液體火箭發動機液流試驗系統測量過程控制研究

朱 偉，王 昕

（西安航天動力研究所，陜西西安710100）

0 引言

在液體火箭發動機液流試驗中，測試數據的準確性關系到對被測產品的性能評價。不準確的試驗數據，近之影響設計方案的確定，遠之關系到發射任務的成敗。可以說測試數據準確、可靠是任何一項試驗的基本要求。對測試實施測量過程控制，就是運用測量過程驗證及控制方法，對測試過程進行監控，以保證測試數據準確可靠。

1 液流試驗系統測量過程驗證方法

一套典型泵壓液流試驗系統一般由泵源、管路、流量調節元件、壓力、流量測量儀表以及系統控制等設備組成。被測試產品的測試過程可描述為：在給定流量下或給定壓力下，測量產品的壓降或流量。試驗中所使用的測量儀表都是經過計量單位檢定并具有相應的準確度等級，儀表的檢定周期一般為一年。那么，如何證實試驗系統的狀態是否滿足要求？儀器儀表會不會有超差現象？將測量設備拿去再次檢定是不切實際的，這時就需要引入一套可行的測量驗證方法。目前獲取測量過程中的變異情況最常用的方法是對核查標準的重復測量。核查標準在GB/T19022-2003（對應的ISO標準為：ISO10012-2：2003）中定義為：為了對某個測量過程進行控制，通過測量來收集數據所使用的測量設備、產品或其他物體。在液體火箭發動機液流試驗領域核查標準的建立有以下兩種途徑：a.通過設置考臺件；b.引用同精度或更高精度的測量儀表。這里所提的考臺件是指用來考核液流試驗系統是否符合預期要求的試驗樣件或測量設備。

核查標準一旦確立，就應該制定相應的測量過程驗證方法。依據核查標準的不同，測量過程驗證方法又可分為考臺件考核法及系統核查法。

1.1 考臺件考核法

每個考臺件都有各自的特征參數并具有相應的合格限。每次考臺試驗所得的測試值與考臺件的合格限進行比對，并將單次考臺值是否落在合格限范圍內作為系統是否穩定的判據。

1.2 系統核查法

系統核查法是針對未設考臺件或臨時組建的試驗系統所應用的一種驗證方法，系統核查法中最常用的兩種方法是流量核查和壓力核查。

1.2.1 流量核查

流量核查主要應用于小流量系統（流量一般小于0.5 kg/s）和臨時組建的試驗系統中。小流量系統使用稱重法對流量計進行核查。稱重法是在穩定流量下，通過高精度的電子稱稱得流經流量計的總流量，通過計算得出單位流量后與流量計實測流量進行比對，要求差值的絕對值應小于流量計的滿量程誤差。對于臨時組建的試驗系統可以通過串聯一臺流量計的方法進行流量核查。兩流量計實測值差值的絕對值應小于兩儀表最大允許誤差的均方根之和，儀表的最大允許誤差指儀表的滿量程誤差。在這里要求核查用的流量計的精度應不低于被核查流量計的精度，而量程也應不大于被核查流量計的量程范圍。

1.2.2 壓力核查

壓力測量的核查方法是引入一套核查用儀表，通過它與試驗用儀表進行比對，要求壓力之差應小于兩儀表最大允許誤差的均方根之和。同樣在這里要求核查用的壓力儀表精度應不低于被核查壓力儀表精度，而量程也應不大于被核查壓力儀表的量程范圍。

（e）密碼管理：由統一用戶身份管理系統統一接管用戶在其他應用系統中的賬戶和密碼信息，密碼策略按照企業保密規定統一執行。采用統一密碼的方式，即企業門戶密碼與其他應用系統密碼保持一致，在企業門戶中集成用戶的密碼管理模塊，用戶將企業門戶密碼更改后，接口會把新密碼同步到各應用系統中。

對比考臺件考核法和系統核查法，前一種方法優于后一種方法，這是因為考臺數值的波動是對壓力、流量以及系統管路等因素變動的綜合反映，考臺件考核法能夠對整個試驗系統的狀態進行驗證。

2 液流試驗系統測量過程控制方法

測量的控制可以從簡單的工藝規程、數據記錄表格等到復雜的統計控制。統計控制是測量過程的高級別控制，也是目前最先進的控制方法。測量過程控制的先驅休哈特先生就說過：“如果測量工作沒有調整到統計規律狀態，則在邏輯上就完全不能被認為是在做某種測量”。

目前，在液體火箭發動機液試系統測試控制方面所應用的方法是對系統進行穩定性評估。系統的穩定性評估是指對考臺件的考臺值或測量儀表的系數通過數理統計的方法來判斷測量過程是否處于隨機統計控制狀態，是否出現了粗大的或系統的變異干擾。穩定性評估的目的是根據評估分析結論，發現試驗系統有關變異情況的信息并分析、查明原因，以便采取措施消除異常情況，使試驗系統保持正常的工作狀態。開展評估還應具備以下條件：a.試驗系統技術狀態應一致；b.考臺件的技術狀態應一致；c.以考臺件的試驗數據作為評估依據；d.觀察值為獨立隨機樣本。

3 液流試驗系統穩定性評估方法

目前采用周期為一年的穩定性評估來判定試驗系統的穩定性。一旦確定系統穩定后，就可對以后一年內系統的穩定性做出評定。穩定性評估方法依據程序文件和院標中的要求進行，具體評估方法采用控制圖評估法或統計檢驗法，目前對液流試驗使用控制圖評估方法進行評測。

控制圖法由以下兩部分組成：a.以考臺件的合格限作為控制圖的上下界限，以每年度內考臺值的均值作為子樣做圖，采用GB/T19022-2003標準中相應判定法則判斷測量過程是否處于統計控制狀態；b.對本年度內考臺值的月均值進行數理統計，通過計算得到月均值的平均值和標準差，取置信水平γ＝0.8，雙側概率（置信概率）P1=P2=0.05，確定雙側容許限后制做控制圖，以反映考臺件年度內的波動趨勢。

從以后的發展趨勢看，控制圖法越來越被廣泛地認可和使用，這是因為控制圖法直觀，通過對控制圖中子樣點子所在的位置及走勢來判斷測量過程是否處于統計控制狀態。

4 目前存在的問題

4.1 缺少考臺件的設計規范要求

考臺件作為核查標準要解決兩個問題：a.通過測量核查標準發現測量過程中的變異情況，建立信息反饋系統；b.通過重復測量核查標準找出測量過程本身固有的統計特性參數。考臺件作為一種敏感元件，其制作、使用及其維護保養均應該遵循相應的規范要求。但是由于測試過程的復雜性和產品的多樣性，給編制設計規范帶來一定困難，以下僅給出了目前考臺件的使用信息及需求。

考臺件有自制和直接借用產品兩種。是否需要自制取決于產品的結構特性、外形尺寸及材質。如推力室等具有復雜型面大尺寸產品液流試驗，就必須自制考臺件；而如節流圈、鋼制汽蝕管等小尺寸產品，就完全可以移作考臺件使用。

2）考臺件的結構形式及材料要求

首先，作為考臺件，任何能引起流量和壓力測量波動的因素，均能夠快速反映到考臺數值上。雙孔板節流件具有結構簡單、性能穩定等特點，目前大部分考臺件采用此種設計結構，圖1給出了結構簡圖。考臺件設計成雙孔板結構，其目的是增加一級孔板出口背壓，減少不必要的干擾因素。

除了雙孔板結構，在特征壓力較高的場合下，汽蝕管考臺件也是一種不錯的選擇，結構簡圖見圖2。汽蝕管考臺件的優點在于高的穩定性。

目前考臺件的材料一般選用1Cr18Ni9Ti，該材料的優點是具有較強的抗腐蝕能力。

考臺件在設計時應盡量避免焊接結構，以降低材料內應力。除此之外，孔板應具有足夠的強度及剛度以抵抗試驗介質所帶來的應力。

3）考臺件特征值的確定

考臺值是一個包含所有誤差因素的綜合特征參數，它包括特征值本身及一定寬度的合格限。考臺件的流量及壓力變化范圍應盡量涵蓋產品的流量及壓力范圍，也就是說，考臺件的流阻系數與產品相等或相近。

考臺件特征值應可通過更準確的測量得出，也可通過本測量過程的重復測量和分析來確定，目前所使用的是第二種方法。重復測量的一般方法是在足夠長的時間跨度內獲得的一組考臺數據，并通過QJ 1384－88《正態分布雙側允許限系數表》確定的具有上下限的控制限。一旦液流試驗系統上設置了考臺件并確定了考臺件的值和其穩定性數據后，就可通過考臺件的值和其穩定性數據來確定要控制的測量過程的統計參數。

4.2 穩定性評估方法有待進一步完善

1）缺少極差控制圖分析

在前面敘述中可知，目前所使用的控制圖法為均值控制圖。而在GB/T4091-2001《常規控制圖》中，控制圖為聯合控制圖，其中最常用的是平均值-極差控制圖。均值圖用于觀測產品質量特性均值是否處于或保持在所要求的水平；極差控制圖用于觀測產品質量特性標準差是否處于或保持在所要求的水平。通俗地說，均值圖觀測數據的位置，而極值圖觀測數據的離散程度。

舉例說明分析方法的建立過程。表1是一組考臺數據，共30個，分為10個組。

表1 考臺數據分組Tab.1 Data grouping of check-up article

表中數據平均值和極差為：

圖3給出了平均值-極差控制圖。

有了控制圖后，就可以開展控制圖分析，在GB/T4091-2001中對測量過程穩定狀態的判斷有相應的原則要求，此處不再贅述。

2）評估時間跨度大，缺乏時效性

目前試驗系統穩定性評估的周期為一年，而在日常試驗中僅進行考臺試驗，并未開展統計分析工作。如果在試驗過程中及時對考臺試驗數據進行統計處理，或通過控制圖法進行點子走勢分析，即可使測量過程實現實時統計控制。

目前已開展數據統計分析程序的開發研究，程序的核心是引用計量值控制圖中的平均值－極差控制圖方法，將實時考臺數據輸入指定數組中，可自動生成平均值控制圖及極差控制圖，并將異常數據或超出警戒限的數據自動標示出來，以實現實時監控的目的。

5 液流試驗系統測量過程控制的發展方向

對液流試驗系統開展測量過程控制有助于我們掌握試驗系統的狀態，防止其出現較大的波動，進而保證測試數據準確反映被測試產品的特性。敘述了目前在測量過程控制工作中所使用的方法及其優缺點。在今后的工作中，液流試驗系統測量過程控制將向標準化、程序化、實時監控方向發展，其必定會在液體火箭發動機液流試驗系統測量過程中發揮重要作用。

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