搜索

中国航空工业集团公司北京长城航空测控技术研究所《测控技术》杂志社版权所有
地址:北京市亦庄经济技术开发区经海二路航空工业科技商务园9号楼 邮编:101111 
编辑部:010-65667497;
广告部:010-65667357;

发行部:010-65667497;
网管部:010-65667357;

扫码关注微信公众号

本网站为《测控技术》指定官方网站

Coypright◎2012-2018 北京长城航空测控技术研究所      京ICP备09097201号-2

按应用领域分类

按应用领域分类

按应用领域分类

测控技术

Advanced Energy 推出采用创新技术开发并可支持生产监控系统的全新高温测量平台
Pickering Interfaces公司将在Electronica South China慕尼黑华南电子展上展出PXI自动化测试模块
Pickering Interfaces推出交流或直流大电流负载开关模块仅占用一个PXI槽位
易灵思®宣布易构加速平台的可用性
EL51xx:四款超小体积的高性能端子模块进一步完善了倍福的 EtherCAT I/O 系列
Maxim Integrated发布支持车载USB PD端口的buck/boost控制器
研华双鳍片全方位对流散热器,创新散热技术,释放卓越计算性能!
瑞地测控牵头推进车载毫米波雷达测试标准化,NI赋能首个方法落地

知识工程

微视频

Maxim Integrated发布最新IO-Link通信方案
集智达AI边缘计算机赋能智慧交通
发布时间:
2020-10-28 13:23
凌华科技与世炬网络科技联合开发扩大5G RAN边缘解决方案
蔚华科技携手NI提供射频测试解决方案
欧陆科技解读:IEC/UL/CSA 62368-1电气距离要求及与60950-1差异
Spectrum仪器AWG卡为第二次量子革命开创性研究提供卓越精准度
元脑生态伙伴发布业内首个HEIF图像高质量压缩FPGA加速方案
研华科技于2020中国国际服贸会展出最新8K视频影像解决方案

测控技术

知识工程

微视频

Maxim Integrated发布最新IO-Link通信方案
集智达AI边缘计算机赋能智慧交通
发布时间:
2020-10-28 13:23
凌华科技与世炬网络科技联合开发扩大5G RAN边缘解决方案
蔚华科技携手NI提供射频测试解决方案
欧陆科技解读:IEC/UL/CSA 62368-1电气距离要求及与60950-1差异
Spectrum仪器AWG卡为第二次量子革命开创性研究提供卓越精准度
元脑生态伙伴发布业内首个HEIF图像高质量压缩FPGA加速方案
研华科技于2020中国国际服贸会展出最新8K视频影像解决方案

测控技术

知识工程

微视频

中国航空工业集团公司   中航高科智能测控有限公司  北京瑞赛长城航空测控技术有限公司   中国航空工业技术装备工程协会  中国航空学会

中国航空工业集团公司北京长城航空测控技术研究所 《测控技术》杂志社版权所有
地址:北京市亦庄经济技术开发区经海二路航空工业科技商务园9号楼 邮编:101111 
编辑部:010-65667497;
广告部:010-65667357;

发行部:010-65667497;
网站管理部:010-65665345

应用案例:混合动力火箭发动机点火测试

浏览量
【摘要】:
本文中,将介绍SpacelinkInstitute的客户使用DEWESoft公司数据采集系统,对其设计和预研的火箭发动机进行点火试验时的数据采集过程,以便向有类似需求的客户提供一种可靠、易用的火箭发动机点火测试数据采集系统解决方案。

客户:SpacelinkInstitute——斯洛文尼亚民营航天企业

 

内容:本文中,将介绍SpacelinkInstitute的客户使用DEWESoft公司数据采集系统,对其设计和预研的火箭发动机进行点火试验时的数据采集过程,以便向有类似需求的客户提供一种可靠、易用的火箭发动机点火测试数据采集系统解决方案。

 

               Spacelink公司的SL-2型火箭发动机点火测试现场图

距离人类将第一颗人造卫星送入太空,实现载人登月,已经过去了50多年。但是直到最近十年,随着运载火箭技术的发展(混合动力技术),发射载荷进入太空的价格才变得越来越低,以至于发射和发展商业载荷才能变得可行起来。

在全球商业航天发射市场,主流的商业航天发射企业主要关注于大型运载火箭的研发和制造,因为较大的载荷能力与较远的发射轨道意味着巨大的市场竞争力。但是,我们知道大型运载火箭需要较长的准备周期且极其昂贵。对于民用及小型载荷任务,发射价格的高低是决定整个计划是否可行的关键。近年来,随着运载火箭设计及制造技术、小型卫星设计及制造技术、复合材料、电子技术以及火箭推进剂技术的发展,小型运载火箭被推上了航天发射的大舞台。未来,可实现低价快速发射的小型运载火箭将具有巨大的军用和民用价值,将成为人类开展太空活动的明日之星。

   

   混合动力火箭发动机设计技术

由于最近几年混合动力火箭发动机技术有了很大的发展,使得运用了混合动力火箭发动机技术的运载火箭,能够以安全且价格合理的方式将小型卫星或航天器运送到地球轨道及其他需要的轨道中变得可行起来。

 混合动力火箭发动机可以使用固体,液体或者气体作为推进剂。相比于传统的固体和液体化学燃料火箭,其最大的优势是:能够节流并断续燃烧(固体火箭做不到),结构简单,燃料成本低廉(液体火箭所无法比拟),也就是说具有极低的开发和维护成本,另外也易于存储和运输。混合动力火箭发动机中常见的燃料是聚合物,例如橡胶,通常与液态氧结合作为氧化剂。由于液氧具有强大的氧化能力,有机材料在其存在的情况下可以迅速燃烧,石油或木炭等材料甚至会发射爆炸。

在本例中,Spacelink的客户使用DEWESoft硬件和软件对正在研发的SL-2混合动力火箭发动机(准备用于Stella 1号火箭)的点火测试过程进行数据采集。SL-2混合动力火箭发动机由石蜡(燃料)和液态氧(氧化剂)提供动力,可产生4 kN的推力,旨在将80 kg的火箭提升至10 km的高度,这是为了对该型发动机技术进行进一步开发的原理性验证。通过对火箭发动机点火后的运行参数进行彻底的测量和分析,客户可以获得尽可能多的信息,从而加快发动机研发工作。

 

      Stella 1号火箭

Stella 1号火箭是Spacelink公司的首个型号火箭,由SL-2混合动力火箭发动机推动,可以到达10公里的高度。其将装备一个两级回收系统:包括一个主降落伞和一个副降落伞。

与军用火箭和运载宇航员的大型火箭不同,Stella 1号火箭是被动稳定的,这意味着其垂直飞行状态将由固定翼片来保证。但是上述设计在一定速度下才有效,所以需要对Stella 1号火箭在飞行的最初几米内进行引导。为此,客户设计并制造了一个由三条腿的基座和一个塔组成的发射架。

火箭发动机的设计及制造是十分复杂的,其涉及高温、高压,振动,加速和流体动力学等多个学科。准确的数据测量对于此类系统的优化和故障排除至关重要。

 

Spacelink公司简介

Spacelink是一个由年轻且富有创新精神的工程师组成的团队,他们渴望在斯洛文尼亚开发太空项目。他们正打算建造一枚火箭,发射高度将超过100公里的卡门线。卡门线位于100公里的高度,代表着地球大气层和外层空间的边界。

由于近些年全球各国在卫星小型化技术方面取得了较大进步,微卫星和纳米卫星的产量增加迅猛,它们的质量可以在1公斤以下,也可以高达几百公斤。目前的运载火箭在发射轨道、发射频率和发射时间等方面灵活性极差。Spacelink的客户相信通过使用混合动力发动机推进技术开发的小型高性能火箭能改变各类载荷进入预定轨道的方式。

 

SL-2混合动力火箭发动机燃烧室的推力测试图

SL-2混合动力火箭发动机

 

 

混合动力火箭发动机——SL-2

 

火箭发动机的研制通常都是在地面开始开发和测试工作的。此应用案例中所展示的SL-2火箭发动机是真实发动机的缩小版本,主要用于验证此型火箭发动机的设计原理。为了尽可能多的获得发动机的信息,测试时为其安装了各种类型的传感器用于测量不同的物理量。

如上图所示,火箭发动机由三个主要部分组成:底部水平放置的燃烧室、中间橙色的液氧罐和顶部白色的加压罐。在两个罐之间有一个带闭环调节系统的阀,该阀的主要作用是:将顶部压力罐中高压气体,以40 bar的恒定压力送入氧化剂罐中。此时打开氧化剂罐下方的主电磁阀,液氧通过喷嘴分散成细小液滴进入燃烧室。在燃烧室内,液滴与熔融石蜡混合并发生反应,以便产生超过3000°C的高温气体,当这些气体通过主喷嘴时会加速到超音速。高速喷射的气体会产生火箭前进的推力以及震耳欲聋的噪音。

为了安全,客户需要一种在远程位置测量SL-2主要性能参数的解决方案,以便在测试需要中止或需要手动进行某些更改时能够实时观察到这些参数。对于某些参数,他们只需要知道最大值/最小值,例如,燃烧室壁的温度,但是有些参数是以较高频率变化的,例如燃烧室的压力。另外更重要的是,来自不同传感器的数据必须保持同步,这样才可以找出导致发动机性能异常的原因。

发动机整个点火过程由飞控计算机及其搭载的软件控制,整个点火试验的主要步骤是:向储罐中注入液氧并冷却管道,给系统加压,控制燃烧(时间:5s),排气,排空剩余的氧化剂,最后进行预热。在火箭点火过程中,DEWESoft主要测量发动机点火后5秒钟的数据。

SL-2混合动力火箭发动机的首次点火测试

 

混合动力火箭发动机点火测试系统简介

如上文所述,本例中进行点火试验的火箭只是为了验证设计原理而成比例缩小的实验性火箭发动机,所以其所需的采集通道比较少,主要包括一个SIRIUSie-8xSTG+模块(支持8路电压,各种桥路应变、电流、铂电阻温度等模拟信号及8路转速、流量和频率等数字信号)和一个KRYPTONi-8xTH模块(支持各类热电偶K, J, T, R, S, N, E, C, U, B,等温度信号的采集),两个模块之间用菊花链连接在一起,以便实现供电、数据同步及数据传输,整个系统通过长达100 m的以太网电缆连接到笔记本电脑中。为了获得需要的物理参数,客户使用了多种类型的传感器。测试系统参考下图:

 

                         

压力传感器

如我们所知,测量压力有多种传感器可选:电容式,光学式,压电式等。本例中,客户使用的是工业压阻式传感器,其集成了放大器电路,所以能将压阻式传感器的电阻变化转换为标准的4-20 mA电流输出。实际应用中,基于电压激励,4-20mA电流输出的压力传感器有着广泛的应用,尤其在干扰信号比较复杂的测试环境中,因为电流具有较强的抗干扰能力)。SIRIUSie-8xSTG+模块可向压力传感器提供20V以内的激励电压(程控可选),并采集传感器输出的电流信号(需要外接采样电阻)。本例中为了保证测试精度,连接的采样电阻是万分之五精度的50欧姆电阻。

 

压力传感器(4-20mA输出)

热电偶

热电偶是最常见的温度传感器,它直接测量温度,将温度信号转换成热电动势信号,通过电气仪表(二次仪表)或采集系统转换成被测介质的温度。它具有结构简单、制造方便、测量范围广、精度高、惯性小和输出信号便于远传等许多优点。另外,由于热电偶是一种无源传感器,测量时不需外加电源,使用十分方便,所以在各行各业有着极其广泛的应用。KRYPTONi-8xTH模块支持各类热电偶(K, J, T, R, S, N, E, C, U, B,)温度信号的采集。

 

 

                                 K型热电偶

应变片

应变片是用于测量物体应变的传感器。其通常粘贴于待测物体表面上,并随着物体表面变形而变形,应变片的变形会引起其基准电阻值(常见的基准电阻值有:120Ω350Ω1000Ω)的变化,通过惠斯顿电路可以将电阻值转换成电压信号进行测量。

 

应变测试桥路主要有三种:全桥,半桥和1/4桥,由于接线比较简单1/4桥是最常用的。半桥常用于需要进行温度补偿的场合。很多测量压力、力或者称重的传感器是基于全桥原理制成的。本例中SIRIUSie-8xSTG+模块支持全桥,半桥和1/4桥测应变,同时支持向应变测试桥路或者各类压力、力及称重传感器提供20V以内的激励电压(程控可选)。

应变片

电容式液位传感器

为了在加氧与火箭发动机点火期间测量储罐中液氧的水平位置,客户使用了一种可以在低温,氧化环境下运行的电容式液位传感器。其由两个浸没在液氧中的同心不锈钢管组成。液位的上升或下降会引起两个不锈钢管之间电容的变化,之后由放大器电路转换为PWM信号。SIRIUSie-8xSTG+的计数器通道支持对PWM信号进行采集,然后使用DEWESoft软件实时计算PWM信号的占空比,最后将占空比转换为液氧的水平位置信息采集与记录下来。

                                        

 

   发动机性能测试分析

测量数据为深入分析影响火箭发动机性能的关键性能因素提供了依据。

推力分析

为了测量推力与推力偏差,客户将燃烧室安装在一个测量板上。四根金属梁的每侧各安装一个应变计,形成四个半桥。之后四个通道连接到SIRIUSie-8xSTG+上,四个通道测得的分力加在一起就能得到总推力。

推力测量板

上述结构也支持侧向力的测量,可以用来确定喷嘴的偏差或描述推力矢量控制系统(如果使用的话)。

客户能够从收集的上述数据中获得两个极其重要的参数:

达到额定推力的时间:这对于火箭实现较高的初始加速度很重要;

总冲量:此参数与火箭最终达到的高度有关。

推力测量界面(单位:N)

 

燃烧室压力分析

 一个压力传感器直接连接到燃烧室内以便准确测量内部压力。其主要目的是:观察燃烧不稳定性(振荡)、燃料效率和其他潜在问题,如喷嘴堵塞。在此例中,客户发现了两种不同的燃烧不稳定性,一种发生在低频,另一种发生在一种高频,这是由于燃烧室的声学特性而出现的。

燃烧室压力测量界面 (单位:bar)

 

压力调节分析

液氧罐由外部高压罐来进行加压。为了确保氧化剂以恒压进入燃烧室,客户开发了一种主动调节系统。其由电动阀、压力传感器和PID控制器组成。其中压力传感器双路输出压力信号至SIRIUSie-8xSTG+块与主动调节系统,一路用于控制,一路用于记录以便进行分析。

液氧罐压力测量界面(单位:bar)

 

燃烧室热绝缘效果测量

为了确定燃烧室的隔热效果,沿燃烧室外表面均匀安装了四支K型热电偶,并将它们连接到KRYPTONi-8xTH模块上。在火箭发动机运行期间及停止工作后的几分钟内监测沿燃烧室外表面温度,以测量延迟的传热递。客户的结论是:发动机内部的隔热层工作的很好,因为外壁温度从未上升到40°C以上。

燃烧室外部温度测量界面

结论

影响火箭发动机性能的因素很多。其测量和优化必须由一次又一次的点火试验来完成,最终才能设计和制造出稳定、可靠与高效运行的火箭发动机,以便进一步设计和制造出运送载荷的运载火箭。

此外,我们相信,在任何工业研发有一样东西是你应该相信的,那就是测量设备。DEWESoft的所有设备都是为了在现场进行测试而设计的,所以其具有极高的通道间与通道与地隔离电压(高达1000VDC,意味着拥有极强的抗干扰能力),拥有抗振动与抗电磁干扰设计,能够在极为苛刻的测试环境下完成高精度的数据测试任务。

本例中,DEWESoft的硬件和软件不仅证明了其可靠性,而且也显示了其多功能性——可以连接不同输出类型的传感器,并支持向传感器提供激励,从而减少了现场布线的难度并保证了高精度的测量结果。一旦客户对DEWESoft软件有了一点了解,便会发现其不仅简单易用,而且具有各种显示工具及分析功能,能实现客户大部分的数据测试与分析。

知识工程

按照应用领域分类

按照技术领域分类

视频展示

相关文件

暂时没有内容信息显示
请先在网站后台添加数据记录。