燃?xì)忾y響應(yīng)時(shí)間的光學(xué)測(cè)量方法①

武 強(qiáng)，蔡 迪，牛 祿，潘科瑋，楊 斌，陳曉龍

(1.上海理工大學(xué) 顆粒與兩相流測(cè)量研究所/上海市動(dòng)力工程多相流動(dòng)與傳熱重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200093；2.上海航天動(dòng)力技術(shù)研究所，上海 201109)

0 引言

燃?xì)忾y是飛行器姿軌控動(dòng)力系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，其啟閉動(dòng)態(tài)特性直接影響飛行器姿軌控制效果[1-3]。在姿軌控動(dòng)力系統(tǒng)中，燃?xì)獍l(fā)生器產(chǎn)生高溫燃?xì)?，通過(guò)多個(gè)燃?xì)忾y及推力控制裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)飛行器的換軌姿控[4-7]。燃?xì)忾y啟閉響應(yīng)時(shí)間是其中重要的參數(shù)之一[8-9]。目前，燃?xì)忾y啟閉響應(yīng)時(shí)間通?；趬毫?、推力等參數(shù)測(cè)量分析確定[10-12]，這些接觸式測(cè)量方法存在如下問(wèn)題：測(cè)壓通道充排氣帶來(lái)的誤差；需要開(kāi)孔安裝傳感器；只能用于單閥，集成樣機(jī)受空間位置限制；供氣管路對(duì)推力測(cè)量的干擾。因此，上述方法，已無(wú)法適應(yīng)近年來(lái)高動(dòng)態(tài)姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，給樣機(jī)的設(shè)計(jì)、驗(yàn)證與控制都帶來(lái)了難度。

本文提出利用激光照射燃?xì)忾y羽流，通過(guò)分析其透射光強(qiáng)變化情況來(lái)確定燃?xì)忾y響應(yīng)特性的光學(xué)測(cè)量方法，并基于該方法搭建固體姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)忾y單閥冷態(tài)測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)，開(kāi)展燃?xì)忾y啟閉響應(yīng)時(shí)間測(cè)量，并研究不同工作壓強(qiáng)對(duì)燃?xì)忾y響應(yīng)時(shí)間的影響。

1 測(cè)量原理與裝置

當(dāng)激光光束入射到噴管羽流時(shí)，由于顆?；蛘邭怏w折射率變化將向空間四周散射，透射光強(qiáng)將瞬時(shí)發(fā)生變化，而光強(qiáng)的變化很大程度可表征燃?xì)忾y的工作狀態(tài)，由此提出利用激光照射燃?xì)忾y羽流，通過(guò)分析其光強(qiáng)變化情況來(lái)確定燃?xì)忾y響應(yīng)特性的光學(xué)測(cè)量方法。測(cè)量原理如圖1所示，在燃?xì)忾y羽流設(shè)置激光器與光電探測(cè)器，激光入射羽流，由于顆?；驓饬髟斐傻恼凵渎首兓鹜干涔鈴?qiáng)發(fā)生改變，利用光強(qiáng)變化情況表征燃?xì)忾y羽流狀態(tài)，從而分析確定燃?xì)忾y啟閉響應(yīng)時(shí)間。這一光學(xué)測(cè)量方法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、時(shí)間響應(yīng)極快等優(yōu)勢(shì)。

圖1 測(cè)量原理示意圖Fig.1 Schematic of measurement

如圖2所示，當(dāng)燃?xì)忾y啟動(dòng)控制信號(hào)t01時(shí)刻發(fā)出，燃?xì)忾y響應(yīng)后透射光強(qiáng)發(fā)生變化，至t1時(shí)刻波動(dòng)趨于穩(wěn)定，認(rèn)為流場(chǎng)穩(wěn)定建立；燃?xì)忾y關(guān)閉控制信號(hào)t02時(shí)刻發(fā)出，燃?xì)忾y響應(yīng)，t2時(shí)刻透射光信號(hào)波動(dòng)；t3時(shí)透射光強(qiáng)趨于穩(wěn)定。因此，可根據(jù)光強(qiáng)信號(hào)分析得到燃?xì)忾y響應(yīng)時(shí)刻特征點(diǎn)：t1和t2時(shí)刻分別為燃?xì)忾y啟、閉響應(yīng)特征點(diǎn)，t3時(shí)刻為燃?xì)忾y完全關(guān)閉響應(yīng)時(shí)刻特征點(diǎn)。由此結(jié)合控制信號(hào)可確定燃?xì)忾y啟、閉響應(yīng)時(shí)間及完全關(guān)閉特征時(shí)間:

t啟=t1-t01

(1)

t閉=t2-t02

(2)

t完全關(guān)閉=t3-t02

(3)

圖2 典型數(shù)據(jù)分析Fig.2 Typical data of measurement

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與裝置

燃?xì)忾y單閥冷態(tài)測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)如圖3所示。燃?xì)忾y安裝于實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上，利用氮?dú)獬涮钋惑w，保持一定工作壓強(qiáng)，利用壓強(qiáng)傳感器測(cè)量閥體內(nèi)壓強(qiáng)，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上設(shè)置推力傳感器測(cè)量氮?dú)饨?jīng)燃?xì)忾y噴管?chē)姵霎a(chǎn)生的推力，燃?xì)忾y由電磁閥控制產(chǎn)生高頻作動(dòng)。實(shí)驗(yàn)采用的電磁閥在控制信號(hào)低電平開(kāi)啟，高電平關(guān)閉。在噴管出口處安裝光學(xué)測(cè)量裝置，激光器發(fā)出激光，經(jīng)噴管出口羽流區(qū)后由探測(cè)器接收，并利用數(shù)據(jù)采集卡采集，傳輸至計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)及處理。

圖3 測(cè)試系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of test system

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 典型數(shù)據(jù)處理與分析

利用上述燃?xì)忾y單閥冷態(tài)測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)，開(kāi)展了7.0 MPa工作壓強(qiáng)燃?xì)忾y啟閉響應(yīng)時(shí)間測(cè)量實(shí)驗(yàn)，獲得單閥冷態(tài)多次連續(xù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，其中數(shù)據(jù)采集頻率為100 kHz。以圖4所示4.38～4.56 s時(shí)間段實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為例，對(duì)透射光強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行帶通濾波處理獲得的信號(hào)進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后4.407 69 s時(shí)刻發(fā)出電磁閥開(kāi)啟控制信號(hào)，帶通濾波后的光強(qiáng)信號(hào)在一定時(shí)間后發(fā)生較為劇烈的波動(dòng)后進(jìn)入穩(wěn)定段，以進(jìn)入穩(wěn)定段的時(shí)刻4.411 54 s作為燃?xì)忾y開(kāi)啟響應(yīng)時(shí)間特征點(diǎn)，可確定該燃?xì)忾y開(kāi)啟響應(yīng)時(shí)間為3.85 ms；實(shí)驗(yàn)在4.507 69 s時(shí)刻發(fā)出燃?xì)忾y關(guān)閉控制信號(hào)，帶通濾波后的光強(qiáng)信號(hào)在4.518 82 s時(shí)刻由穩(wěn)定段發(fā)生劇烈起伏變化且信號(hào)衰減較低，以該時(shí)刻電磁閥關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間特征點(diǎn)，可確定該燃?xì)忾y關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間為11.13 ms；帶通濾波后的光強(qiáng)信號(hào)在4.527 26 s時(shí)刻轉(zhuǎn)變?yōu)轭?lèi)似燃?xì)忾y開(kāi)啟前的光強(qiáng)信號(hào)，以該時(shí)刻作為燃?xì)忾y完全關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間特征點(diǎn)，可確定該燃?xì)忾y完全關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間為19.57 ms。因此，利用帶通濾波對(duì)透射光強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行處理，可有效確定燃?xì)忾y啟閉特征點(diǎn)，從而得到燃?xì)忾y啟閉響應(yīng)時(shí)間。

3.2 連續(xù)多次重復(fù)測(cè)量結(jié)果與分析

對(duì)連續(xù)多次高頻作動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，上述特征點(diǎn)重復(fù)性較好，利用這些特征點(diǎn)的選取可有效實(shí)現(xiàn)燃?xì)忾y啟閉響應(yīng)時(shí)間測(cè)量。對(duì)單次燃?xì)忾y實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得9組電磁閥響應(yīng)時(shí)間測(cè)量結(jié)果如表1所示，可分析燃?xì)忾y啟動(dòng)響應(yīng)時(shí)間、關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間、完全關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間分別為(3.85±0.04)、(10.97±0.07)、(20.45±0.3) ms。由此可知，燃?xì)忾y響應(yīng)時(shí)間測(cè)量結(jié)果重復(fù)性較好，利用該方法及其特征點(diǎn)的選取對(duì)于燃?xì)忾y響應(yīng)時(shí)間測(cè)量有效。

圖4 典型測(cè)量信號(hào)Fig.4 Typical signal of detector

序號(hào)開(kāi)啟響應(yīng)時(shí)間關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間完全關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間13．7110．7120．8523．7010．9319．6033．8511．1319．5743．9011．2621．9853．7511．2619．3863．8211．0220．6273．8910．6619．4784．0010．8721．9294．0010．9220．65平均響應(yīng)時(shí)間3．8510．9720．45不確定度0．040．070．3

3.3 不同工作壓強(qiáng)電磁閥時(shí)間響應(yīng)測(cè)量

如圖5所示，為燃?xì)忾y在5.0、7.0 MPa兩種不同工作壓強(qiáng)的透射光強(qiáng)信號(hào)。

對(duì)比可知，當(dāng)工作壓強(qiáng)較低(5.0 MPa)時(shí)，透射光強(qiáng)的穩(wěn)定性較差；當(dāng)工作壓強(qiáng)較高(7.0 MPa)時(shí)，透射光強(qiáng)的穩(wěn)定性較好，這與羽流流動(dòng)情況吻合。因此，該光學(xué)測(cè)量方法獲得的透射光強(qiáng)信號(hào)可有效的顯示燃?xì)忾y噴管羽流的流動(dòng)情況。

雖然在壓強(qiáng)較低(5.0 MPa)時(shí)透射光強(qiáng)波動(dòng)規(guī)律與較高壓力(7.0 MPa)不同，但信號(hào)帶通濾波后仍然存在相似特征點(diǎn)，仍然可分析得到燃?xì)忾y啟閉響應(yīng)時(shí)間。兩種工作壓強(qiáng)下燃?xì)忾y啟閉響應(yīng)時(shí)間結(jié)果如表2所示，可知當(dāng)燃?xì)忾y工作壓強(qiáng)提升，燃?xì)忾y開(kāi)啟響應(yīng)時(shí)間由7.86 ms縮短至3.69 ms，關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間由7.53 ms增加至10.84 ms，完全關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間由16.97 ms增加至19.47 ms。因此，該光學(xué)測(cè)量方法能有效獲得不同工作壓強(qiáng)下燃?xì)忾y啟閉響應(yīng)時(shí)間。

(a)5.0 MPa

(b) 7.0 MPa圖5 不同工作壓強(qiáng)下響應(yīng)曲線Fig.5 Signal curves in different working pressure

壓強(qiáng)/MPa開(kāi)啟響應(yīng)時(shí)間關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間完全關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間5．07．867．5316．977．03．6910．8419．47

3.4 典型壓強(qiáng)與推力參數(shù)結(jié)果對(duì)比分析與討論

燃?xì)忾y單閥冷態(tài)測(cè)試試驗(yàn)典型壓強(qiáng)與推力變化如圖6所示，該試驗(yàn)采用電磁閥在控制信號(hào)高電平開(kāi)啟，低電平關(guān)閉。根據(jù)壓強(qiáng)與推力信號(hào)作為目標(biāo)參數(shù)分析，得到燃?xì)忭憫?yīng)時(shí)間結(jié)果如表3所示，可知以推力作為目標(biāo)參數(shù)優(yōu)于以壓強(qiáng)作為目標(biāo)參數(shù)分析，這是壓強(qiáng)傳感器測(cè)量管路帶來(lái)的壓強(qiáng)響應(yīng)延時(shí)導(dǎo)致。由于該試驗(yàn)燃?xì)忾y工作壓力為6.0 MPa，未與光學(xué)測(cè)量試驗(yàn)同步測(cè)試，燃?xì)忾y啟閉響應(yīng)時(shí)間測(cè)量無(wú)法比較，但仍然可以驗(yàn)證光學(xué)測(cè)量方法的測(cè)量有效性。應(yīng)用光學(xué)非接觸式測(cè)量方法可有效消除接觸式測(cè)量產(chǎn)生的干擾與測(cè)量偏差，這為后續(xù)發(fā)動(dòng)機(jī)集成演示試驗(yàn)提供了一種易于實(shí)現(xiàn)的測(cè)量方案。

圖6 典型壓強(qiáng)和推力參數(shù)曲線Fig.6 Typical pressure and thrust curves of gas valve

目標(biāo)參數(shù)開(kāi)啟響應(yīng)時(shí)間關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間壓強(qiáng)7．4313．82推力6．2411．31

4 結(jié)論

(1)提出的利用激光照射燃?xì)忾y羽流，通過(guò)分析其光強(qiáng)變化情況來(lái)確定燃?xì)忾y響應(yīng)特性的光學(xué)測(cè)量方法，并利用帶通濾波方式，通過(guò)選取合適的頻率閾值可有效分辨燃?xì)忾y啟閉狀態(tài)，通過(guò)燃?xì)忾y單閥冷態(tài)試驗(yàn)結(jié)果可知，該方法可有效顯示羽流的流動(dòng)情況，實(shí)現(xiàn)燃?xì)忾y啟閉響應(yīng)時(shí)間的測(cè)量，且多次測(cè)量重復(fù)性較好。

(2)相對(duì)于目前通過(guò)壓強(qiáng)、推力等參數(shù)測(cè)試確定燃?xì)忾y響應(yīng)時(shí)間來(lái)說(shuō)，提出的光學(xué)測(cè)量方法具有時(shí)間響應(yīng)快、可有效消除接觸式測(cè)量產(chǎn)生的干擾與測(cè)量偏差等優(yōu)勢(shì)，為后續(xù)發(fā)電機(jī)集成演示試驗(yàn)提供了一種易于實(shí)現(xiàn)的測(cè)量方案。

參考文獻(xiàn)：

[1] 黃堅(jiān)定.固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鈬娚渫屏ο蛄靠刂迫細(xì)忾y [J].固體火箭技術(shù),1990(3):86-93.

[2] Faget Jean-Gabriel.Composite material hot gas valve systems for interceptor guidance control[R].AIAA 99-2648.

[3] 馬紅鵬,方蜀州,湯旭,等.浮動(dòng)提升式燃?xì)忾y啟閉動(dòng)態(tài)特性研究[J].固體火箭技術(shù),2015,38(2):225-231+250.

MA Hongpeng,FANG Shuzhou,TANG Xu,et al.A research of floating poppet valve's open-closed dynamic characteristics[J].Journal of Solid Rocket Technology,2015,38(2):225-231+250.

[4] 張德雄,王照斌.動(dòng)能攔截器的固體推進(jìn)劑軌控和姿控系統(tǒng)[J].飛航導(dǎo)彈,2001(2):37-41.

[5] K W Naumann,G Tussiwand,P Caldas Pinto,et al.Green gelled propellant gas generator for high-performance divert- and attitude control systems[R].AIAA 2016-4667.

[6] 徐丹丹,寇穎,王健英,等.美國(guó)固體姿軌控推力系統(tǒng)技術(shù)研究[J].飛航導(dǎo)彈,2015(7):64-70.

[7] 萬(wàn)東,何國(guó)強(qiáng),王占利,等.針?biāo)▏姽芗夹g(shù)在固體姿軌控系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代防御技術(shù),2011,39(3):48-54.

WAN Dong，HE Guoqiang，WANG Zhanli,et al.An application study of pintle-nozzle technology for solid divert and attitude control system[J].Modern Defence Technology,2011,39(3):48-54.

[8] 常桁,張曉光,王一白,等.固體姿軌控比例推力器動(dòng)態(tài)特性研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2015,15(23):64-68.

CHANG Heng,ZHANG Xiaoguang,WANG Yibai,et al.study on dynamic characteristics of solid divert and attitude control proportional thrusters[J].Science Technology and Engineering,2015,15(23):64-68.

[9] 方蜀州,尹治武.固體姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)怆姶砰y快速驅(qū)動(dòng)電路研究[J].固體火箭技術(shù),2005,28(3):232-234.

FANG Shuzhou,YIN Zhiwu.The fast driving circuit for gas solenoid valve of solid rocket divert and attitude controlmotor[J].Journal of Solid Rocket Technology,2005,28(3):232-234.

[10] 歐陽(yáng)華兵,徐溫干.姿控發(fā)動(dòng)機(jī)推力測(cè)量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)建模與補(bǔ)償[J].航天控制,2006,24(5):78-81.

OUYANG Huabing,XU Wengan.Dynamic modeling and compensation on trust measurement system of attitude control rocket motor[J].Aerospace Control,2006,24(5):78-81.

[11] 衛(wèi)強(qiáng),郭紅杰,劉洌,等.基于PXI的液體姿軌控火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào), 2016,31(12):2979-2987.

WEI Qiang,GUO Hongjie,LIU Lie,et al.Design and implementation of PXI based test measurement and control system for attitude and orbit control liquid rocket engine[J].Journal of Aerospace Power,2016,31(12):2979-2987.

[12] 任法璞.固體姿軌控動(dòng)力系統(tǒng)推力品質(zhì)評(píng)估方法研究[D].北京:北京理工大學(xué),2016.

REN Fapu.Study on the thrust quality evaluation method of solid attitude and orbit control power system[D].Beijing:Beijing Institute of Technology,2016.