通用自動測試系統(tǒng)在火箭發(fā)動機地面試驗中的研究與應(yīng)用解析

梁永鵬 王薇

西安航天動力試驗技術(shù)研究所 陜西 西安 710100

引言

針對目前常規(guī)試驗存在的弊端不足，需要用到更加先進的通用自動測試系統(tǒng)，來對火箭發(fā)動機地面試驗機進行全過程測試，并及時輸出測試結(jié)果，及時發(fā)現(xiàn)存在的不足，為調(diào)整方案提供真實有效的數(shù)據(jù)支持，從而更好的保證火箭發(fā)動機運行的安全性和穩(wěn)定性?；诖?，開展通用自動測試系統(tǒng)在火箭發(fā)動機地面試驗中的研究與應(yīng)用的分析就顯得尤為必要。

1 常規(guī)測試技術(shù)存在的不足

常規(guī)測試技術(shù)測試人員的綜合素質(zhì)有很高的要求，不但需要熟悉火箭發(fā)動機地面試驗的內(nèi)容、要點，還需要能夠熟練掌握測試儀器的操作方法，熟悉測試的原理和步驟，任何一個環(huán)節(jié)控制不當，都會影響最終測試結(jié)果的準確性。因此，常規(guī)測試在很多方面存在不足和問題，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1.1 工作量大，周期長

在常規(guī)測試經(jīng)常需要手動調(diào)試大量儀器設(shè)備，勞動量比較大，工作效率低。

1.2 測試結(jié)果精度不足

常規(guī)測試中經(jīng)常發(fā)生人為干擾，測結(jié)果存在隨機性，難以真實反映出火箭發(fā)動機地面試驗的結(jié)果。

1.3 數(shù)據(jù)記錄煩瑣

在火箭發(fā)動機地面試驗中需要對大量數(shù)據(jù)進行記錄，如電壓、電流、溫度、性能、參數(shù)等。手工記錄量比較大，容易發(fā)生措記錄和漏記錄問題。特別是在火箭發(fā)動機地面高速試驗中，常規(guī)測試難以滿足實際需求。

2 通用自動測試系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 測試總線技術(shù)

此項技術(shù)也通用自動測試系統(tǒng)的核心，其應(yīng)用效果，直接關(guān)系到通用自動測試系統(tǒng)的建設(shè)方式和使用成本。在具體應(yīng)用中需要結(jié)合目前市面常見的測試總線技術(shù)，進行全系統(tǒng)的分析對比，從而選擇出最合適的測試總線技術(shù)[1]。

2.2 通用軟件硬件體系技術(shù)

為提升通用自動測試技術(shù)使用的通用性，需要建設(shè)通用的軟件接口標準，這就需要用到通用軟件硬件體系技術(shù)，以提升通用自動測試技術(shù)的可用性、測試儀器設(shè)備的可互換性。

2.3 信號傳輸技術(shù)

在火箭發(fā)動機地面試驗測試中需要傳輸很多信號和數(shù)據(jù)，現(xiàn)有的測試技術(shù)，在信號傳輸方面還存在誤差大、穩(wěn)定性差、可靠性的缺點。為解決這些問題，在應(yīng)用通用自動測試技術(shù)時，需要采取更加先進的信號傳輸技術(shù)。

3 通用自動測試系統(tǒng)在火箭發(fā)動機地面試驗中的應(yīng)用要點

3.1 硬件方面的應(yīng)用

在硬件方面，主要是通過更換通用自動測試系統(tǒng)前端的傳感器和控制對象，來滿足不同火箭發(fā)動機地面試驗基本測試的需求。按照通用自動測試系統(tǒng)功能的不同，可細分成2種不同的系統(tǒng)，一種是測量系統(tǒng)，另一種是控制系統(tǒng)。在不同更換通用自動測試系統(tǒng)前端傳感器的基礎(chǔ)上，火箭發(fā)動機地面試驗信號傳輸方式設(shè)計完成后，可按照通用自動測試系統(tǒng)硬件模型的不同，來實現(xiàn)這兩個測試系統(tǒng)在火箭發(fā)動機地面試驗中的不同應(yīng)用。

測量系統(tǒng)在火箭發(fā)動機地面試驗中應(yīng)用時，主要是通過自動測試系統(tǒng)自帶的測量設(shè)備，對火箭發(fā)動機地面試驗數(shù)據(jù)進行全部采集，為降低使用成本，提升試驗數(shù)據(jù)采集的全面性。測量系統(tǒng)多采取采取的是基于PCI總線的測量系統(tǒng)。具體的應(yīng)用方法，在PCI總線之上，安裝上插卡式的數(shù)據(jù)采集卡，來采集信號接口板上傳感器傳輸來的數(shù)據(jù)，就能實時掌控火箭發(fā)動機地面試驗中產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)，采集到數(shù)據(jù)再傳輸給計算機控制中心進行分析研究，就能快速得到火箭發(fā)動機地面試驗數(shù)據(jù)[2]。在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的大環(huán)境下，很多高新技術(shù)和設(shè)備被廣泛應(yīng)用通用自動測試系統(tǒng)中，為提升測試的準確，測量系統(tǒng)中的一些基本配置，可換用當前最新或者是最成熟的測試技術(shù)和測試產(chǎn)品，以實現(xiàn)與時俱進。

控制系統(tǒng)在火箭發(fā)動機地面試驗中應(yīng)用時，主要是對一次火箭發(fā)動機地面試驗的過程進行全面控制，常用的控制方式有3種，包括：順序控制、條件控制、時序控制。每種控制方式，都可以按照提前設(shè)計好的程序進行開展有針對性的控制，因此，控制系統(tǒng)也稱之為程序控制，又可細分成開環(huán)控制和閉環(huán)控兩類。開環(huán)控制指的是在火箭發(fā)動機地面試驗控制中，控制程序的轉(zhuǎn)換和動作量控制只和輸入的信號有關(guān)，和動作結(jié)果無關(guān)。閉環(huán)控制指的是在火箭發(fā)動機地面試驗控制中，如果控制的輸出信號不僅僅受到程序自身的約束，也受到動作結(jié)構(gòu)檢測信號的控制。二者相比，在火箭發(fā)動機地面試驗中開環(huán)控制往往用處更大，對火箭發(fā)動機地面試驗過程的控制，主要由事先設(shè)計好的控制時序來決定[3]。

3.2 軟件方面的應(yīng)用

通用自動測試系統(tǒng)中軟件具有的主要功能是根據(jù)實際數(shù)據(jù)的流向調(diào)用各種軟件功能模塊實現(xiàn)對火箭發(fā)動機地面試驗全過程的有效檢測和控制。軟件功能模塊和通用自動測試系統(tǒng)各項數(shù)據(jù)的流向之間具有相互對應(yīng)的邏輯關(guān)系，可按照火箭發(fā)動機地面試驗的實際需求，科學(xué)設(shè)計邏輯關(guān)系，以提升通用自動測試系統(tǒng)的應(yīng)用效果，最大限度上保證測試系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和有效性。軟件功能模塊和數(shù)據(jù)流向之間對應(yīng)的邏輯關(guān)系圖，如圖1所示：

圖1 軟件功能模塊和數(shù)據(jù)流向之間對應(yīng)的邏輯關(guān)系圖

圖1中，各箭頭方向代表了數(shù)據(jù)的流向，通用自動測試系統(tǒng)軟件主要是通過相應(yīng)的管理程序、測試程序、檢查試驗結(jié)構(gòu)程序等和用戶來實現(xiàn)人機交互。從圖1中能夠清楚看出，通用自動測試系統(tǒng)軟件具有很多功能，包括：配置管理系統(tǒng)資源、控制完成火箭發(fā)動機地面試驗過程、處理試驗數(shù)據(jù)等，為提升系統(tǒng)軟件在火箭發(fā)動機地面試驗中應(yīng)用的通用性，系統(tǒng)軟件和測試數(shù)據(jù)需要分開處理，保證所有的測試數(shù)據(jù)都可以通過數(shù)據(jù)庫進行單獨管理[4]。

比如：在進行火箭發(fā)動機地面流量計標定試驗中，多采取音速噴嘴對新型差壓式流量計進行標定，主要的試驗機理是先測量處不同氣源壓力下音速噴嘴的流量和新型差壓式流量計輸出的壓差，再根據(jù)管路中流體流量恒定的原理得出壓差和音速噴嘴流量之間的對應(yīng)關(guān)系，最后在根據(jù)此對應(yīng)關(guān)系得出新型差壓式流量計的工作曲線，在整個試驗中需要得到測量的物理量比較多，包括管理中的流體流量、壓力、溫度等，在按照實際需要進行閥門控制時序配置，為保證標定結(jié)果的準確性，在具體試驗中通常需要對多個工況下的流量計進行標定試驗，每個工況處氣源壓力不同之外，其余的測試測量、控制策略都要保持一致，在1500Hz的采樣頻率之下測量壓差式流量計的壓力、壓差式流量計后的壓力、系統(tǒng)管路溫度、壓差式流量計輸出壓差等物理量，新型差壓式流量計標定試驗結(jié)果數(shù)據(jù)表如表1所示：

表1 新型差壓式流量計標定試驗結(jié)果數(shù)據(jù)表

從表1中個中能夠清楚看出，新型壓差式流量計測量得到的結(jié)構(gòu)得出的數(shù)據(jù)系數(shù)和通過音速噴嘴測量得到的流量系數(shù)相比，最大的誤差出現(xiàn)在0.066MPa的位置，但最大誤差也只有0.77%。這就可以確定新型差壓式流量計具有很高的的測量精度，采取新型差壓式流量計的通用自動測試系統(tǒng)基本上能夠滿足火箭發(fā)動機地面試驗的要求。

3.3 通用性方面的應(yīng)用

在火箭發(fā)動機地面試驗中，統(tǒng)一采取通用自動測試系統(tǒng)，對不同的火箭發(fā)動機地面試驗任務(wù)，測量對象和控制對象也不相同，火箭發(fā)動機地面試驗所采用的數(shù)據(jù)采集通道和控制通道也會發(fā)生改變。這就需要在正式開始試驗之前，火箭發(fā)動機地面試驗人員需要跟進實際的通用自動測試系統(tǒng)硬件配制情況，通過系統(tǒng)軟件對數(shù)據(jù)采集測量和控制策略進行重新配制。而且所有的火箭發(fā)動機地面試驗項目中，通常不需要對試驗結(jié)果的數(shù)據(jù)進行特殊處理。所以通用自動測試系統(tǒng)中集成的通用數(shù)據(jù)處理模塊基本上能夠滿足火箭發(fā)動機地面試驗的全部需求，具有良好的通用性[5]。通過通用自動測試系統(tǒng)的通用性特點，可避免因為測試系統(tǒng)自身問題，引起火箭發(fā)動機地面試驗失敗，或者測試結(jié)果和實際結(jié)構(gòu)不相符的情況。通用自動測試系統(tǒng)良好可靠性，而且能夠根據(jù)用戶反饋的具體意見，進行實時調(diào)整，整個操作過程簡單方便，數(shù)據(jù)處理速度快，而且結(jié)構(gòu)比較準確，可很好地滿足火箭發(fā)動機地面試驗的全部需求，值得大范圍推廣和應(yīng)用。

4 結(jié)束語

綜上所述，結(jié)合理論實踐，分析了通用自動測試系統(tǒng)在火箭發(fā)動機地面試驗中的研究與應(yīng)用，分析結(jié)果表明，火箭發(fā)動機地面試驗具有很強的專業(yè)性和技術(shù)性，而且難度比較大，對測試系統(tǒng)有極高的要求，任何一個細節(jié)處理不當，都會影響最終測試結(jié)果的準確性。通用自動測試系統(tǒng)中融合了很多先進的技術(shù)，通過硬件和軟件的相互配合使用，可為火箭發(fā)動機地面試驗提供一個先進的通用自動測試系統(tǒng)，而且具有良好的可靠性、通用性、易用性，即便是非測試人員，也可以很好地掌握操作要領(lǐng)。合理應(yīng)用通用自動測試系統(tǒng)，對我國火箭事業(yè)持續(xù)健康的發(fā)展有非常重要的意義。