姿軌控發動機試驗多閥光學同步測試方法 ①

毛安元，王 勇，楊 斌，蔡 迪， 潘科瑋，陳曉龍，牛 祿

(1.上海理工大學顆粒與兩相流測量研究所/上海市動力工程多相流動與傳熱重點實驗室，上海 200093； 2.上海航天動力技術研究所，上海 201109)

0 引言

姿軌控發動機(Divert and Attitude Control Motor,DACM)主要用于運載火箭末級、導彈彈頭和各類航天器的姿態控制[1-4]。在姿軌控發動機中，燃氣閥通過調節燃氣發生器產生高溫燃氣的啟閉及流量來實現對飛行器的軌道與姿態控制，是飛行器高精度目標控制的關鍵，燃氣閥的啟閉動態響應特性直接影響到導彈姿態控制和軌道控制效果[5-8]。因此，有效準確獲得燃氣閥啟閉響應特性對提高控制精度具有重要意義[9-10]。

目前，姿軌控發動機燃氣閥研究主要在燃氣閥內流場分布，主要借助數值模擬來分析燃氣閥啟閉狀態下的流場分布和壓力分布[11-13]。燃氣閥的啟閉動態響應特性主要用閥門啟閉響應時間來表征，目前主要基于壓力傳感器測量燃氣閥腔體壓力或利用推力傳感器測量推力分析得到[14]。北京理工大學任法璞采用敲擊法與模態試驗法開展了推力測試臺動態性能研究，并采用雙模態阻尼補償與仿真優化的方法對推力測試臺動態性能進行改進[15]。然而這些常規接觸式測量方法需要對燃氣閥進行特殊加工或工裝實現，僅用于燃氣閥單閥性能演示與驗證，無法用于集成化的姿軌控發動機試驗。對此，武強等提出利用激光照射單個燃氣閥羽流并分析其透射光強變化情況來確定燃氣閥啟閉響應特性的光學測量方法。這種光學測量方法具有快速響應、非接觸式、對流場無干擾等優勢，使得姿軌控發動機集成試驗多閥啟閉特性同步測試成為可能[16]。

本文在此基礎上研制六通道光學測量系統，利用激光同時照射六燃氣閥羽流，開展六通道姿軌發動機燃氣閥響應特性同步測量冷態試驗，根據各燃氣閥透射光強信號波動規律獲得啟閉響應特性，可為驗證燃氣閥響應特性以及高精度控制提供實時數據支撐。

1 測量原理與裝置

如圖1所示，當一束激光經過噴管周期啟閉噴出的羽流時，因這些羽流中存在顆粒或密度變化，激光將發生周期散射或偏折，導致激光光強出現周期波動，通過分析燃氣閥啟閉控制信號與透射光強信號階躍點的關系可確定燃氣閥啟閉響應時間。

由于燃氣閥周期性啟閉會引起的透射信號波動頻率相應發生變化，因此可對該信號進行帶通濾波處理。原始透射光強信號xn，通過帶通濾波器得到帶通濾波后信號yn：

yn=hn×xn

(1)

式中hn為帶通濾波響應函數。

圖1 測量原理示意圖

由此可得如圖2所示的典型單個周期控制信號、探測光強信號隨時間變化曲線和對探測信號濾波得到的濾波曲線。

圖2 典型數據分析

燃氣閥開啟控制時刻為t1，燃氣閥關閉控制時刻為t2，根據濾波信號階躍變化特征點獲得探測器探測到氣流實際噴出引起光強波動時刻為t01，探測到無氣流引起波動時刻為t02，可認為t01和t02之間為燃氣閥開啟狀態。因此，可確定姿軌控發動機燃氣閥啟閉響應時間分別為

topen=t01-t1

(1)

tclose=t02-t2

(2)

基于上述原理搭建姿軌控發動機燃氣閥多閥響應特性同步測量冷態試驗測試系統如圖3所示。該姿軌控發動機具有6個燃氣閥，在每個燃氣閥出口處安裝測量段。測量段中，激光器與探測器對應安裝，激光器發出激光，經羽流由對應的探測器接收。燃氣閥電磁鐵作動由控制器發出的不同頻率方波信號控制。6路探測器信號及控制器同步控制信號接入數據采集系統采集記錄。

圖3 測量裝置與系統

6個燃氣閥對應6路頻率不同的控制信號，當控制信號輸入時，各個燃氣閥工作開始周期性作動，此時氮氣羽流經閥門噴出，激光器發出激光經氮氣羽流發生信號衰減，探測裝置接收發生信號衰減變化的信號并將其傳輸給采集卡和計算機完成6閥數據的采集和存儲。該實驗裝置相比單閥實驗裝置可同步探測6路不同頻率的衰減信號，同步獲得6路不同頻率下的燃氣閥啟閉動態響應特性。

2 實驗結果與分析

2.1 典型數據處理與分析

利用上述燃氣閥六通道光學測量系統測量姿軌控發動機冷態試驗多閥響應特性，同時獲得了冷態試驗過程6個燃氣閥羽流光學響應信號。典型單周期透射光強信號與相應的控制信號如圖4所示，可見透射光強信號在燃氣閥閉合狀態下波動較小，當燃氣閥開啟，噴管氣流導致光強發生較大波動；當燃氣閥關閉，透射光強信號又恢復到初始狀態，并且這一特征具有一致性和重復性。

因此，對透射光強信號進行帶通濾波，濾波后的信號有明顯的階躍點，以此為特征點，根據前述測量原理，可獲得燃氣閥啟閉響應時間。以圖4信號為例，控制信號上升沿時刻為1030.45 ms，燃氣閥接受該控制信號進行作動，氣流噴出，相應的透射光強信號發生變化，階躍點對應時刻為1035.23 ms，由此可獲得燃氣閥開啟響應時間為4.78 ms。控制信號下降沿時刻為1080.19 ms，燃氣閥接受該控制信號關閉，相應的透射光強恢復到初始狀態，階躍點對應時刻為1084.22 ms，由此可獲得燃氣閥關閉響應時間為4.03 ms。因此，通過這一測量與數據分析方法，可有效同步獲得6個燃氣閥啟閉響應時間。

圖4 典型實驗信號及其處理

2.2 單閥多頻率試驗結果分析

不同頻率控制下，燃氣閥相應的啟閉響應特性也不同。試驗時序采用7個不同頻率的控制時間序列，分別是5、20、10、5、10、20、50 Hz。取測量段1信號對應的5、10、20、50 Hz頻率透射光強信號分析，如圖5所示。

由圖5可見，當信號頻率為5、10、20 Hz時，探測信號周期變化明顯，可根據上述方法準確確定燃氣閥啟閉特征點；當控制頻率為50 Hz時，對應的透射光強信號周期變化較弱，燃氣閥接收關閉信號后透射光強無法恢復到初始狀態，由此可判斷在50 Hz控制頻率下，由于燃氣閥電磁鐵作動較快，燃氣還未完全關閉時，電磁鐵就接收到開啟信號打開燃氣閥，因此可根據透射光強信號是否恢復到原始信號來判斷燃氣閥是否完全關閉。

(a)5 Hz (b)10 Hz

(c)20 Hz (d)50 Hz

2.3 多閥多頻率試驗結果分析

試驗同步獲得了6個燃氣閥啟閉響應數據，取10 Hz控制頻率時間序列測量段1和段4的透射光強信號進行分析，如圖6所示。在該控制頻率時間序列中，測量段1和段4對應燃氣閥控制頻率均為10 Hz，但交替啟閉作動。因此，在圖6中可見，控制信號發出后，測量段1和測量段2獲得的透射光強信號成交替規律，驗證了燃氣閥在該控制時序下的啟閉效果。

表1 單閥多頻率響應特性

(a) 測量段1的10 Hz 實驗結果 (b) 測量段4的10 Hz 實驗結果

基于上述方法，對2個測量段6個周期的透射光強信號進行帶通濾波，分析燃氣閥啟閉響應特征點，從而得到相應的啟閉響應時間，如表2所示，測量段1和段4的燃氣閥啟閉動態響應時間不同。

由于啟閉響應時間是燃氣閥的固有特性，對于不同的燃氣閥，若要保證控制精度，必須對每個燃氣閥進行啟閉響應測試，在設計控制信號時，應將燃氣閥啟閉響應時間考慮，才能保證控制精度。

表2 測量段1和段4響應特性

3 結論

(1) 該試驗基于光學方法研制的用于姿軌控發動機冷態試驗測試的六通道光學非接觸式測量系統，獲得了冷態試驗過程6個燃氣閥羽流光學響應信號，通過對信號進行帶通濾波分析，可同步獲得了多個燃氣閥的啟閉響應時間，驗證燃氣閥啟閉響應規律，并且實驗測量標準誤差小于0.30 ms，可為姿軌控發動機試驗提供有效準確的快速非接觸式測量方法。

(2) 燃氣閥在5、10、20 Hz控制頻率下透射光強重復性較好，可以通過帶通濾波獲得階躍變化特征點，從而得到燃氣閥啟閉響應時間；但在50 Hz控制頻率下，由于燃氣閥電磁鐵作動較快，燃氣閥未完全閉合，因此無法獲得燃氣閥啟閉階躍變化特征點。