Liquid rocket engine test facility engineering challenges

Liquid rocket engines for launch vehicles and space crafts as well as their subsystems need to be verified and qualified during hot-runs. A high test cadence combined with a flexible test team helps to reduce the cost for test verification during development/qualification as well as during acceptance testing for production. Test facility intelligence allows to test subsystems in the same manner as during complete engine system tests and will therefore reduce development time and cost.This paper gives an overview of the maturing of test engineering know how for rocket engine test stands as well as high altitude test stands for small propulsion thrusters at EADS-ST in Ottobrunn and Lampoldshausen and is split into two parts:

• Part 1 gives a historical overview of the EADS-ST test stands at Ottobrunn and Lampoldshausen since the beginning of Rocket propulsion activities in the 1960s.

• Part 2 gives an overview of the actual test capabilities and the test engineering know-how for test stand construction/adaptation and their use during running programs.

Examples of actual realised facility concepts are given to demonstrate cost saving potential for test programs in both cases for development/qualification issues as well as for production purposes.

液氧/煤油发动机试验系统

设计并建立了液氧／煤油发动机发生器-涡轮泵联动装置和整机试验系统。详细介绍了推进剂供应系统、煤油回流系统、试验工艺辅助系统、控制系统的组成及试验能力,重点论述了关键试验工艺技术,主要包括启动技术、增压技术、试车工艺、安全措施。     

泵压式发动机瞬态热试验方法

上面级泵压式发动机结构复杂、在轨飞行时间短,因此其热设计的验证比较困难。文章针对发动机自身特点提出了瞬态热试验方法,通过对发动机复杂外形包络面规则化、分区构建绝热型热流计（“黑片”）热模型快速提取试验外热流,采用符合发动机外热流瞬态变化趋势的“光照区+地影区”分段阶梯式外热流加载策略。试验温度测量结果表明：发动机热控设计和热分析模型正确;在此基础上修正初温后可对在轨飞行温度给出更准确的预示。     

国外火箭发动机试车台及发展趋势

综述了美国、德国、法国和日本的火箭发动机机构和试验装置,概括了火箭推进试验技术的发展趋势,指出了我国与航天技术发达国家在硬件装备、试验能力及技术水平方面存在的差距。     

发动机试车控制软件工程化及质量管理

为提高发动机试车控制软件的可靠性,通过需求分析、概要设计、详细设计、软件测试等步骤实现了软件开发工程化。结合试验控制软件研制和使用特点,对软件质量管理的具体步骤,即从设计评审、测试、验证、文档及技术状态管理等方面对软件开发过程进行监督与管理,实现了软件开发的质量控制,达到了软件设计的透明性、继承性及高可靠性。     

涡轮流量计在火箭发动机试验中的应用

以涡轮流量计在液体火箭发动机试验中的应用为研究对象。针对液氧煤油发动机试验中流量测量数据出现的异常波动和较大的系统误差,从涡轮流量计的现场使用状态进行了分析。认为解决的方法是用分节式电容液面计对涡轮流量计进行真实介质的校验,校验的方法可通过液面计测得的体积流量反算出涡轮流量计的流量系数来实现。     

基于RVM的液体火箭发动机试验台故障预测方法

液体火箭发动机试验台故障预测问题实际上是与试验台相关的参数预测问题,通过预测相关参数在试验台运行过程中的变化趋势,可以判断试验台未来某一时刻是否可能发生故障。由于液体火箭发动机试验台系统复杂、不易建模,提出了一种相关向量机(relevancevector machine,RVM)故障预测模型。在模型的训练阶段,根据数据序列的特征,分别采用单参量、相空间重构和多参量的方法进行了模型的训练,然后利用训练好的模型对试验台总体健康度和启动过程推力进行了趋势预测。预测结果表明,该方法能有效地跟踪试验台可能发生的故障及故障发展趋势。     

液体火箭发动机试验流量测量技术研究

介绍了液体火箭发动机试验推进剂流量测量技术与方法,阐述流量测量系统设计要点、传感器的选择与安装工艺、现场校准技术、信号调理器设计、抗干扰措施、数据分析与提供方法。文中论述的测量技术实现了发动机试验流量参数的准确测量,为发动机性能评价提供准确、可靠的依据。     

基于WinCE的发动机试验实时控制软件设计

通过对WinCE操作系统线程、进程和定时器的分析,采用多媒体定时器和外围硬件配合的方式,结合XXX液体火箭发动机试车台增压/闭环控制系统实时时序控制的设计和应用,系统论述了在WinCE操作系统下,实时控制的实现原理和设计方法,并阐述了基于多媒体定时器实时控制软件设计框架的应用前景。     

火箭发动机地面试验软件质量管理和控制

简要介绍了火箭发动机地面试验软件的组成和特点,对软件开发过程的质量控制提出了建议;特别提出了要控制需求分析和测试阶段的评审并加强使用阶段的质量管理。     

基于工作流的液体火箭发动机虚拟试验流程管理

以液体火箭发动机虚拟试验为对象,研究了数字化试验流程管理的解决方案。通过分析发动机虚拟试验流程,建立了基于工作流的试验管理系统过程仿真模型,提出了一个支撑整个试验管理系统的层次化体系架构。该架构为整个虚拟试验过程提供了统一的试验信息集成平台和应用服务环境。最后,以试验准备阶段为例,给出了该系统的一个集成应用,介绍了基于图形管理系统的实现过程,得到了过程中资源消耗优化的结论。所提出的液体火箭发动机虚拟试验流程管理体系为真实试验的资源优化提供了理论依据,在航天领域的数字化试验方面进行了探索性研究。     

新型液体火箭发动机试车台起动试验系统方案设计

为满足总体对发动机地面试验入口压力的设计要求,提出了三种试车台起动试验系统设计方案。论证表明,设计方案可行,布局紧凑、合理。综合考虑,确定起动容器与主容器接力试验系统作为新建台的设计方案。     

发动机试验液氢流量测量不确定度评定

针对某型号液体火箭发动机试验,介绍了液氢低温流量测量系统组成及原理。根据液氢质量流量测量数学模型,分析影响液氢流量测量不确定度的主要压力对贮箱容积的影响因素,依据不确定度评定相关标准和方法,对各种影响因素进行分析,最终得出液氢质量流量扩展不确定度为±0.88%,满足发动机设计部门对液氢低温质量流量测量不确定度±1%的要求。     

液体火箭发动机试验热电偶传感器测量工艺

热电偶传感器具有性能稳定、结构简单、使用安全、价格低廉、测温范围广等特点,在液体火箭发动机地面试验中得到了广泛应用。由于输出信号小,在发动机试验的恶劣环境中若使用不当,则容易造成测量不准或测不到数据。针对目前测量中存在的问题,提出了热电偶传感器使用中应注意的一些关键技术和使用工艺要求。工程实践表明,按此工艺操作,热电偶的测量可靠性和测量精度明显提高。     

试验台推力系统测力机可靠性改进

论述了试验台2000kN、600kN二等标准测力机的技术改造和取得的效果。改造时采用可编程序控制器（PLC）作为测力机的控制核心,配套设计安装了控制柜和驱动程序等。对机械部分也进行了改造,更换了损坏的设备,经调试满足试验要求。经近30次试验没出现质量和安全问题,达到了改造目的,保证了试验数据的准确和真实,提高了两台测力机的可靠性。     

液体火箭发动机试验数据曲线绘制软件设计

利用Active X技术并结合Excel功能,开发出液体火箭发动机地面试验数据曲线绘制软件,重点介绍绘制软件程序的组成和功能,给出了关键部分的程序框图。软件可供试验数据分析时参考。     

火箭发动机试验紧急关机过程分析与改进

针对液体火箭发动机试验中紧急关机关键过程进行了深入研究,简述了当前氢氧火箭发动机试验紧急关机的常用模式和方法,对影响自动紧急关机条件判读响应时间的因素进行了理论分析和实验验证,获得了在用紧急关机系统的响应时间指标。针对紧急关机存在的时间延迟问题,提出了缩短条件判读响应时间的途径和具体解决方法。该方法在实际的试验系统中进行了多次验证,程序的正确性和稳定性得到了考核。对大型数据采集及故障诊断系统响应时间分析提供一定的参考依据。     

液体火箭发动机接力试验技术

在一项特殊要求、非例常的试验中,需发动机进行接力试车：在同一次试车中前后两个阶段分别使用两个不同厂家的氧化剂,在进行氧化剂切换时,发动机连续工作,即进行接力试车。为此,在原试车台试验系统的基础上,进行了必要的技术改造,建立了试车台发动机接力试车氧化剂试验系统。经热试车验证,改造后的系统工作安全可靠,满足发动机接力试验要求。