基于超聲回波的推進(jìn)劑動(dòng)態(tài)燃速測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄭永秋，張瀚升，張成飛，杜春暉，張文棟

(1.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；2.內(nèi)蒙航天動(dòng)力機(jī)械測(cè)試所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010076；3.中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

0 引 言

推進(jìn)劑燃速是固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)主要的內(nèi)彈道參數(shù)，直接影響飛行器的彈道性能、飛行速度和工作穩(wěn)定性，是衡量推進(jìn)劑性能的重要技術(shù)指標(biāo).精確獲取固體推進(jìn)劑動(dòng)態(tài)燃速對(duì)推進(jìn)劑配方的改良設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值[1].

目前，固體推進(jìn)劑燃速測(cè)試方法主要采用密閉燃燒器方法，根據(jù)推進(jìn)劑的厚度和燃燒時(shí)間求得平均燃燒速度，這種方法不能給出推進(jìn)劑各個(gè)瞬態(tài)下的燃燒速度，由于推進(jìn)劑在不同時(shí)刻的燃燒情況不相同，以平均燃燒速度為依據(jù)而進(jìn)行的推進(jìn)劑設(shè)計(jì)和工藝改良，降低了發(fā)動(dòng)機(jī)彈道預(yù)示精度和發(fā)射性能[2-3].

超聲回波測(cè)試法具有使用方便、實(shí)時(shí)性好、分辨率高、測(cè)試效率高的特點(diǎn)，在不破壞發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的條件下可以測(cè)量特定位置的燃速[4-6].美國(guó)阿拉巴馬大學(xué)采用超聲波法對(duì)厚度為1.016 cm的推進(jìn)劑進(jìn)行燃燒速率測(cè)試，優(yōu)化設(shè)計(jì)了互相關(guān)算法，提升了燃面回波信號(hào)辨識(shí)的準(zhǔn)確度[7].日本航空航天局采用一發(fā)多收的超聲換能器安裝方式，獲取到了固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑靜態(tài)點(diǎn)火試驗(yàn)的瞬態(tài)燃速[8].在國(guó)內(nèi)，大連理工大學(xué)的孫德川研究小組針對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)超聲波燃速測(cè)量，實(shí)測(cè)了發(fā)動(dòng)機(jī)材料的聲學(xué)特性和發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥在常壓燃燒時(shí)的超聲回波信號(hào)，并提出了相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理方法[9].目前，國(guó)內(nèi)在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃速測(cè)量方面缺少實(shí)際點(diǎn)火燃燒環(huán)境下的測(cè)試技術(shù)，采用常壓下的測(cè)量或是燃速的平均值，均難以評(píng)估推進(jìn)劑燃速隨內(nèi)建壓強(qiáng)變化時(shí)的動(dòng)態(tài)情況.因此，開展推進(jìn)劑動(dòng)態(tài)燃速測(cè)量技術(shù)研究具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值.

本文針對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑動(dòng)態(tài)燃速測(cè)試需求，進(jìn)行了8通道超聲收發(fā)一體電路設(shè)計(jì)，以低功耗FPGA XC3S500E為核心控制單元，采用先進(jìn)的AD9271為超聲采集芯片，集成有低噪聲前置放大器(LNA)、可變?cè)鲆娣糯笃?VGA)、抗混疊濾波器(AAF)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)等功能模塊，通過設(shè)計(jì)高壓發(fā)射電路保證了強(qiáng)超聲回波信號(hào)的探測(cè)，選取8通道超聲波傳輸/接收開關(guān)TX810進(jìn)行高壓隔離限幅，保護(hù)了接收電路.通過FLASH存儲(chǔ)模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的回收，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后的差分?jǐn)?shù)據(jù)分析處理.緊湊、高集成度的電路設(shè)計(jì)模塊提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，在強(qiáng)噪聲的惡劣工作環(huán)境下，獲取到了點(diǎn)火試驗(yàn)環(huán)境下的推進(jìn)劑燃速.

1 超聲回波燃速測(cè)試系統(tǒng)方案

1.1 測(cè)試原理

固體推進(jìn)劑超聲回波動(dòng)態(tài)燃速測(cè)試原理示意圖如圖1所示，采用收發(fā)一體超聲換能器分別固定于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)不同部位，換能器探頭在高壓脈沖驅(qū)動(dòng)下發(fā)出強(qiáng)超聲波信號(hào)，經(jīng)過耦合劑依次穿透發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、絕熱層、固體推進(jìn)劑，由于不同介質(zhì)的聲阻抗不同，超聲波信號(hào)在不同介質(zhì)的接觸面反射產(chǎn)生回波信號(hào)[10-12].相比于其他材料，耦合劑非常薄，在測(cè)量過程中耦合劑厚度可以忽略.在圖1中，A表示發(fā)射脈沖信號(hào)，B表示火箭發(fā)動(dòng)機(jī)外殼回波信號(hào)，C表示燃面回波信號(hào).在推進(jìn)劑端面燃燒條件下，已知固體推進(jìn)劑的厚度，可以通過固體推進(jìn)劑前后表面回波的間隔時(shí)間變化計(jì)算出固體推進(jìn)劑厚度的變化，進(jìn)而推算出固體推進(jìn)劑的動(dòng)態(tài)燃燒速度.

圖1 超聲回波燃速測(cè)試原理圖Fig.1 Schematic diagram of burning rate measurement based on ultrasonic echo

1.2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

超聲回波動(dòng)態(tài)燃速測(cè)試系統(tǒng)整體框圖如圖2所示.系統(tǒng)以Xilinx公司Spartan-3E系列FPGA作為主控芯片，由發(fā)射電路、阻抗匹配電路、收發(fā)隔離電路、信號(hào)處理電路、FLASH存儲(chǔ)電路等組成.具體工作流程如下：在發(fā)射階段使用FPGA作為系統(tǒng)的邏輯控制模塊產(chǎn)生頻率可調(diào)的控制信號(hào)，控制發(fā)射電路產(chǎn)生高壓脈沖信號(hào)施加給換能器探頭，激勵(lì)產(chǎn)生超聲波信號(hào)，通過TX810對(duì)高壓信號(hào)和接收信號(hào)進(jìn)行隔離，接收到不同介質(zhì)界面反射的超聲回波，經(jīng)集成有前置放大器、抗混疊濾波器的AD9271調(diào)理與模數(shù)轉(zhuǎn)換后，將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到FLASH中，測(cè)試結(jié)束后通過USB接口模塊將超聲回波數(shù)據(jù)上傳到計(jì)算機(jī)中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析處理.

圖2 超聲回波動(dòng)態(tài)燃速測(cè)試系統(tǒng)整體框圖Fig.2 Diagram of dynamic burning rate measurement system based on ultrasonic echo

2 關(guān)鍵硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 高壓脈沖驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

超聲回波動(dòng)態(tài)燃速測(cè)試系統(tǒng)要求對(duì)超聲回波信號(hào)具有較高分辨率，以實(shí)現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)燃速的高精度測(cè)試，考慮到固體發(fā)動(dòng)機(jī)不同位置的殼體厚度不同，要求超聲頻率具有可調(diào)諧性，以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)多層介質(zhì)的超聲傳播和回波的高靈敏度接收.同時(shí)，所發(fā)射頻率的超聲波要具有一定的穿透能力，這就需要有高壓驅(qū)動(dòng)，增加超聲發(fā)射功率.

本文采用的具有較寬頻帶的非調(diào)諧式窄帶激勵(lì)電路可以根據(jù)不同頻率的超聲波探頭產(chǎn)生相應(yīng)的電脈沖信號(hào)，高壓脈沖驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示.

圖3 高壓脈沖驅(qū)動(dòng)電路Fig.3 Drive circuit of high-voltage pulse

高壓脈沖開關(guān)電路由P溝道型場(chǎng)效應(yīng)管IRF9630和N溝道型場(chǎng)效應(yīng)管IRF630漏極相連的方式組成，以場(chǎng)效應(yīng)管通斷方式激發(fā)高壓脈沖信號(hào)，其中，IRF9630的擊穿電壓為-200 V，額定導(dǎo)通與截止的延遲時(shí)間為12 ns與28 ns；IRF630的擊穿電壓為200 V，額定導(dǎo)通與截止的延遲時(shí)間為8 ns與25 ns；連接場(chǎng)效應(yīng)管的二極管具有單向開關(guān)的作用.當(dāng)觸發(fā)脈沖信號(hào)為高電平時(shí)，IRF9630源漏極截止，IRF630源漏極導(dǎo)通，發(fā)射電路輸出低電平信號(hào)；當(dāng)觸發(fā)脈沖信號(hào)為低電平時(shí)，IRF9630導(dǎo)通，IRF630截止，將高壓信號(hào)施加在探頭上，兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管交替工作形成高壓脈沖信號(hào)，通過調(diào)諧匹配電路激勵(lì)超聲波探頭發(fā)出高壓超聲波脈沖信號(hào).

TPS2812驅(qū)動(dòng)兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管以提供場(chǎng)效應(yīng)管開關(guān)工作瞬間的大電流，該驅(qū)動(dòng)芯片輸入信號(hào)的高低電平閾值與工作電壓有關(guān)，為了獲得較高的開關(guān)速度，選用5 V供電，其工作時(shí)的輸入高電平閾值為3.3 V～4 V，F(xiàn)PGA輸出幅值為3.3 V的TTL電平，為了提高設(shè)計(jì)的可靠性，增加高速開關(guān)三級(jí)管實(shí)現(xiàn)電平3.3 V～5 V的轉(zhuǎn)換.

2.2 高壓脈沖隔離電路設(shè)計(jì)

在超聲回波燃速測(cè)試系統(tǒng)中，超聲波信號(hào)的發(fā)射和接受使用同一個(gè)探頭，因此，發(fā)射階段使用的高壓信號(hào)在激勵(lì)探頭的同時(shí)也會(huì)傳向接收電路，會(huì)對(duì)后續(xù)電路造成破壞.同時(shí)，由于接收到的回波信號(hào)與發(fā)射電壓相比非常微弱，為了使回波信號(hào)與高壓信號(hào)分離，減少發(fā)射脈沖對(duì)回波采樣信號(hào)造成干擾并且保護(hù)接收電路不被過高的電壓所破壞，需要使用限幅隔離電路對(duì)接收電路進(jìn)行保護(hù).常見的隔離電路包括串聯(lián)橋式二極管限幅電路與并聯(lián)肖特基二極管限幅電路兩種，均采用分離式元件，電路體積較大.本設(shè)計(jì)采用具有兩級(jí)隔離的8通道集成芯片TX810，可以大大提高系統(tǒng)的集成度.

TX810是一款高度集成的超聲波傳輸/接收開關(guān)，專門為便攜式超聲系統(tǒng)而設(shè)計(jì)，可以同時(shí)對(duì)8通道超聲收發(fā)信號(hào)進(jìn)行有效隔離.每一通道的電路結(jié)構(gòu)如圖4所示，通過保護(hù)二極管橋式電路及鉗位二極管能夠?qū)⑤斎腚妷悍颠M(jìn)一步降低到0.7 V以下，有效保護(hù)信號(hào)采集電路，同時(shí)大大減小高壓發(fā)射脈沖對(duì)回波信號(hào)的影響.另外，可以通過對(duì)TX810邏輯輸入對(duì)偏置電流實(shí)現(xiàn)0mA～7 mA的控制，進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗.

圖4 TX810單通道內(nèi)部電路Fig.4 Single channel internal circuit of TX810

2.3 超聲回波信號(hào)數(shù)字化管理設(shè)計(jì)

采用集成芯片AD9271實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲回波信號(hào)的數(shù)字化管理，AD9271具有8個(gè)獨(dú)立的采集通道，每個(gè)通道都包括可編程低噪聲前置放大電路(LNA)、可控增益放大電路(VGA)、抗混疊濾波電路(AAF)以及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(ADC)，同時(shí)具有時(shí)間增益補(bǔ)償功能(TGC)，因此，使用該芯片可以有效減小系統(tǒng)體積，降低開發(fā)成本，大大減少外圍電路的使用.ADC的采樣速率為10 MS/s～50 MS/s，采樣位數(shù)為12位，采用低電壓差分信號(hào)輸出形式極大降低了對(duì)FPGA引腳的需求.

AD9271通道增益分配如表1所示，其中LNA增益的控制通過SPI對(duì)flex_gain寄存器設(shè)置來實(shí)現(xiàn)；衰減器的增益由FPGA產(chǎn)生邏輯時(shí)序，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片AD7801輸出0 V～1 V的電壓，輸入給GAIN引腳實(shí)現(xiàn)增益控制，完成對(duì)不同幅度的回波信號(hào)的調(diào)理.

表1 AD9271通道增益分配Tab.1 Channel gain distribution of AD9271

FPGA根據(jù)SPI串行時(shí)序?qū)?nèi)部寄存器直接進(jìn)行操作，完成對(duì)AD9271的配置.配置指令包括傳輸通道選通、時(shí)鐘通道配置、抗混疊濾波器截止頻率設(shè)置、LNA偏置增益調(diào)整等.部分指令格式如表2所示，其中第1位為讀寫指示位，當(dāng)數(shù)據(jù)為0時(shí)進(jìn)入寫階段；第2、3位表示要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)字節(jié)數(shù)；其余13位表示發(fā)送數(shù)據(jù)的起始地址；之后是8位數(shù)據(jù)指令.每次進(jìn)行讀或?qū)懖僮鲿r(shí)都必須將CSB變成低電平才能啟動(dòng)，完成通信后再次將CSB拉高.若在讀或?qū)懼芷诮Y(jié)束時(shí)CSB沒有拉高，則最后一個(gè)字節(jié)不會(huì)進(jìn)入寄存器的緩沖器中.當(dāng)傳輸少于3個(gè)字節(jié)時(shí)，支持CSB為空閑高電平.另外需要注意指令傳輸后要將同步更新寄存器FF的bit0置為1使其更新配置.AD9271集成芯片在FPGA的控制下，以12 MS/s的速率進(jìn)行采樣，采用芯片模式0并按照LVDS模式輸出，整個(gè)控制流程圖如圖5所示.

表2 SPI主要配置指令和數(shù)據(jù)Tab.2 Main configuration instructio ns and data of SPI

圖5 AD9271控制流程圖Fig.5 Control flow chart of AD9271

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可行性，搭建超聲回波動(dòng)態(tài)燃速測(cè)試系統(tǒng)，采用等效試驗(yàn)器模擬固體發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程.點(diǎn)火試驗(yàn)用推進(jìn)劑肉厚5 cm，外部包裹有絕熱層，如圖6(a)所示，藥柱固定在前封頭(圖6(b))內(nèi)表面，為了將超聲探頭緊箍于前封頭外表面，設(shè)計(jì)并加工了探頭夾具，如圖 6(c) 所示，現(xiàn)場(chǎng)安裝完成的超聲燃速測(cè)試系統(tǒng)如圖6(d)所示.

由超聲探頭發(fā)出超聲波單脈沖，脈沖寬度為333 ns，通過超聲耦合劑依次穿過鋼殼體、絕熱層和推進(jìn)劑，并在不同界面產(chǎn)生回波信號(hào)，如圖 7(a) 所示，Ea1，Eb1，Ec1，Ed分別為超聲波在入射鋼殼體界面、鋼殼體與絕熱層界面、絕熱層與推進(jìn)劑界面、推進(jìn)劑端面的回波信號(hào).此外，鋼殼體的超聲回波信號(hào)會(huì)在兩端界面進(jìn)行多次反射，由超聲探頭收發(fā)一體電路接收回來的回波信號(hào)，如圖 7(b) 所示.

(a) 超聲回波示意圖

由圖7(b)可知，推進(jìn)劑燃面回波非常微弱，試驗(yàn)器點(diǎn)火后，推進(jìn)劑燃面回波的移動(dòng)會(huì)和其他背景噪聲進(jìn)行疊加，為了提高推進(jìn)劑燃面回波的辨識(shí)度，采用差分的方法，保持點(diǎn)火前初始幀數(shù)據(jù)不變，將點(diǎn)火后采集到的每一幀數(shù)據(jù)與初始幀數(shù)據(jù)差分，減小燃燒過程的背景噪聲干擾.通過獲取不同幀燃面回波信號(hào)所構(gòu)成的推進(jìn)劑厚度變化情況及擬合后的曲線如圖8(a)所示，由此可得推進(jìn)劑燃速曲線如圖8(b)所示，通過該燃速曲線可觀測(cè)到推進(jìn)劑整個(gè)燃燒過程的燃速情況.試驗(yàn)器點(diǎn)火時(shí)，同步采集試驗(yàn)器內(nèi)部壓強(qiáng)信號(hào)，如圖8(c)所示，開始點(diǎn)火時(shí)，內(nèi)部壓強(qiáng)逐漸增大，隨后趨于平穩(wěn)，隨著推進(jìn)劑燃燒完，壓強(qiáng)逐漸減弱，整個(gè)過程持續(xù)約3 s.推進(jìn)劑燃速與壓強(qiáng)成正相關(guān)，壓強(qiáng)增大，燃速增加，壓強(qiáng)減小，燃速減小，但燃燒過程是一個(gè)瞬態(tài)、高溫的復(fù)雜變化過程，還受到多方面的約束，測(cè)試得到的燃速曲線與壓強(qiáng)變化趨勢(shì)基本一致，在內(nèi)部壓強(qiáng)穩(wěn)定時(shí)測(cè)得的燃速為1.73cm/s.由于內(nèi)部氣體的聚集，內(nèi)部壓強(qiáng)的減弱相對(duì)推進(jìn)劑燃盡有所滯后，所測(cè)得到的推進(jìn)劑燃燒速度曲線與內(nèi)部壓強(qiáng)變化趨勢(shì)基本保持一致.

圖8 試驗(yàn)器推進(jìn)劑燃燒過程參數(shù)測(cè)試曲線Fig.8 Measurement curves of parameters in combustion process of tester propellant

4 結(jié) 論

固體發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑燃燒速度的精確測(cè)試對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和性能提升至關(guān)重要，目前，國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)對(duì)燃速的獲取還只停留在實(shí)驗(yàn)室模擬和仿真計(jì)算上，缺少對(duì)推進(jìn)劑燃速的實(shí)時(shí)測(cè)試數(shù)據(jù).本文面向?qū)嶋H環(huán)境的工程化應(yīng)用，提出了一種基于FPGA的超聲波動(dòng)態(tài)燃速測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，在超聲波燃速測(cè)試原理上，詳細(xì)闡述了發(fā)射電路、接收電路、隔離電路等關(guān)鍵電路的設(shè)計(jì)，以FPGA為核心控制芯片，利用FPGA豐富的存儲(chǔ)器資源、高速的信號(hào)處理能力以及優(yōu)秀的時(shí)鐘管理模塊，實(shí)現(xiàn)超聲信號(hào)發(fā)射、接收、存儲(chǔ)時(shí)序的精確控制，采用高度集成的AD9271模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片降低了電路的復(fù)雜程度，增強(qiáng)了信號(hào)的抗干擾能力.通過試驗(yàn)器推進(jìn)劑燃速點(diǎn)火試驗(yàn)，獲取到了推進(jìn)劑穩(wěn)定燃燒時(shí)的燃速為1.73 cm/s，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可靠性，為固體推進(jìn)劑的動(dòng)態(tài)燃速測(cè)試提供了技術(shù)支撐.