新一代運載火箭動力系統出廠測試數字化應用研究

2015-03-05 02:34:48航天一院天津航天長征火箭制造有限公司趙海龍毛尊富何志超

電子世界 2015年17期

航天一院天津航天長征火箭制造有限公司趙海龍徐寅毛尊富陳剛何志超

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【摘要】為了保證新一代運載火箭(CZ-5)的高可靠性，出廠測試期間要求進行動力系統測試。運載火箭出廠測試各系統均在向數字化信息化的發展，但是動力系統還是保持著傳統的操作模式。因此在動力系統出廠測試實現數字化，將會對測試任務的順利進行有很好的推動作用。本文先對出廠測試進行闡述，然后對比成熟型號動力測試的區別，突出表現了新一代運載火箭動力系統測試數字化應用的需求，最后指出了一種使用PLC作為控制器，Visual Studio作為上位機編寫從而實現了動力系統測試數字化，智能化的應用方法。

【關鍵詞】運載火箭；動力系統；數字化；PLC

引言

由于在新一代運載火箭CZ-5動力系統出廠測試所面臨著與已有成熟型號所不同的工作情況，為了實現可以更加高效的、科技含量較高的測試目的，本文提出一種基于傳統測試手段，實現動力系統測試人員能夠和其他測試系統一樣在測試后端就能夠基本完成測試內容的新型數字化測試方法。

1 出廠測試概述

新一代運載火箭CZ-5出廠測試是在火箭總裝完成后進行，被譽為總裝工作質量保證最后一道防線，目的就是驗證電氣系統箭上和地面各設備狀態的正確性；驗證電氣系統箭上和地面各設備接口是否協調、匹配；驗證電氣系統箭上、地面軟件正確性；考核全箭電氣系統測試流程和地面數據處理程序的正確性，具體流程如圖1所示。新一代運載火箭CZ-5出廠測試是由控制系統、測量系統、動力系統和總體網系統等組成，動力系統測試是運載火箭出廠測試中重要組成部分，為了保證運載火箭在飛行期間能夠保證安全的動力輸出，它分為單元測試、分系統測試、匹配測試、總檢查等內容對箭體各項技術參數進行測試。以下已CZ-5芯一級動力試車箭為例對各個測試內容進行說明。

單元測試主要完成對重要部段以及重點設備的測試。比如YF-77發動機單元測試、蓄壓器單元測試等。

分系統測試及氣封吹除引射測試在動力系統測試中占有很大比重，主要對艙段吹除、氦引射、氮氣氣封、氦氣氣封、氫加管吹除、氫排管吹除、氧加管吹除以及氧箱排氣閥、液氧加泄閥、液氧回流控制閥、氫箱排氣閥、液氫加泄閥、液氫回流控制閥控制氣氣封的供氣壓力、流量，以及單向閥工作情況進行檢查測試。

動力系統匹配測試主要完成動力系統時序單步測試和氫箱自生增壓匹配測試。動力系統時序單步測試主要檢查控制系統、動力測控系統對增壓輸送系統、YF-77發動機的電磁閥的控制通路、時序，考核動力系統控制電磁閥與被控閥門的匹配性。芯一級氫箱采用三路壓力傳感器通過控制系統附加控制器控制并聯冗余的電磁閥進行增壓控制，氫箱自生增壓匹配測試主要包括不帶氣下的模擬增壓壓力測試，以及帶氣下的動力-控制-測量匹配測試。在動力系統帶氣狀態下氫箱自生增壓匹配測試主要進行控制系統附加控制器與測量系統壓力信號傳輸、信號處理和增壓電磁閥控制邏輯的檢測。氫箱自生增壓匹配測試過程的模擬壓力如圖2所示。

圖1　出廠測試流程

圖2　芯一級氫箱自生增壓測試壓力（模擬）

2 新型號與成熟型號動力系統出廠測試對比

2.1 成熟型號動力系統出廠測試現狀

我國航天運載技術經過五十多年的發展，先后成功研制了長征一號、長征二號、長征三號、長征四號等系列運載火箭。成熟型號運載火箭如：長三系列、長二系列由于都是成熟的型號具體參數如表1所示，無論從總裝還是測試基本上能夠熟練完成，動力系統測試內容在總裝期間也基本完成，未完成的測試項目在測試期間也是很少的。比如長三甲三級需要進行發動機單元測試、常溫氦氣瓶增壓、冷氦氣瓶增壓等所需人員和使用工時如表2所示。所以現役成熟型號動力系統在使用較少人員應用傳統操作模式下能夠高效的滿足測試任務。

表1　CZ-3和CZ-2系列成熟火箭參數

表2　CZ-3A芯三級測試所需人員和工時

2.2 新型號動力系統出廠測試現狀

CZ-5是我國新一代大型運載火箭，基于50t液氫/液氧發動機，主體芯級火箭采用5m直徑模塊，助推器采用3.35m直徑模塊和2.25m直徑模塊。其現有型號參數如表3所示。

表3　CZ-5系列火箭主要參數

從以上運載火箭參數可以看出，新一代運載火箭從芯級箭體半徑到助推箭體半徑都遠遠大于現有火箭，因此在動力系統出廠測試期間就需要使用更長、更多的地面管路為測試項目提供氣源，并且在測試期間控制系統和測量系統上電測試時會有微波輻射，但是動力系統測試人員卻要在離輻射源很近的地方操作，這樣就為測試任務帶來了更多的硬件上的限制和不安全因素，為了使動力系統出廠測試不會成為所有測試系統中工作量龐大但是效率不高的測試系統，需要對現有測試方式進行向數字化、信息化、智能化轉變。

3 動力系統數字化應用方法

3.1 總體結構

為了在出廠測試使用的配氣臺能夠遠程控制，并且能夠在電腦顯示器上實時監測動力系統出廠測試的各個傳感器所對應的數據，因此對現有手動配氣臺進行技術改進。該套數字化改進設備由硬件結構以及上位機軟件兩部分組成，上位機軟件通過TCP/IP協議與控制單元以及外系統聯系，具體結構如圖3所示。

圖3　數字化設備總體結構

3.2 硬件結構

硬件結構中利用已有的配氣臺進行改造作為我們這套數字化設備的配氣臺。將各路管路上并聯加入開關兩路控制電磁閥已取代手動開關手閥，保證打開關閉的準確性，同時為了消除電磁閥產生的反向電壓使用電路如圖4所示。

圖4　電磁閥消反峰電路

控制單元作為該套設備的核心結構，主要包括控制模塊、電源模塊、數據采集、數據存儲、數據傳輸以及傳感器等組成，如圖5所示。控制模塊使用工業西門子PLC控制繼電器，使用自身的CPU完成程序存儲和數據處理；數據采集使用美國NI公司PXI多通道數據采集板卡；數據傳輸產用以太網或光纖傳輸；傳感器位于配氣臺各個管路中和箭體上，通過數采模塊將數據輸送到PLC控制器中；電源模塊為各個模塊提供電源33V和28V可調電壓。