液體火箭發(fā)動機(jī)液流試驗系統(tǒng)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(fā)動機(jī)液流試驗中，測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性關(guān)系到對被測產(chǎn)品的性能評價。不準(zhǔn)確的試驗數(shù)據(jù)，近之影響設(shè)計方案的確定，遠(yuǎn)之關(guān)系到發(fā)射任務(wù)的成敗?？梢哉f測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)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(jìn)行監(jiān)控，以保證測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

1 液流試驗系統(tǒng)測量過程驗證方法

一套典型泵壓液流試驗系統(tǒng)一般由泵源、管路、流量調(diào)節(jié)元件、壓力、流量測量儀表以及系統(tǒng)控制等設(shè)備組成。被測試產(chǎn)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(chǎn)品的壓降或流量。試驗中所使用的測量儀表都是經(jīng)過計量單位檢定并具有相應(yīng)的準(zhǔn)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(tǒng)的狀態(tài)是否滿足要求？儀器儀表會不會有超差現(xiàn)象？將測量設(shè)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(biāo)準(zhǔn)的重復(fù)測量。核查標(biāo)準(zhǔn)在GB/T19022-2003（對應(yīng)的ISO標(biāo)準(zhǔn)為：ISO10012-2：2003）中定義為：為了對某個測量過程進(jìn)行控制，通過測量來收集數(shù)據(jù)所使用的測量設(shè)備、產(chǎn)品或其他物體。在液體火箭發(fā)動機(jī)液流試驗領(lǐng)域核查標(biāo)準(zhǔn)的建立有以下兩種途徑：a.通過設(shè)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(tǒng)是否符合預(yù)期要求的試驗樣件或測量設(shè)備。

核查標(biāo)準(zhǔn)一旦確立，就應(yīng)該制定相應(yīng)的測量過程驗證方法。依據(jù)核查標(biāo)準(zhǔn)的不同，測量過程驗證方法又可分為考臺件考核法及系統(tǒng)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(shù)并具有相應(yīng)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(jìn)行比對，并將單次考臺值是否落在合格限范圍內(nèi)作為系統(tǒng)是否穩(wěn)定的判據(jù)。

1.2 系統(tǒng)核查法

系統(tǒng)核查法是針對未設(shè)考臺件或臨時組建的試驗系統(tǒng)所應(yīng)用的一種驗證方法，系統(tǒng)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(yīng)用于小流量系統(tǒng)（流量一般小于0.5 kg/s）和臨時組建的試驗系統(tǒng)中。小流量系統(tǒng)使用稱重法對流量計進(jìn)行核查。稱重法是在穩(wěn)定流量下，通過高精度的電子稱稱得流經(jīng)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(jìn)行比對，要求差值的絕對值應(yīng)小于流量計的滿量程誤差。對于臨時組建的試驗系統(tǒng)可以通過串聯(lián)一臺流量計的方法進(jìn)行流量核查。兩流量計實測值差值的絕對值應(yīng)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(yīng)不低于被核查流量計的精度，而量程也應(yīng)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(jìn)行比對，要求壓力之差應(yīng)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(yīng)不低于被核查壓力儀表精度，而量程也應(yīng)不大于被核查壓力儀表的量程范圍。

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

對比考臺件考核法和系統(tǒng)核查法，前一種方法優(yōu)于后一種方法，這是因為考臺數(shù)值的波動是對壓力、流量以及系統(tǒng)管路等因素變動的綜合反映，考臺件考核法能夠?qū)φ麄€試驗系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行驗證。

2 液流試驗系統(tǒng)測量過程控制方法

測量的控制可以從簡單的工藝規(guī)程、數(shù)據(jù)記錄表格等到復(fù)雜的統(tǒng)計控制。統(tǒng)計控制是測量過程的高級別控制，也是目前最先進(jìn)的控制方法。測量過程控制的先驅(qū)休哈特先生就說過：“如果測量工作沒有調(diào)整到統(tǒng)計規(guī)律狀態(tài)，則在邏輯上就完全不能被認(rèn)為是在做某種測量”。

目前，在液體火箭發(fā)動機(jī)液試系統(tǒng)測試控制方面所應(yīng)用的方法是對系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性評估。系統(tǒng)的穩(wěn)定性評估是指對考臺件的考臺值或測量儀表的系數(shù)通過數(shù)理統(tǒng)計的方法來判斷測量過程是否處于隨機(jī)統(tǒng)計控制狀態(tài)，是否出現(xiàn)了粗大的或系統(tǒng)的變異干擾。穩(wěn)定性評估的目的是根據(jù)評估分析結(jié)論，發(fā)現(xiàn)試驗系統(tǒng)有關(guān)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(tǒng)保持正常的工作狀態(tài)。開展評估還應(yīng)具備以下條件：a.試驗系統(tǒng)技術(shù)狀態(tài)應(yīng)一致；b.考臺件的技術(shù)狀態(tài)應(yīng)一致；c.以考臺件的試驗數(shù)據(jù)作為評估依據(jù)；d.觀察值為獨立隨機(jī)樣本。

3 液流試驗系統(tǒng)穩(wěn)定性評估方法

目前采用周期為一年的穩(wěn)定性評估來判定試驗系統(tǒng)的穩(wěn)定性。一旦確定系統(tǒng)穩(wěn)定后，就可對以后一年內(nèi)系統(tǒng)的穩(wěn)定性做出評定。穩(wěn)定性評估方法依據(jù)程序文件和院標(biāo)中的要求進(jìn)行，具體評估方法采用控制圖評估法或統(tǒng)計檢驗法，目前對液流試驗使用控制圖評估方法進(jìn)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(nèi)考臺值的均值作為子樣做圖，采用GB/T19022-2003標(biāo)準(zhǔn)中相應(yīng)判定法則判斷測量過程是否處于統(tǒng)計控制狀態(tài)；b.對本年度內(nèi)考臺值的月均值進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計，通過計算得到月均值的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，取置信水平γ＝0.8，雙側(cè)概率（置信概率）P1=P2=0.05，確定雙側(cè)容許限后制做控制圖，以反映考臺件年度內(nèi)的波動趨勢。

從以后的發(fā)展趨勢看，控制圖法越來越被廣泛地認(rèn)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(tǒng)計控制狀態(tài)。

4 目前存在的問題

4.1 缺少考臺件的設(shè)計規(guī)范要求

考臺件作為核查標(biāo)準(zhǔn)要解決兩個問題：a.通過測量核查標(biāo)準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)測量過程中的變異情況，建立信息反饋系統(tǒng)；b.通過重復(fù)測量核查標(biāo)準(zhǔn)找出測量過程本身固有的統(tǒng)計特性參數(shù)?？寂_件作為一種敏感元件，其制作、使用及其維護(hù)保養(yǎng)均應(yīng)該遵循相應(yīng)的規(guī)范要求。但是由于測試過程的復(fù)雜性和產(chǎn)品的多樣性，給編制設(shè)計規(guī)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(chǎn)品兩種。是否需要自制取決于產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特性、外形尺寸及材質(zhì)。如推力室等具有復(fù)雜型面大尺寸產(chǎn)品液流試驗，就必須自制考臺件；而如節(jié)流圈、鋼制汽蝕管等小尺寸產(chǎn)品，就完全可以移作考臺件使用。

2）考臺件的結(jié)構(gòu)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(shù)值上。雙孔板節(jié)流件具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定等特點，目前大部分考臺件采用此種設(shè)計結(jié)構(gòu)，圖1給出了結(jié)構(gòu)簡圖?？寂_件設(shè)計成雙孔板結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)簡圖見圖2。汽蝕管考臺件的優(yōu)點在于高的穩(wěn)定性。

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

考臺件在設(shè)計時應(yīng)盡量避免焊接結(jié)構(gòu)，以降低材料內(nèi)應(yīng)力。除此之外，孔板應(yīng)具有足夠的強度及剛度以抵抗試驗介質(zhì)所帶來的應(yīng)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(shù)，它包括特征值本身及一定寬度的合格限?？寂_件的流量及壓力變化范圍應(yīng)盡量涵蓋產(chǎn)品的流量及壓力范圍，也就是說，考臺件的流阻系數(shù)與產(chǎn)品相等或相近。

考臺件特征值應(yīng)可通過更準(zhǔn)確的測量得出，也可通過本測量過程的重復(fù)測量和分析來確定，目前所使用的是第二種方法。重復(fù)測量的一般方法是在足夠長的時間跨度內(nèi)獲得的一組考臺數(shù)據(jù)，并通過QJ 1384－88《正態(tài)分布雙側(cè)允許限系數(shù)表》確定的具有上下限的控制限。一旦液流試驗系統(tǒng)上設(shè)置了考臺件并確定了考臺件的值和其穩(wěn)定性數(shù)據(jù)后，就可通過考臺件的值和其穩(wěn)定性數(shù)據(jù)來確定要控制的測量過程的統(tǒng)計參數(shù)。

4.2 穩(wěn)定性評估方法有待進(jìn)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(guī)控制圖》中，控制圖為聯(lián)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(chǎn)品質(zhì)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(chǎn)品質(zhì)量特性標(biāo)準(zhǔn)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(shù)據(jù)的位置，而極值圖觀測數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，共30個，分為10個組。

表1 考臺數(shù)據(jù)分組Tab.1 Data grouping of check-up article

表中數(shù)據(jù)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(wěn)定狀態(tài)的判斷有相應(yīng)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(tǒng)穩(wěn)定性評估的周期為一年，而在日常試驗中僅進(jìn)行考臺試驗，并未開展統(tǒng)計分析工作。如果在試驗過程中及時對考臺試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計處理，或通過控制圖法進(jìn)行點子走勢分析，即可使測量過程實現(xiàn)實時統(tǒng)計控制。

目前已開展數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析程序的開發(fā)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(shù)據(jù)輸入指定數(shù)組中，可自動生成平均值控制圖及極差控制圖，并將異常數(shù)據(jù)或超出警戒限的數(shù)據(jù)自動標(biāo)示出來，以實現(xiàn)實時監(jiān)控的目的。

5 液流試驗系統(tǒng)測量過程控制的發(fā)展方向

對液流試驗系統(tǒng)開展測量過程控制有助于我們掌握試驗系統(tǒng)的狀態(tài)，防止其出現(xiàn)較大的波動，進(jìn)而保證測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確反映被測試產(chǎn)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(yōu)缺點。在今后的工作中，液流試驗系統(tǒng)測量過程控制將向標(biāo)準(zhǔn)化、程序化、實時監(jiān)控方向發(fā)展，其必定會在液體火箭發(fā)動機(jī)液流試驗系統(tǒng)測量過程中發(fā)揮重要作用。

[1]董雙財.測量系統(tǒng)分析-理論、方法和應(yīng)用[M].北京:中國計量出版社,2006.

[2]上海市計量測試技術(shù)研究院.常用測量不確定度評定方法及應(yīng)用實例[M].北京:中國計量出版社,2000.

[3]李為柱.2000版ISO9000族標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計技術(shù)應(yīng)用教程[M].北京:企業(yè)管理出版社,2001.

[4]李宗揚.計量技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:原子能出版社,2002.

[5]孫淮清.流量測量節(jié)流裝置設(shè)計手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.

[6]倪育才.實用測量不確定度評定[M].北京:中國計量出版社,2010.

[7]蔡武昌.流量測量方法和儀表的選用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2001.

[8]于善奇.應(yīng)用統(tǒng)計技術(shù)[M].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,1999.

[9]耿文忠.新型液體火箭發(fā)動機(jī)試車臺起動試驗系統(tǒng)方案設(shè)計[J].火箭推進(jìn),2008,34(3):53-57.

[10]黃強,吳建軍,劉洪剛,等.液體火箭發(fā)動機(jī)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實時故障檢測算法實現(xiàn) [J].國防科學(xué)技術(shù)大學(xué),2007,(5):14-17.