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应用案例:固体火箭发动机试验台点火试验测试

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【摘要】:
本文中,将介绍Spacelink Institute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:欧洲航天局(ESA)、法国国家空间研究中心(CNES)、阿里亚娜航天公司(ArianeGroup)、意大利艾维欧航空航天动力集团(Avio)

内容:本文中,将介绍Spacelink Institute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。

P120C型固体火箭发动机点火试车图

试验背景

如我们所知,欧洲航天局的运载火箭家族主要分为两个系列:阿丽亚娜系列运载火箭(Arine)织女星系列运载火箭(Vega)。上述两个系列运载火箭满足了欧空局的各种发射任务:从小型的科学和地球观测卫星、深空探测器,到为国际空间站进行补给的货运飞船。

织女星系列运载火箭是一种一次性使用的火箭,由意大利太空总署及欧洲航天局在1998年合作研发,于2008年首次发射,其设计用来发射小型卫星,可将重量在300公斤到2000公斤之间的科学卫星或地球观测卫星,送至太阳同步轨道或地球轨道。织女星系列运载火箭的最新型号是:织女星C型(Vega-C),在2019年7月首次发射失败后,今年将再次进行发射。

织女星系列运载火箭家族谱(Vega)

阿丽亚娜系列运载火箭(Ariane,也译为阿里安)是由欧洲航天局主导研制,作为欧盟各国或其他国家进行空间活动的一次性重型运载火箭。阿丽亚娜火箭发射场地位于南美洲法属圭亚那境内的圭亚那太空中心。1973年末,德法英三国协商后由法国提出了研发阿丽亚娜系列运载火箭的计划。此系列运载火箭至今已研制成功5种型号,阿丽亚娜5型运载火箭( Ariane-5)是此系列现役火箭,也是世界上运载能力最大的商用运载火箭之一。当进行单星发射任务时,可以把6500公斤的有效载荷送入地球同步轨道,而进行双星发射任务时,可以把6000公斤的有效载荷送入相同的轨道。其第六种型号阿丽亚娜6型运载火箭(Ariane-6)正在研制中,原计划今年进行首次发射,现推迟到明年。

阿丽亚娜系列运载火箭家族谱(Ariane)

 

                                 欧洲下一代火箭

P120C型固体火箭发动机是欧洲航天局主导研发的新一代通用型固体火箭发动机,其成败将决定欧洲航天局新型火箭的未来,因为其将作为织女星C型运载火箭(Vega-C)的第一级及阿丽亚娜 6型运载火箭的固体助推器。2018年7月16日,在位于法属圭亚那的太空中心,P120C型固体火箭发动机进行了首次点火试验。

火箭发动机点火试验中可靠且高精度的数据采集及记录工作是必须的,因为只有通过对试验中采集到的数据分析后才能对发动机是否满足设计要求有无潜在的故障如何进一步优化发动机等一系列关键问题得出答案。在此型号发动机的点火试验中客户选择了DEWESoft产品用于数据采集记录工作(使用了500个模拟输入通道,每个通道采样率200KHz,所有通道完全同步)。

                        P120C固体发动机进行第二次点火测试

 

CLEMESSY+DEWESOFT-测控一体化解决方案

     此次点火试验之前,发动机的所有主要部件——如喷嘴、点火器、固体推进剂和绝缘外壳等已经分别进行了测试。欧空局在试验前指出:“这次点火旨在测试上述各个部件、各项技术、各种材料和生产技术组合成完整发动机后的整体性能”。

2015年,法国国家空间研究院(CENS)代表欧空局(ESA)提出了改进阿丽亚娜试验台的任务,即用具有高端信号调理功能和数字化的数据采集系统取代现有的模拟型数据采集系统。供应商面临的主要挑战是:与现有的测试台对接,提供高可靠性的控制命令

CLEMESSY作为系统集成商接受了这一挑战,即使需要在严格的期限和有限的时间内完成项目:点火试验的日期是固定的,无论发生什么情况,集成商都必须确保数据采集系统和控制系统投入到测试中。CLEMESSY是一家法国公司(EIFFAGE集团的子公司),专门从事工业技术设备的工程及实施。CLEMESSY交付了该系统,并完成了P120C固体火箭发动机的点火测试,同时也负责该系统的日常维护。

数据采集部分,CLEMESSY选择了DEWESoft。在硬件方面,控制系统是Syclone系统,由其确保操作员与执行服务器和实时定序器的连接并控制它们,DEWESoft数据采集系统也与其交互。此系统的独特之处在于:DEWESoft的硬件部分不仅可以实现数据采集与记录,而且也能实时为Syclone控制系统提供测量数据用于控制,也就是说此系统是个真正的测控一体化解决方案(控制系统与采集系统的信号来自于同一个采集硬件)。

圭亚那太空中心(CSG)

圭亚那太空中心是法国与数个欧洲国家共同合作在法属圭亚那的库鲁设立的太空中心与火箭发射场,于1968年投入使用。圭亚那太空中心地处赤道地区,纬度仅为5度。由于发射场的纬度低,相同发射方位角的轨道倾角小,因而远地点变轨所需要的能量小,可以相应地增加向地球同步轨道上发射有效载荷的重量(在文昌发射场发射时,相比于酒泉发射场,同型号火箭运载能力可增加10%)。

曾有专家做过计算,向地球同步轨道上发射载荷时,就同一种运载火箭而言,在库鲁发射比在拜科努尔(位于哈萨克斯坦)发射的运载量可高70%;在库鲁发射场发射同等重量的有效载荷要比在美国肯尼迪角发射场发射时远地点发动机能量节省约20%,库鲁发射场被公认为世界最佳的火箭发射地点。库鲁发射场以发射“阿丽亚娜” 运载火箭而闻名,迄今该系列火箭发射成功率已达90%以上,发射场主要用于科学卫星、应用卫星等各类空间飞行器的测试发射等,是世界上承揽商业航天发射最多的发射中心,近200枚运载火箭从这里点火升空,已将250余颗不同型号的卫星送入太空。

从地理位置上讲,此位置满足建立航天发射场的两个主要要求:

(1)其位于赤道附近,这意味着将航天器发射到地球同步轨道时所需的能量更少。火箭可以低至6°的倾角发射入轨道;

(2)其东部是广阔的大海,这意味着火箭发射失败造成的碎片不太可能击中人类居住区。火箭向东发射,还可以利用地球自转来提供角动量。

圭亚那太空中心是法国唯一的航天发射场,欧洲航天局(ESA)、法国国家空间研究中心(CNES)和阿里亚娜航天公司(Arianespace)等都在此中心执行航天发射任务。欧洲航天局常用此中心向国际空间站运送物资。欧洲航天局不仅支付2/3的太空中心年度预算,还投资了阿丽亚娜发射架的升级费用。

圭亚那太空中心(CSG)的日常工作由法国国家空间研究中心(CNES)管理。CNES根据阿里亚娜航天公司(Arianespace)的要求,为航天器和运载火箭的准备和发射提供所有必要的支持。太空中心可以同时处理多个不同客户的航天器,航天器和运载火箭的集成和发射是在专门用于特殊项目的发射场中进行的,如阿丽亚娜系列运载火箭(Ariane)、联盟号运载火箭(Soyuz,属于俄罗斯,2008年开始部分型号的联盟号火箭开始由圭亚那太空中心发射升空)或织女星系列运载火箭(Vega)。

圭亚那太空中心鸟瞰图

阿丽亚娜6型运载火箭

本文中所述的所有测试都与阿丽亚娜6型运载火箭项目有关,此项目是确保并维持欧洲具有独立进入太空的能力的关键。如上文所述,阿丽亚娜运载火箭项目开始于1973年,阿丽亚娜6型是此系列火箭研制的最新型号。

为了完成阿丽亚娜6型运载火箭的研制与生产,欧洲航天局与阿里安集团领导并组建了一个由13个欧洲国家的600多家公司组成(其中包括350家中小型企业)的联盟,在对阿丽亚娜6型运载火箭的设计进行微调后开始进入试制工作。与此同时,法国国家空间研究中心(CNES)正在圭亚那太空中心(CSG)建设相应的发射设施。

阿丽亚娜6型运载火箭主要组成及对应的制造厂家

阿丽亚娜6型运载火箭项目的总体目标是制造一款经济、高效、可靠的运载工具,用于发射移动通信卫星、电视广播卫星、气象卫星、对地观测卫星以及其他的各类载荷。

较低的开发成本是发展阿丽亚娜6型运载火箭的主要动力。阿丽亚娜6型运载火箭的最终设计于2014年12月通过审核。由最初的全固体火箭发动机设计,更改为固液混合的方式,成本相比阿丽亚娜5号降低一半,每年可发射的次数能增加一倍。

阿丽亚娜6主要由以下成分组成:

(1)液体推进芯级模组:液体推进芯级模组为阿丽亚娜6型运载火箭的第一级,推进剂为液氢及液氧。此发动机为阿丽亚娜5型运载火箭火神发动机的改进型号——火神发动机2.1(Vulcain 2.1)。液体推进芯级模组直径5.4米 ,装载推进剂约140吨;

(2)液体推进二级模组:液体推进二级模组(为阿丽亚娜6号运载火箭的第二级,直径为5.4米,推进剂为液氢及液氧。火箭发动机为芬奇火箭发动机(Vinci),提供180 kN的推力,具备多次点火启动能力。装载推进剂约31吨;

(3)助推器:P120C型通用固体火箭为阿丽亚娜6型运载火箭的固体火箭助推器,依据发射任务的不同,可以捆绑2台(阿丽亚娜62型)或4台(阿丽亚娜64型)。P120C固体火箭助推器推进剂质量为142吨,推力达3,500KN;此外,P120固体火箭助推器也将应用于升级版织女星C型运载火箭;

(4)有效载荷整流罩;

(5)根据发射任务,可以使用各种不同的适配器/分配器/双发射结构或运载结构,既可以实现一箭多星发射;

(6)小型、微型和纳米卫星的承载结构,支持发射多颗小型卫星。

阿丽亚娜6号运载火箭的一级主推力发动机火神2.1(Vulcain 2.1),在减少部件的同时,保持了更高燃烧的效率。经过改进的二级芬奇(Vinci)型发动机支持多次点火功能,使得阿丽亚娜6号运载火箭具备了将不同的载荷运送到不同轨道的能力。

                            阿丽亚娜6号运载火箭简介

固体助推器测试台(BEAP)

 

与许多固体火箭发动机测试台不同,这次点火是在垂直的测试台上进行的。全新的P120C固体火箭发动机和试验台上配备了几百个各类传感器,能收集600多个参数,整个点火试验持续了135秒,模拟了此型火箭发动机从发射到脱离的整个燃烧过程,达到了实际飞行工况要求,其他性能指标也达到了预期。

固体助推器测试台(BEAP)是圭亚那航天中心特有的测试台。自1993年投入使用以来,其已经成功完成了阿丽亚娜5号运载火箭发动机的测试工作。该试验台配备了安全系统以防止固体助推器从试验台上脱离,当发生异常情况时,大型叶片会切开固体推进器的外壳,使固体推进剂能够自由燃烧而不产生任何推力。

                            固体助推器测试台(BEAP)

P120C-通用型固体火箭发动机

P120C通用型固体火箭发动机是由Europroputh公司制造的,其是由阿丽亚娜集团(Ariane Group)和艾维欧公司(Avio)合资组建的。发动机最主要的两个部分:壳体和喷管分别由艾维欧公司与阿里安集团负责研制和生产。推进剂的浇铸和发动机最终集成在法属圭亚那太空中心进行。

P120C通用型固体火箭发动机是目前世界上最大的整体式碳纤维固体火箭发动机,由织女星运载火箭第一级发动机P80演化而来,壳体采用预浸渍碳纤维环氧树脂复合材料通过纤维缠绕和铺放方法制成,喷管采用碳/碳复合材料等多种复合材料制成。

如上文所述,P120C是织女星运载火箭Vega-C的第一级,阿丽亚娜6号运载火箭的一级助推器,按照发射任务可以选择捆绑2个(阿丽亚娜62型))或4个(阿丽亚娜64型),以提供升空所需的推力。

P120C通用型固体火箭发动机

虽然织女星C号运载火箭将继续从太空中心的织女星发射台发射,但阿丽亚娜6号运载火箭将从全新的发射台(称为ELA-4)发射。

实际发射中,阿丽亚娜6号运载火箭的主体将在离发射塔一英里的火箭装配大楼中进行水平组装。然后将上述主体移到垫板上,并垂直安装在移动式龙门架上。之后在此处组装助推器,有效载荷和整流罩等,从而完成整个火箭的组装工作。发射前不久,移走移动式龙门架。

在Vega-C与Ariane 6首次飞行之前,还将进行两次进一步的点火试验以确保固体发动机完全满足发射条件。

P120C固体发动机主要参数

SYCLONE-测试控制系统

目前在固体助推器测试台上使用了CLEMESSY公司开发的SYCLONE控制软件,这是一款像工具箱一样运行的完全可扩展的控制命令软件,能依据客户需求和使用环境开发出客户定制解决方案。软件结构主要包括监控部分(报警)、实时过程控制部分以及相应的硬件。

决策支持系统能为圭亚那太空中心的操作员在危险操作中的危险区域提供地图支持,如发射火箭。该系统的目标是分析和交叉检查2200 km²范围内的气象和烟火参数,并实时显示多达10次危险作业的信息,以便协调工作。

在项目的早期阶段,客户就要求具备如下功能:

1.将全局系统看作一整个度量单位;

2.具有交叉触发触发器功能,能触发同一事件中的所有单元;

3.具有极高的网络安全性,此要求自项目开始以来就得到了解决。

    由于助推器或发动机测试时,测试单元的独特性、高附加值性以及具有极高的烟火风险,所以要求系统的控制命令具有极佳的安全性和可靠性且必须能够使用几十年。此次测试时,发动机是唯一的(预研制的),价值高达5000万欧元。测试不允许失败,首次就必须要能正常工作,当然,人员的安全也是重中之重。 

Syclone必须确保数据采集和实时测量,以及控制和监控整个火箭测试过程。所进行的测试可能需要多达1000个通道(模拟通道+控制通道)。其中模拟通道需500多个通道,高达200KHz的采样率。

对于整个测控链路来说,主要的延时由如下部分产生:

(1)数据采集部分:接收到点火信号后 500个模拟通道就会全部开始工作。他们在数据采集软件中以每通道高达200 kHz的极高速度进行采集与记录(完全同步),同时也将它们极短延时的发送到控制系统中,延迟小于500us(包含sigma-delta模数转换器中的延时);

(2)控制器处理部分:在控制器中处理数据以便生成准备好的测试用例:储罐压力是多少?喷嘴的位置在哪里?时序的下一步是什么?上述过程需要400us。

(3)最后,驱动前端会及网络传输也会产生延迟。

最终结果是在大约4公里的网络上,整个链路的循环处理时间为惊人的1ms。

为了满足这些令人印象深刻的测试的要求,实时测量和监视系统必须达到非常高的性能-记住,采集到的数据将直接用于控制火箭发动机喷嘴。即使设备分布在数千米的网络中,测试台也可以达到高水平的环路处理速度。传感器事件与喷嘴动作之间的循环时间约为1 ms。

测控链路延时分布

传感器与数据采集通道连接,通过USB总线由DEWESoft采集分析软件实现高采样率的数据记录。由于R8rt系统集成了EtherCAT总线,上述数据也可以低延时的发送至控制器中用于控制,从而实现了真正的测控一体化,由于采集系统与控制系统的信号来自于同一个采集硬件,使得整个测控链路拥有极小的延时(1ms)。

R8rt+SIRIUS——数据采集系统

本次试验中使用了来自DEWESoft公司的数据采集系统进行数据采集与记录。它们已经成为欧洲固体助推器测试台(BEAP)的组成部分,法国航天局CNES(国家空间研究中心)将为阿丽亚娜 6号运载火箭发射台配备多达800通道的SIRIUS系列机架版隔离型STG型模块。

该解决方案中的主机是R8rt(R8主机的升级版),其拥有独特的关键功能-双总线工作模式:模拟数据将通过USB总线全速保存在数据采集系统中用于记录及后期分析;同时还可以通过实时,低延迟的EtherCAT总线向任何第三方的EtherCAT控制器发送实时数据,用于控制。既数据采集与控制系统的信号来自于同一个采集硬件,是真正的测控一体化解决方案。

R8rt是多通道数据采集系统,具有强大的数据处理能力(高性能工业型计算机),可热插拔的固态硬盘SSD,其在设计时就考虑了便携性。系统最多可配置8个SIRIUS系列机架版模块,最多支持128个模拟输入(各种类型的传感器都支持连接,且支持向传感器提供激励)。R8rt系统还包括一个EtherCAT从端口可以向任何第三方的EtherCAT控制器发送低延时的实时数据,用于控制。

R8rt双总线工作模式

如上文所述,客户所有的采集通道都是SIRIUS系列隔离型STG的原因主要有两个:

(1)STG通道具有多功能放大器,可以支持连接各类传感器(电压输出型、电流输出型、应变输出型、电阻输出型、铂电阻温度、电位计输出型等)并提供传感器激励(电压与电流都支持);

(2)通用化,便于后期维护;

客户选用的STG模块属于SIRIUS系列中的高动态范围模块,其具有特殊的双核ADC技术(DualCoreADC)。如我们所知,普通的数据采集通道都只有单个的ADC(模数转换器)。这种新技术解决了我们经常遇到的问题——信号超出所设定的量程而导致削波。DEWESoft 双核 ADC 技术保证用户总是能够使用最佳量程,因为信号经由高、低两个不同增益的放大器同时进行测量!通过这种技术,SIRIUS高动态范围模块的信噪比超过130 dB,动态范围可以达到160 dB以上,比单AD的24位系统好20倍,同时噪声能少20倍。

                                    双AD介绍

   客户选用的STG模块还具有极高的隔离电压能力。通道间及对地隔离高达1000VDC,同时提供给传感器的激励也是隔离的。较高的隔离电压允许客户测量存在高电势的应用。如使用非隔离的传感器测量存在高压的物体的振动、温度或任何其他物理量。

                                高隔离电压

计数器主要用于测量旋转机械的转速(RPM)和转角信号。DEWESoft每个计数器/编码器输入都采用了超级计数器(SUPERCOUNTER)专利技术,其基于102. 4MHz的内部时基工作,始终独立于当前采样频率。相比于只能输出整数如1、2、3、4且有1个采样点延迟的传统计数器,DEWESoft计数器通道可以输出更精确的数值如:1.37、1.87、2.37 ...而且时间和幅值完全同步!这是通过使用一个额外的计数器测量信号上升沿的准确时间实现的。计数器输入与模拟、CAN总线和其他数据源完全同步,能满足最苛刻的测试应用——火箭助推器测试。

                                超级计数器

展望

DEWESoft参与阿丽亚娜6号运载火箭项目是一个逐步进入的过程。在2016年,16通道的DEWESoft数据采集模块由合作伙伴CLEMESSY 公司引入其SYCLONE控制系统中并成功通过测试验收。截止到2019年1月,有多达600通道的DEWESoft数据采集系统运行在库鲁航天中心。法国国家空间研究中心(CNES)的客户打算对阿丽亚娜 6号运载火箭也使用相同的测试技术,特别是其芯级(一级)火神2.1火箭发动机(Vulcain 2.1)的点火测试。

此外,更多测控一体化的项目正在全世界范围内应用与实施。DEWESoft公司和CLEMESSY公司结合了各自产品的优势:高精度的数据采集和控制前端+高效、全面的控制命令软件SYCLONE=真正的测控一体化解决方案。法国国家空间研究中心(CNES)以及欧洲航天局苛刻的测试系统要求提升了DEWESoft公司和CLEMESSY公司数百个通道的大型试验台测控一体化解决方案的成熟度和可靠性。当然相同的测试技术未来将会应用在不同行业不同客户的不同应用中。

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