液體火箭發(fā)動機(jī)試驗測量系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)改進(jìn)及應(yīng)用

李秋霞 李斌 呂守國

北京航天試驗技術(shù)研究所 北京 100074

引言

液體火箭發(fā)動機(jī)試驗系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)層次復(fù)雜，試驗成本高，測量系統(tǒng)作為發(fā)動機(jī)試驗系統(tǒng)的重要組成部分，主要負(fù)責(zé)穩(wěn)態(tài)和動態(tài)數(shù)據(jù)的監(jiān)視、采集與處理工作，在發(fā)動機(jī)試驗中發(fā)揮著重要作用[1-2]。近幾年，試驗任務(wù)密度大，風(fēng)險高，試驗類型涉及多種狀態(tài)，其中低溫起動、長時間循環(huán)預(yù)冷為試驗臺新狀態(tài)試驗，增加了試驗風(fēng)險，對測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性要求也越來越高。去年，國內(nèi)某試驗臺在一次型號發(fā)動機(jī)試驗中發(fā)動機(jī)出現(xiàn)故障，程序判定執(zhí)行自動緊急關(guān)機(jī)操作，試驗臺測量系統(tǒng)開始進(jìn)行緊急恢復(fù)改造工作。

目前，火箭發(fā)動機(jī)試驗臺測量系統(tǒng)中多個環(huán)節(jié)工作內(nèi)容操作復(fù)雜、工作效率低且存在安全質(zhì)量風(fēng)險隱患。例如，壓力傳感器電源供電不具備冗余備份功能。當(dāng)試車過程中壓力供電電源發(fā)生故障無法正常供電時，沒有備份電源，存在斷電風(fēng)險。緊急關(guān)機(jī)測試工作中，涉及設(shè)備多、操作流程復(fù)雜，崗位人員加模擬信號過程中線路拔插使用非常不方便，并且存在接錯線路的隱患，嚴(yán)重影響緊急關(guān)機(jī)工作效率和可靠性。穩(wěn)態(tài)采集系統(tǒng)工控機(jī)曾彈出過錯誤提示窗口，影響試驗數(shù)據(jù)獲取，其可靠性需要進(jìn)一步提高。同時，發(fā)動機(jī)試驗對測量系統(tǒng)中供電儀器設(shè)備的穩(wěn)定性要求比較高。當(dāng)前試驗臺測量前間用電設(shè)備的供電電源位置分散，每次開關(guān)電源崗位人員操作比較煩瑣，影響工作效率，更不利于供電電源設(shè)備的統(tǒng)一管理和檢查。

根據(jù)液體火箭發(fā)動機(jī)試驗任務(wù)的要求和試驗系統(tǒng)特點，我們對試驗臺測量系統(tǒng)中存在的以上問題進(jìn)行設(shè)備改造和功能提升，解決測量系統(tǒng)中存在的質(zhì)量和安全隱患，提高測量系統(tǒng)的工作效率和可靠性。

1 發(fā)動機(jī)試驗測量系統(tǒng)

發(fā)動機(jī)試驗測量系統(tǒng)由測量前端系統(tǒng)和后端采集系統(tǒng)組成，具體結(jié)構(gòu)層次如圖1所示，主要包括穩(wěn)態(tài)參數(shù)采集系統(tǒng)、動態(tài)參數(shù)測量系統(tǒng)、低溫流量（渦輪流量、液位、密度、轉(zhuǎn)速）測量系統(tǒng)等三條并行的測量線、推力測量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)等。其中穩(wěn)態(tài)參數(shù)采集系統(tǒng)，負(fù)責(zé)對試驗全程壓力、溫度、液位、流量、轉(zhuǎn)速等參數(shù)進(jìn)行測量記錄[3]。

圖1 發(fā)動機(jī)試驗測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次

2 測量系統(tǒng)中關(guān)鍵環(huán)節(jié)改進(jìn)

2.1 壓力傳感器供電電源冗余方法

目前的供電電源以分組形式向前端壓力傳感器供電，當(dāng)前端某一個傳感器發(fā)生故障出現(xiàn)短路時，將會影響整組內(nèi)的其他傳感器供電。并且，當(dāng)試車過程中壓力供電電源發(fā)生故障無法

壓力傳感器供電電源改進(jìn)主要有兩個功能提升：

2.1.1 采用電源反饋供電模式。當(dāng)前端壓力傳感器損壞或其他原因出現(xiàn)短路造成線路電流增大時，供電電纜線路上分擔(dān)的電壓升高，出現(xiàn)壓降，造成匯流排供電電壓降低，此時供電正常供電時，沒有備份電源，存在斷電風(fēng)險。

根據(jù)前端壓力傳感器供電方式，我們考慮對電源供電模式進(jìn)行改進(jìn)，并提出壓力傳感器供電電源反饋冗余供電方法。改進(jìn)后的實物圖和壓力傳感器供電模式示意圖如圖2、圖3所示。電源反饋功能會把電纜上壓降現(xiàn)象的電壓差反饋給供電電源對其進(jìn)行補(bǔ)償，使傳感器電源供電匯流排電壓達(dá)到10V正常供電，解決了出現(xiàn)異常壓降現(xiàn)象時的壓力傳感器供電電壓下降問題。

圖2 壓力傳感器反饋冗余供電電源實物圖

圖3 壓力傳感器供電模式示意圖

2.1.2 采取冗余供電措施。當(dāng)試車過程中一臺壓力供電電源出現(xiàn)故障無法對前端傳感器正常供電時，有備份電源進(jìn)行在線熱備份，避免了壓力傳感器斷電的風(fēng)險，提高電源供電的穩(wěn)定可靠性。

2.2 緊急關(guān)機(jī)測試工作可靠性提升

自動緊急關(guān)機(jī)系統(tǒng)是發(fā)動機(jī)試驗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過集成計算機(jī)、測控技術(shù)，實時監(jiān)測發(fā)動機(jī)試驗過程中的性能參數(shù)，及時判讀異常信息，執(zhí)行緊急關(guān)機(jī)操作，避免發(fā)動機(jī)故障擴(kuò)大，保護(hù)試驗臺及試驗設(shè)備[4]。

圖4 緊急關(guān)機(jī)調(diào)試儀俯視剖面圖及信號線路示意圖

緊急關(guān)機(jī)指令判讀依據(jù)包括9個壓力測點參數(shù)（主要分布在氫泵、氧泵及推力室部位）和2個轉(zhuǎn)速參數(shù)。目前，緊急關(guān)機(jī)調(diào)試工作加模擬信號是通過崗位人員線路拔插操作，效率低且易出現(xiàn)誤操作情況。基于此問題我們考慮對線路拔插操作進(jìn)行優(yōu)化，提出解決方法：制作緊急關(guān)機(jī)調(diào)試儀，集成壓力、轉(zhuǎn)速、流量加模擬信號，通過按鈕一鍵控制。緊急關(guān)機(jī)調(diào)試儀實物圖見下圖所示。

圖5 緊急關(guān)機(jī)調(diào)試儀前側(cè)圖

圖6 緊急關(guān)機(jī)調(diào)試儀后側(cè)圖

緊急關(guān)機(jī)調(diào)試儀接入線路來自模擬信號源，進(jìn)入調(diào)試儀里面經(jīng)過端子排與調(diào)試儀前端按鈕一一對應(yīng)。調(diào)試儀輸入端的轉(zhuǎn)速與流量線路來自前端試車間，進(jìn)入調(diào)試儀里面經(jīng)過端子排接入流量計預(yù)處理儀，隨后進(jìn)入采集設(shè)備轉(zhuǎn)接柜輸入端，同時壓力、轉(zhuǎn)速與流量加模擬信號通過調(diào)試儀上的按鈕來控制。在緊急關(guān)機(jī)測試時，根據(jù)不同的緊急關(guān)機(jī)條件，只需按下緊急關(guān)機(jī)調(diào)試儀上對應(yīng)位置的按鈕，便可以實現(xiàn)模擬信號輸入，解決了崗位人員加模擬信號線路插頭拔插不方便的問題，節(jié)約時間，提高了緊急關(guān)機(jī)系統(tǒng)工作效率。同時，緊急關(guān)機(jī)調(diào)試儀的按鈕旁邊對應(yīng)有測試孔，方便電壓、頻率，以及線圈阻值的測量，優(yōu)化了操作流程。在輸出端線插頭處參數(shù)名稱與通道號有明顯黃色標(biāo)識，避免崗位人員誤操作，提高了緊急關(guān)機(jī)準(zhǔn)備工作的可靠性。

2.3 采集系統(tǒng)設(shè)備復(fù)記功能

目前試驗臺穩(wěn)態(tài)采集主系統(tǒng)設(shè)備的測量能力為244個通道（其中12個通道用于頻率信號測量，232個通道用于模擬電壓信號測量），為進(jìn)一步提高測量系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)采集系統(tǒng)的工作可靠性，決定采取冗余措施，新增一套采集設(shè)備及工控機(jī)，用于試驗參數(shù)復(fù)記，構(gòu)成主、復(fù)記采集系統(tǒng)。系統(tǒng)組成如圖7所示。

圖7 穩(wěn)態(tài)采集設(shè)備主、復(fù)記測量系統(tǒng)連接示意圖

復(fù)記采集系統(tǒng)共220個通道（其中216個通道可用于模擬電壓信號測量，4個通道可用于頻率信號測量），復(fù)記參數(shù)包括壓力、溫度、流量和轉(zhuǎn)速。通過設(shè)備采集板卡前面板的9針D型插座，將輸入主系統(tǒng)之前的傳感器數(shù)據(jù)信號引出，輸入到復(fù)記采集系統(tǒng)中。主系統(tǒng)、復(fù)記采集系統(tǒng)各自獨(dú)立工作，不會相互影響。

2.4 測量系統(tǒng)220V集中供電模式

由于試驗臺測量前間供電問題涉及測量系統(tǒng)的設(shè)施設(shè)備比較多，改造難度大，我們綜合考慮測量前間系統(tǒng)供電電源、測量用電設(shè)備、測量機(jī)柜分布等因素，最終提出集中供電模式（如圖8所示），并對其相關(guān)的設(shè)備如插排，供電電纜線槽等一起進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)后的實物圖如圖9所示。

圖8 集中供電模式示意圖

圖9 集中供電模式實物圖

測量系統(tǒng)220V集中供電模式改進(jìn)主要考慮如下幾個方面：

2.4.1 采用集中供電模式。將UPS供電電源統(tǒng)一放在加厚機(jī)柜中，電源與用電儀器設(shè)備之間通過開關(guān)集中控制，便于統(tǒng)一管理，方便崗位人員操作。同時，每路插座單獨(dú)對應(yīng)一處開關(guān)進(jìn)行獨(dú)立控制，給每個開關(guān)編號貼上黃色簽做出明顯標(biāo)識，避免誤操作，方便檢查，節(jié)約時間，提高了可靠性和工作效率。

2.4.2 集中供電模式中，將供電電纜與測量電纜分離，供電電纜使用單獨(dú)的金屬線槽，降低220V電壓工頻干擾。

2.4.3 采用集中供電模式后，各PDU增加獨(dú)立開關(guān)控制，UPS自身不斷電，提升UPS使用壽命。

3 結(jié)束語

近年來，我國航天發(fā)射進(jìn)入新的高強(qiáng)密度發(fā)射周期，發(fā)動機(jī)地面試驗任務(wù)呈現(xiàn)試驗頻次高、系統(tǒng)轉(zhuǎn)換頻繁、質(zhì)量要求高、時間節(jié)點嚴(yán)的特點，面對日益提升的航天型號精細(xì)化質(zhì)量管理要求和逐年增長的高密度發(fā)射任務(wù)，提升試驗?zāi)芰驮囼炏到y(tǒng)可靠性，是滿足高密度型號試驗任務(wù)的關(guān)鍵。上述針對國內(nèi)某試驗臺液體火箭發(fā)動機(jī)試驗測量系統(tǒng)緊急恢復(fù)改造中的多個環(huán)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)，以把握質(zhì)量第一的原則展開[5]，科學(xué)、合理的改進(jìn)方案即可以滿足試驗任務(wù)正常進(jìn)行，也可以避免人力、物力、財力的浪費(fèi)。目前，這些新方案已應(yīng)用于發(fā)動機(jī)試驗，經(jīng)過系統(tǒng)實際運(yùn)行，應(yīng)用狀態(tài)良好，提高了測量系統(tǒng)的工作效率和可靠性。