreren der folgenden Baugruppen betrieben wird: – der Tischplatte (5) des Schubmesstischs (4), – ein an der Tischplatte (5) angeordneter Triebwerkshalter (8), an welchem das zu prüfende Triebwerk (2) befestigt ist, – ein an der Schubmessbrücke (1) befestigtes Hitzeschild (9).
24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Kühlkreislauf (30.1, 30.2, 30.3) mit einem Fluid als Arbeitsmedium und mit einem Wärmetauscher betrieben wird.
25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkreislauf mit Wasser betrieben wird.
26. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Mehrzahl an Kühlkreisläufen (30.1, 30.2, 30.3) jeder der Kühlkreisläufe parallel mit dem Arbeitsmedium betrieben wird.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium durch das zumindest eine Verformungselement (6) des zumindest einen Kühlkreislaufs (30.1, 30.2, 30.3) gefördert wird.