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作者:
Victoria Lowe - Ampac-ISP
AMPAC In-Space Propulsion (ISP)總部設(shè)在白金漢郡的韋斯科特創(chuàng)業(yè)園(Westcott Venture Park)，是英國(guó)設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試用于衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的最重要機(jī)構(gòu)。 AMPAC-ISP于1945年由英國(guó)政府建立，具有悠久的歷史，在航空航天和國(guó)防工業(yè)中享有盛名。 AMPAC-ISP的一個(gè)獨(dú)特之處在于其用于在真空環(huán)境下點(diǎn)火20N推力單組元推進(jìn)劑和雙組元推進(jìn)劑火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)備。
火箭熱點(diǎn)火試驗(yàn)設(shè)備的升級(jí)需求
我們多年來一直在韋斯科為全球的客戶提供熱點(diǎn)火試驗(yàn)，現(xiàn)在是時(shí)候更新這些試驗(yàn)設(shè)備。由于客戶日益增長(zhǎng)的需求，我們還需要提升該系統(tǒng)，以確保在我們?cè)诨鸺l(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)的持續(xù)競(jìng)爭(zhēng)力。更高的精度、更高的可靠性和更快速的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是三個(gè)主要的開發(fā)需求。
為了獲得更好的熱點(diǎn)火試驗(yàn)結(jié)果，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)是需要升級(jí)的基本系統(tǒng)之一，因而我們聯(lián)系了NI，尋求意見及協(xié)助。我們選擇NI來為該數(shù)據(jù)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)是由于該公司以提供可靠的硬件和持續(xù)的客戶支持而享有盛譽(yù)，而且該公司的產(chǎn)品也成功地應(yīng)用于整個(gè)航天航空工業(yè)。而且合作公司的長(zhǎng)期持續(xù)發(fā)展對(duì)我們來說也很重要，因?yàn)檫@關(guān)系著舊采集系統(tǒng)的維護(hù)問題。
儀器控制和數(shù)據(jù)采集
熱點(diǎn)火試驗(yàn)，顧名思義就是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)或使用推進(jìn)劑‘點(diǎn)火’時(shí)進(jìn)行的試驗(yàn)。我們通常在直徑為2米的真空艙中使用兩級(jí)蒸汽噴射器真空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試間本身可以模擬>160000英尺（>48768米）的海拔高度，以仿真近太空環(huán)境條件。每次點(diǎn)火的持續(xù)時(shí)間在脈沖模式的0.001秒和穩(wěn)定狀態(tài)（連續(xù)）模式的幾個(gè)小時(shí)之間。
在測(cè)試過程中，我們必須記錄大量數(shù)據(jù)。這包括使用熱電偶讀取溫度值、使用壓力傳感器讀取壓力值以及使用測(cè)壓元件讀取推力值。我們將所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行解讀，從而確定發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和監(jiān)測(cè)測(cè)試設(shè)備和測(cè)試環(huán)境條件。
在點(diǎn)火過程中，我們還必須控制推進(jìn)劑進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的量，并將該區(qū)域的入口壓力維持在5-24 bar（73-348 psi）。由于發(fā)動(dòng)機(jī)反應(yīng)時(shí)間相對(duì)較短，數(shù)據(jù)采集的精度和速度至關(guān)重要，而且實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集對(duì)于監(jiān)測(cè)和控制這種具有潛在危險(xiǎn)的試驗(yàn)也是必不可少的。通常情況，數(shù)據(jù)采集速率在脈沖模式點(diǎn)火下大約為4 kHz，在穩(wěn)態(tài)點(diǎn)火下為1kHz。取決于所執(zhí)行的測(cè)試，我們采用20-30個(gè)數(shù)據(jù)信道。
為了滿足數(shù)據(jù)采集的要求，我們選擇了NI CompactRIO系統(tǒng)作為硬件的核心部分。它可兼容所有現(xiàn)有的測(cè)量?jī)x器，因此我們使用它來接收、處理和暫時(shí)儲(chǔ)存所有原始信息，之后再將這些信息發(fā)送給測(cè)試工程師。然后，我們?cè)谶h(yuǎn)程控制室內(nèi)使用LabVIEW軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解讀，并以數(shù)字和圖形方式顯示數(shù)據(jù)。
我們?cè)陧f斯科特進(jìn)行的很多測(cè)試都是使用相同的設(shè)備裝置，但將嵌入式現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）集成至CompactRIO系統(tǒng)后，我們可以靈活地開發(fā)硬件來滿足不斷變化的需求。這也適用于熱插拔模塊，必要時(shí)我們可以在整個(gè)測(cè)試過程中更換硬件和設(shè)備。由于測(cè)試設(shè)備需要安裝在非絕緣建筑內(nèi)的真空設(shè)備旁邊，因而該設(shè)備必須能夠在惡劣的環(huán)境下工作。 CompactRIO系統(tǒng)具有較寬的工作溫度范圍，可以滿足這一要求。
即時(shí)可視的溫度監(jiān)測(cè)
在熱點(diǎn)火試驗(yàn)過程中，我們還必須密切監(jiān)測(cè)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度，以確保該溫度不會(huì)達(dá)到材料的最高溫度限制值。這一點(diǎn)對(duì)于燃燒室尤其重要，因?yàn)槿紵覝囟瓤沙^1200℃。室壁可能會(huì)融化，而且可能會(huì)發(fā)生爆炸。我們還監(jiān)測(cè)了火箭噴嘴的溫度分布，以確保尾氣的相對(duì)集中，避免產(chǎn)生熱點(diǎn)以及維持推力效率。
作為系統(tǒng)連續(xù)開發(fā)的一部分，我們希望把光學(xué)溫度成像也納入客戶數(shù)據(jù)集內(nèi)。我們將使用數(shù)字溫度傳感相機(jī)和Compact視覺系統(tǒng)來密切、即時(shí)地監(jiān)測(cè)這些溫度和更準(zhǔn)確地記錄數(shù)據(jù)。
經(jīng)驗(yàn)證的成功
經(jīng)過一系列成功試驗(yàn)，升級(jí)后的控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)證明是非常可靠和準(zhǔn)確，并能夠提供即時(shí)有用的數(shù)據(jù)集。這提高了客戶滿意度，并使得AMPAC-ISP能夠在業(yè)務(wù)上繼續(xù)保持競(jìng)爭(zhēng)力。基于在高海拔設(shè)備所取得的成功和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件的可靠性，我們也將該儀器裝置應(yīng)用于海平面試驗(yàn)站點(diǎn)，最近我們?cè)谠撜军c(diǎn)上測(cè)試和采集用于11,100 N（1.1噸推力）發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)據(jù)。
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