基于PXI的液体姿轨控火箭发动机试验测控系统设计与实现

针对液体姿轨控火箭发动机地面试验高精度、高风险和灵活多变的特点,设计研发了一套以PXI （PCI extensions for instrumentation）控制器为主体的发动机试验测控系统.控制系统拥有40路开关量控制能力,综合运用手动、时序和自动控制方式.测量系统拥有120路信号同步采集能力,具备故障诊断功能.测控系统软件使用LabVIEW开发,通用性良好.为增强控制可靠性,设计了面向工艺流程的试验面板,应用嵌入式控制,进行信号多级监测并引入紧急自动关机控制.为提高测量精度,对测量参数进行原位标定,提出了一种改进的干扰消除电路.该系统已多次成功应用于液体姿轨控火箭发动机地面试验,采用的设计方法有效地提高了测控系统的可靠性,测量精度和控制精度分别达到0.5%和0.1ms,能够充分满足多种类型的液体姿轨控火箭发动机对试验测控系统的要求.     

基于AHP的液体火箭发动机地面试验监测参数的选取方法研究

确定监测参数是液体火箭发动机地面试验监控系统的一个重要而基础的问题。从某液体火箭发动机地面试验稳态参数的统计特性和常见故障出发,通过分析地面试验测量参数的故障敏感性、故障关联性、测点传感器的可用性和参数相关性(或传感器冗余),建立具有方案层、准则层和目标层的层次模型,运用层次分析法(AHP)对发动机地面试验的测量参数进行评价、比较和优化,确定了用于监测液体火箭发动机地面试验的监测参数。经过发动机的地面故障试验数据和故障仿真数据的检验,所确定的监测参数集较好地反映了发动机状态的变化,说明所选用的方法合理、可行,解决了长期以来,依靠领域专家定性确定监测参数的问题。      

利用辐射光谱法开展发动机燃烧火焰参数在线测量

针对发动机高温燃烧火焰参数非接触式在线原位测量难题,提出了基于火焰辐射光谱(radiation spectroscopy, RS)的火焰参数在线测量方法,采用光纤光谱仪搭建了发动机燃烧火焰参数在线测量系统,并利用黑体炉对光谱仪电荷耦合元件(charge-coupled device, CCD)波长响应特性进行了标定.之后,应用该系统获得了火箭基组合循环(rocket based combined cycle, RBCC)发动机地面试验高温燃烧火焰200~1100nm波段辐射光谱,结合普朗克定律与最小二乘法,实现了火焰温度与辐射率参数的在线测量,为发动机燃烧诊断与优化提供了直接数据支撑.      

小型气氢气氧火箭发动机试验系统设计研究

根据小型气氢气氧火箭发动机试验工况的要求设计完成1 000 N级的气氢气氧火箭发动机试验系统.介绍了供气系统的设计过程,详细讨论了气氢气氧流量与管径的选取过程,完成了比对式推力测量装置和计算机测量与控制系统的设计,并进行系统标定及冷流验证试验.该试验系统能在不同工况下开展小型火箭发动机冷热试验研究,同时实现远程计算机监控,具有较高精度.      

航空发动机单管燃烧室试验器测控系统设计

为满足新型燃烧试验需求,针对航空发动机燃烧室试验中单管试验器的特点,提出并设计了1种基于以太网的分布式测控系统。详细阐述了该系统的总体设计方案,分别从软件和硬件两方面研究分析了该系统的详细设计过程,并对其进行了测量不确定度分析。目前该系统已经完成试验前调试,并已顺利完成了多项单管燃烧室燃烧试验任务。结果表明:该系统可靠性高、稳定性良好、通用性强,满足试验器测控需求,具有较高的工程应用价值。     

微型涡轮发动机综合测控系统设计

针对微型涡轮发动机测控要求,设计了集试车、控制系统半物理模拟、电动供油试验功能于一体的综合测控系统.各传感器调理信号并接到测控计算机与电子控制器;电子控制器通过串口接受测控计算机操纵指令,并采集p₂进行转速间接闭环控制.详细介绍了转速测量方法、电动油泵(pulse width modulation,PWM)驱动设计,并分析、设计了发动机控制律.测试软件以Lab Windows/CVI为平台,采用多线程技术设计.应用表明,系统结构简单、试验效率高,可为同类发动机研发提供支持.      

15:1气氧/煤油变推力火箭发动机设计及试验

为了进一步提高变推力火箭发动机推力调节水平、拓宽推进剂使用范围、提升调节控制的技术能力,采用理论计算和地面试验的方法,设计了一款基于机械定位双调系统的气氧/煤油变推力火箭发动机,对变推力发动机的性能、针栓式喷注器的性能和机械定位双调系统的调节效果进行了研究。结果表明:气氧/煤油变推力火箭发动机在0.26～4.35MPa室压实现稳定燃烧,推力变化为57.30～864.70N,推力变化比达到15:1,最高燃烧效率达到97.14%;流量调节阀可精确调节推进剂流量,针栓式喷注器可主动控制喷注压降,达到机械定位双调系统的预期目标,展现出采用机械定位双调系统的该型变推力火箭发动机在深度变推力技术应用的优势。     

小功率电弧加热发动机试验参数测试和精度分析

建立了一套适用于小功率电弧加热发动机地面试验的计算机数据采集测试系统,叙述了发动机地面试验过程中各测量参数的测量原理、系统的软、硬件组成以及相关技术参数.对计算机数据采集测试系统各工作通道的测试精度进行了精度分析,给出典型的试验测试结果.分析结果表明,该套数据采集测试系统能准确测得小功率电弧加热发动机工作参数,解决了小功率电弧加热发动机地面试验参数测量过程中微小流量、微小推力测量的技术难题,反映出发动机地面试验状态,为深化展开发动机各项研究提供重要保障.      

微型涡轮发动机快速原型控制系统

提出一种基于工业控制计算机的面向微型涡轮发动机(MTE)控制的快速原型控制系统.它提供完整的与执行机构及传感器电路的接口, 并提供基于Windows平台的控制器软件实时开发环境.快速原型设计技术可以极大地提高嵌入式控制系统的开发效率.基于该快速原型控制系统不但可以实现对发动机的控制, 而且可以实时记录试验结果, 并提供友好的人机界面, 后者对发动机控制系统的试验研究是非常重要的.台架试车表明, 该快速原型控制系统是切实有效的.      

机载武器发射对航空发动机的影响

通过对机载武器发射过程对发动机稳定性和性能影响的研究,分析了武器发射过程中发动机产生性能下降的机理;阐述了压气机的喘振边界的预测方法;建立了武器发射对发动机稳定性及性能的影响的计算模型,并开发了数值仿真系统。设计的系统扩展性强、通用性好、计算速度快。研究的方法及计算结果可为航空发动机及机载武器发射过程设计提供参考。     

泵压式固液火箭发动机系统仿真与优化设计

提出了以高质量分数过氧化氢为氧化剂的泵压式固液火箭发动机的系统仿真和优化设计方法.利用高质量分数过氧化氢易催化分解的特点,建立了采用泵压式输送系统的固液火箭发动机系统仿真模型,并应用遗传算法分别对采用挤压式和泵压式两种输送系统的固液火箭发动机开展优化设计.结果显示:虽然增加了管路系统的复杂性,但在总冲相同时,泵压式固液火箭发动机在质量、体积、比冲等性能上均优于挤压式固液火箭发动机,因此具有更大的工程应用潜力和优势.      

通过固体推进剂火焰的激光信号衰减研究

本文讨论波长为 1.0 6 μm的 YAG激光束通过固体推进剂火焰时引起的信号衰减。对固体推进剂药条上方的燃烧火焰和发动机喷出的高速羽焰进行了实验测量。结果表明,YAG激光束在穿越推剂火焰后会引起信号衰减;不同的推进剂引起的衰减量有很大不同;推进剂中铝粉的含量是造成近场羽焰激光信号衰减的主要因素。      

单片机在航箭发控系统通用检测仪中的应用

目前航空火箭武器仍是歼击机上主要对地攻击武器之一.但现有的航箭发控系统检测仪既不具有通用性,又不能测试航箭发射脉冲参数.为此,利用单片机技术设计了航箭发控系统通用检测仪.介绍了检测仪的设计方法,给出了较为详细的硬件组成和软件流程.该仪器现已装备部队,经使用证明,该检测仪操作简单、显示直观、清晰、记录准确、通用性强、满足设计.     

固体火箭发动机体空间缺陷最大直径矢量特征测量方法

针对固体火箭发动机工业CT(computed tomography)三维扫描数据,从计算时间和测量精度两方面考虑,结合固体火箭发动机内部缺陷体空间数据场的特征,通过改进传统的空间最大距离求解法——擂台法,提出了基于分类种子点法的体空间缺陷最大直径矢量特征测量方法.设计了预置缺陷的固体火箭发动机,经实验验证,相比传统擂台法,该方法能够提高测量精度和缩短计算时间,最大直径及其与轴向锐角夹角的最大测量误差在10%以下,为固体火箭发动机三维可视化故障诊断奠定了基础.      

无喷管发动机燃速特性的实验研究

针对无喷管发动机的工作特点,采用二维片型装药实验方案,对高燃速含铝丁羟复合推进剂做了相当数量的试验来研究其燃速特性.试验参数的选择应用正交设计法.在此试验的基础上,参照有关的燃烧理论,得出了适合无喷管发动机工作特点的固体推进剂的实际燃速表达式.     

用铜柱测压器初步测定固体火箭发动机的燃烧稳定性

通过对产生振荡燃烧发动机的动态压强测量与铜柱测压器测量结果相对比，并用“Ｔ”形燃烧器做了实验验证，证明振荡压强能够使铜柱的塑性变形量增大。因此，用铜柱测压器测出的压强值与稳态压强电测系统测出的最大压强相比较，可以初步断定固体火箭发动机是否存在振荡燃烧现象。     

不同药型固液火箭发动机性能特点

根据平行层燃烧理论,推导了不同药型燃烧面积和燃烧边界长度随燃去肉厚变化的数学规律;在此基础上,建立了固液火箭发动机系统设计模型,将设计过程转化为数学模型;之后采用遗传算法对不同药型固液火箭发动机进行了优化设计.通过对优化结果的比较和分析,开展了不同药型应用于固液火箭发动机的性能特点及其机理的研究,指出了固液火箭发动机不同于固体火箭发动机的内弹道特性.      

织女－3主发动机的辨识仿真

织女－３探空火箭飞行试验与地面试验的主发动机喉径不同，提出了用辨识仿真方法提供弹道计算所需的推力数据。利用唯一的一发有效地面实验数据，以系统辨识法确定发动机工作时推进剂的基础燃速，沿金属丝燃速，综合因子和喉径的变化规律，再确定喷管效率，最后用内弹道计算和性能计算方法确定飞行发动机的地面推力数据。飞行试验表明，计算弹道与飞行试验弹道相吻合。     

织女－3主发动机的辨识仿真

织女－３探空火箭飞行试验与地面试验的主发动机喉径不同。提出了用辨识仿真方法提供弹道计算所需的推力数据。利用唯一的一发有效地面实验数据，以系统辨识法确定发动机工作时推进剂的基础燃速、沿金属丝燃速、综合因子和喉径的变化规律；再确定喷管效率；最后用内弹道计算和性能计算方法确定飞行发动机的地面推力数据。飞行试验表明，计算弹道与飞行试验弹道相吻合。