霍爾電推進長壽命試驗臺測控系統研制

邱 剛，康小錄，喬彩霞，馮 彥

（1.上海空間推進研究所，上海200233；2.上海凱勝信息技術有限公司，上海200165）

0 引言

由于電推進系統具有高比沖、小推力、長壽命及能重復啟動等優點，在航天器姿態控制、軌道轉移和保持以及星際航行主推進等領域獲得了廣泛的應用。霍爾電推進系統以其較高的效率、對大多數推進任務具有幾乎最佳的比沖以及較高的可靠性等優勢在國外多顆商業和科學試驗衛星上使用。霍爾推力器自1971年12月首次飛行應用以來，已有200多臺被成功應用于各種航天器上，應用航天器數目超過50個。國內對霍爾電推進技術的研究起步相對較晚，在“九五”中期國家高科技和國防預研計劃的支持下，上海空間推進研究所開始霍爾電推進技術的研究與開發，目前已研制出20 mN，40 mN和80 mN霍爾推力器。

圖1 試驗臺組成示意圖Fig.1 Schematic diagram of test bed composition

盡管霍爾電推進系統具備高比沖的優點，但是與化學推進系統相比其推力較小，執行相同總沖的任務霍爾電推進系統比化學推進系統需要更長的工作時間，通常需要數千至上萬小時。因此，對霍爾電推進系統的可靠性和長壽命提出了更高的要求。為保證電推進系統空間應用的可靠性，每個型號推力器研制成功后均要在地面開展推力器的1:1壽命驗證和鑒定試驗。在國內，霍爾電推進系統作為一種新型空間推進系統，其大部分組件包括推力器、推進工質輸送與微流量控制系統、功率處理單元（PPU）等都是新研制的產品，沒有先期飛行歷史和工作經驗，因此急需要構建一套霍爾電推進長壽命試驗平臺為研制過程中的各種性能試驗特別是長壽命試驗提供基礎支撐。由于該試驗平臺涉及到機械控制、流體控制、配電、實驗數據采集及實驗平臺故障報警等操作，因此有必要研制專用的測控系統，以滿足試驗平臺的自動測控要求，同時提高試驗效率，減輕試驗人員的工作強度。

本文對霍爾電推進長壽命試驗臺測控系統的技術指標要求、測控系統硬件設計和軟件設計等方面進行了論述，最后通過試驗測試驗證了測控系統的性能。

1 長壽命試驗臺對測控系統的要求

1.1 霍爾電推進長壽命試驗臺的組成

霍爾電推進長壽命試驗臺主要包括真空試驗艙系統、低溫泵系統、粗抽和預抽機組、循環水冷卻制冷系統、電源供應系統、推力器工質供應系統、推力器微小推力測量系統和試驗臺測控系統等8大部分。試驗臺組成示意圖見圖1。

真空試驗艙系統由主艙、輔艙和真空插板閥等組成，用于提供高真空試驗環境，真空度可達10-5Pa數量級。輔艙用于安裝霍爾推力器微小推力測量架和推力器試驗件。真空插板閥安裝于主艙和輔艙之間，可以在真空試驗艙真空狀態下將主艙和輔艙隔離，方便輔艙開啟更換試驗件或其他部件，關閉輔艙后只需對輔艙進行抽真空而不必重新對整個艙體抽真空。

低溫泵作為主抽氣泵使真空艙持續保持符合要求的真空度。粗抽和預抽機組主要用于真空艙的初次抽真空，從約105Pa抽空至10-3Pa。循環水冷卻制冷系統為低溫泵和真空試驗艙系統提供符合需求的冷卻水，并同低溫泵系統和真空試驗艙系統進行冷熱水交換。霍爾推力器電源供應系統為推力器工作提供所需要的電源；工質供應系統為推力器工作提供工質氣體氙氣；微小推力測量系統測量推力器點火工作時的推力大小。霍爾電推進長壽命試驗臺測控系統主要由工控機、信號轉換隔離箱和測控儀表等組成，完成對推力器電源供應系統、工質供應系統的測控及推力器微小推力測量系統和真空度測量系統的數據采集，同時監控低溫泵系統狀態和真空試驗艙系統狀態。

1.2 測控系統主要技術要求

1.2.1 設備控制要求

工質流量控制器通過模擬接口進行控制，電源供應系統的所有電源均通過數字接口進行控制，需要控制的參量如表1所示。

表1 測控系統控制的參量Tab.1 Parameters controlled by measurement and control system

1.2.2 設備數據采集要求

電源供應系統和監控系統的設備通過數字接口進行數據采集，對工質供應系統、微小推力測量系統、真空度測量系統和低溫泵系統的設備通過模擬接口進行數據采集。測控系統需要采集的信號量如表2所示。

1.2.3 系統綜合測控精度要求

系統數據采樣頻率1 kHz，采樣精度16位；工質供應系統綜合測控精度±2%；電源供應系統綜合測控精度±2%；真空度測量系統綜合測量精度±2%；微小推力測量系統綜合測量精度±2%；低溫吸附泵溫度測量綜合精度0.1%。

表2 測控系統采集的參量Tab.2 Parameters collected by measurement and control system

2 長壽命試驗臺測控系統設計

2.1 測控系統的硬件設計

霍爾電推進長壽命試驗臺測控系統硬件采用外購的基于PCI總線的多通道數據采集卡和模擬量輸出控制卡，通過信號轉換隔離后完成對電源系統、工質供應系統、真空度測量系統、微小推力測量系統和低溫泵系統等的數據采集處理、試驗狀態監控以及試驗臺的一體化智能控制。霍爾電推進長壽命試驗臺測控系統原理框圖見圖2。

2.1.1 數據采集卡

測控系統選用凌華科技基于PCI總線的DAQ 2205 DAQ數據采集卡，該卡具有64路單端或者32路差動模擬量輸入通道，可實現最大程度降噪，輸入通道允許單端與差動混合組成。16位AD分辨率采樣，最高采樣頻率500 kHz。1K A/D采樣FIFO，2通道12位多路切換模擬輸出，24通道可編程數字I/O線及2通道16位通用定時器/計數器，通過SSI總線實現多卡同步。自動校準功能可把增益即偏移量調至指定精度范圍。

2.1.2 模擬量控制輸出卡

測控系統模擬控制量輸出卡選用研華科技基于PCI總線的PCI 1721卡，該卡具有12位4路增強型模擬量輸出，每個模擬量輸出通道都帶有一個12位的雙緩沖器DAC，最大更新速率為10 MHz的波形輸出功能，可連續高速模擬量輸出或者實時波形輸出。

圖2 試驗臺測控系統原理框圖Fig.2 Block diagram for measurement and control system of test bed

2.1.3 信號隔離轉換

測控系統信號轉換隔離箱主要包含：①RS-485轉RS-232C轉換模塊，實現工控機對霍爾推力器電源供應系統的串行通訊；②有源磁隔離柵，實現對模擬輸出的控制信號進行隔離和對模擬信號采集進行隔離。

2.1.4 電源系統

電源系統包括陽極電源、陰極加熱電源和點火電源，均為Chroma 6200P系列可程控直流電源。該系列電源可在額定輸出功率范圍內設定恒壓（CV） /恒流（CC） 模式，并具有輸出精度高，響應速度快等優點。同時Chroma 6200P系列電源具備16位高分辨率的輸出電壓和電流值的采樣回讀功能，并配置有RS-232控制接口，具有的I/O口可提供8位TTLs、DC-ON、保護輸出信號和遠程抑制保護功能以及系統時序量測的輸出觸發信號，完全能夠滿足系統對電源的技術指標要求。

2.1.5 工質供應系統

工質供應系統分為推進劑貯供系統和微流量控制系統兩部分。推進劑貯供系統用于貯存推進劑，微流量控制系統用于精確控制推進劑的供給量。微流量控制系統中氣體質量流量控制器為七星華創D07-7C型，流量顯示儀選用D07-7C配套使用的D08-1F型。D07-7C型氣體質量流量控制器綜合精度為±1.5%，響應時間≤4 s，工作壓差為 0.1～0.5 MPa，泄漏率＜1×10-8sccs（He）。

2.1.6 真空度測量系統

試驗臺真空艙真空度的測量選用成都睿寶電子公司生產的ZDF-5227復合真空計。該系列真空計能夠滿足寬范圍真空測量的需要，其中低真空部分用熱偶規，高真空部分用電離規。在連續測量過程中，高真空部分可由低真空部分自動啟動。ZDF-5227復合真空計具體技術指標如下：

測量范圍 1×105～1×10-5Pa；

有效范圍 3×103～1×10-5Pa；

測量路數 2路，1路ZJ-52T低真空規管和1路ZJ-27高真空規管安裝在同一個測量點；

控制路數 4路；

控制精度 ±1%；

響應時間 ＜1 s；

模擬輸出 0～5 V。

2.1.7 微小推力測量系統

微小推力測量系統由推力測量架和信號調理測控箱組成，推力測量架采用單擺法測量推力器的平均推力，原理示意圖如圖3所示。信號調理測控箱實時輸出0～1 V正比例于霍爾推力器推力的直流電壓模擬信號，其綜合測量精度為±2%。

圖3 推力測量架原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of thrust measuring device

2.1.8 低溫泵系統

低溫泵系統由6臺直徑為1 250 mm的瑞士HSR低溫吸附泵和18臺Sumitomo公司的F-70壓縮機構成。每臺低溫吸附泵配備2支溫度傳感器和1臺Elseco 1拖2隔離變送器，將傳感器輸出的0～5 V正比于低溫泵溫度的直流電壓信號轉換成4～20 mA電流信號給溫度數字顯示儀。低溫泵系統溫度綜合測量精度為0.1%。測控系統利用采集隔離變送器輸出的4～20 mA電流信號來測量低溫泵的溫度。

2.2 測控系統軟件設計

霍爾電推進系統試驗有3種模式：①陰極激活模式用于在推力器初次點火前對陰極進行除氣和氧化層剔除；②性能試驗通過單步程序控制方式對試驗單項進行試驗；③壽命試驗通過自動控制程序進行循環壽命試驗。

2.2.1 測控系統軟件架構

測控系統軟件程序采用Delphi7+SQL面向對象的程序設計方法。面向對象 (Object Oriented)是當前計算機軟件開發的主要手段，其特點是對象的唯一性、分類性、繼承性和多態性。

根據面向對象的設計原則以及本測控軟件的任務特點需求，采用了多線程的程序運行模式進行程序設計，并將程序分為3個模塊：①通訊服務模塊；②流程控制模塊；③數據存儲模塊。3個模塊相互獨立運行，通過主程序交換數據。

通訊服務模塊分為5個子模塊：①電源模塊；②工質流量模塊；③推力模塊；④低溫泵模塊；⑤真空度模塊。每個子模塊都被封裝在一個獨立的線程內，按照特定的時間頻率（這個時間頻率可以是固定的，也可以根據實驗任務的具體要求由實驗操作者靈活設定）和測控時序要求運行。

流程控制模塊分為3個子模塊：①陰極激活模塊；②性能試驗模塊；③壽命試驗模塊。每個模塊都被封裝在不同的線程中，與電源模塊等子模塊的工作模式相同。

數據存儲模塊是專門為數據庫定制的數據接口模塊，通過數據存儲模塊可以將數據存儲到數據庫和從數據庫中提取所需的數據。測控系統軟件架構圖如圖4所示。

圖4 測控系統軟件架構圖Fig.4 Architecture diagram of measurement and control system

2.2.2 試驗故障保護

在霍爾電推進系統試驗過程中，測控軟件對系統試驗過程中的關鍵狀態進行監控，如果發現故障狀態，測控軟件將對故障進行處理：首先啟動聲光報警器進行報警，然后關閉所有電源和工質流量供應，將故障現象記入工作過程日志并停止控制程序，但是數據庫中的數據記錄延續30 s后再停止以便于對故障問題進行后續分析。其中故障狀態包括：①霍爾推力器點火成功時間超過設置的閾值；②陽極電流持續超過最大值；③低溫泵溫度持續超過最大值；④真空度持續超過保護值。

2.2.3 數據庫

本測控系統數據庫采用MS SQL Server 2000開發。MS SQL Server 2000是微軟公司推出的一套在Windows平臺上執行的數據庫管理系統，其作為應用程序的數據來源存放各種數據，并可以讓用戶很容易地達成所要進行的數據存取操作，同時它也提供了一些可視化的管理工具，協助數據庫系統管理者更方便快速地管理及設計數據庫的內容，以及對數據庫進行維護。本測控系統數據庫中數據庫記錄文件分為霍爾推力器性能參數記錄數據表、參數設置文件表和工作日志記錄表3種。

圖5 測控系統主界面Fig.5 Main interface of measurement and control system

2.2.4 測控系統軟件界面

測控系統軟件應用主界面如圖5所示。測控系統主界面包含4個功能區：①推力器性能數據顯示區通過實時動態曲線直觀地顯示霍爾電推進系統中電源供應系統的電流、電壓值，工質供應系統工質流量值以及霍爾推力器推力大小等參數；②真空系統狀態顯示區實時動態顯示真空系統中壓縮機狀態、冷卻水溫度和低溫泵溫度等參數；③霍爾推力器工作圖像實時顯示區實時動態地顯示工作時的羽流情況；④數據統計區主要包括霍爾推力器單次試驗相關時序點時間的紀錄，一定工作時間內霍爾推力器試驗循環相關數據累積紀錄，霍爾推力器試驗相關數據匯總統計和霍爾推力器試驗歷史數據查詢。

3 長壽命試驗臺測控系統性能驗證試驗

為了驗證本測控系統的測控精度，在實際工況下選取了部分具有代表性的測試點對測控系統的技術性能進行了驗證性測試，并在40 mN霍爾電推力器長壽命試驗中進行了150 h運行測試。鑒于測控系統的綜合測控精度主要受系統中需要閉環控制設備的影響，本文只列出了電源供應系統和工質供應系統的部分試驗驗證數據。電源供應系統試驗測試數據如表3所示，工質供應系統試驗數據如表4所示。驗證試驗表明，本測控系統穩定可靠，綜合測控精度完全滿足霍爾電推進長壽命試驗臺的測控技術要求。

表3 電源供應系統試驗測試數據Tab.3 Verified data in test of power supply system

表4 工質供應系統試驗數據Tab.4 Verified data in test of fluid supply system

4 結論

針對霍爾電推進長壽命試驗平臺的實際任務需求，提出并詳細論述了基于PC+DAQ2205+PCI1721的測控系統硬件設計和基于Delphi7+SQL的測控系統軟件設計，最后通過試驗測試表明，本測控系統設計合理，完全滿足霍爾電推進長壽命試驗平臺對測控系統精度、可靠性和人機交互友好性等方面的要求，可為霍爾電推進長壽命試驗提供自動化和智能化的測控支撐，并可極大地減輕試驗過程中試驗人員的工作強度。

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