竇雙慶

（西安航天動(dòng)力試驗(yàn)技術(shù)研究所，陜西西安710100）

0 引言

高空模擬試驗(yàn)是在地面條件下制造高空環(huán)境，將發(fā)動(dòng)機(jī)或組合件置于此環(huán)境中，研究發(fā)動(dòng)機(jī)在高空環(huán)境下的實(shí)際工作性能。發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬熱試車中，真空壓力是判斷試驗(yàn)點(diǎn)火的重要參數(shù)，在以往開展的54 km高空試驗(yàn)中，點(diǎn)火前的真空度要求為40 Pa，而隨后承擔(dān)的變推力發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試驗(yàn)中，要求點(diǎn)火高度76 km，對(duì)應(yīng)的真空度為2.2 Pa，原有的真空壓力計(jì)已無法全程監(jiān)測(cè)真空壓力的變化過程，同時(shí)從提升試驗(yàn)系統(tǒng)的綜合能力來看，有必要開展高真空度下壓力測(cè)量的技術(shù)研究。

1 傳感器安裝技術(shù)

1.1 真空計(jì)的選擇

76 km高空模擬試驗(yàn)環(huán)境對(duì)應(yīng)的真空壓力下限是2.2 Pa，這個(gè)范圍的真空測(cè)量通常是采用兩個(gè)或兩個(gè)以上不同原理的真空計(jì)來滿足實(shí)際測(cè)量的需要，從常規(guī)大氣壓到2 Pa真空度選用了電阻真空計(jì)和電容薄膜真空計(jì)。電阻真空計(jì)是利用壓強(qiáng)與彈性金屬絲阻值的關(guān)系測(cè)量真空，電容薄膜真空計(jì)是利用壓強(qiáng)與金屬薄膜之間電容量的變化測(cè)量真空，適宜在腐蝕性氣體環(huán)境中重復(fù)使用。

近代真空技術(shù)提供了多種真空壓力測(cè)量方法，最高可以測(cè)量到10～14 Pa的壓力，但是任何一種方法都有一定的測(cè)量范圍，沒有哪一種可以覆蓋從大氣壓至10～14 Pa的壓力。在發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試驗(yàn)中，選擇適合量程的真空計(jì)可以使測(cè)量區(qū)域相互銜接，更好地監(jiān)測(cè)真空變化過程。型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)中選擇了100 kPa，1 kPa和200 Pa量程的真空計(jì)，100 kPa真空計(jì)監(jiān)測(cè)抽吸過程中大氣壓至2 kPa左右壓力變化過程，1 kPa真空計(jì)主要監(jiān)測(cè)抽吸過程的真空壓力，200 Pa真空計(jì)主要監(jiān)測(cè)點(diǎn)火前和點(diǎn)火過程中的高真空壓力。這樣分段測(cè)量，可保證各區(qū)間內(nèi)真空壓力測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。3種類型的測(cè)量傳感器在現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)時(shí)，按實(shí)際測(cè)量區(qū)間范圍進(jìn)行校準(zhǔn)。

1.2 傳感器安裝工藝

真空壓力傳感器用于被測(cè)點(diǎn)壓力測(cè)量，多數(shù)通過接管嘴或引壓管安裝，引壓管工藝接口的設(shè)計(jì)對(duì)測(cè)量結(jié)果有很大影響，包括引壓管的開口面與氣流方向?qū)y(cè)量結(jié)果也有很大影響，如圖1中所示，當(dāng)管路中有氣體流動(dòng)時(shí)，A，D接法的引壓管開口面與氣流方向垂直，動(dòng)壓基本不產(chǎn)生作用，B，C，E測(cè)出的壓力則受氣流方向的影響。常規(guī)安裝方式是真空計(jì)與被測(cè)點(diǎn)的位置越近越好，引壓管開口應(yīng)與氣流方向垂直或直接插入到被測(cè)系統(tǒng)，且引壓管應(yīng)盡量粗、短、直，這樣才能正確地測(cè)量出被測(cè)部位的實(shí)際壓力，通常采用圖1中A或D的安裝方法，以讀取接近于靠近中心部位或容器壁處的壓力。

傳統(tǒng)引壓管采用的是M14×37°內(nèi)錐形式工藝接口，其內(nèi)徑最小處僅為6 mm，且引壓管在多次轉(zhuǎn)接或存在彎管情況下，真空計(jì)無法在短時(shí)間內(nèi)與被測(cè)真空環(huán)境達(dá)到動(dòng)平衡，必然引起測(cè)量上的偏差。為配合高真空壓力的準(zhǔn)確測(cè)量，真空計(jì)接口采用了KF16壓嘴法蘭連接形式，壓嘴法蘭結(jié)構(gòu)見圖2，壓嘴內(nèi)徑為17.2 mm，法蘭面之間采取鋁制支架+橡膠密封圈密封，法蘭對(duì)接面外側(cè)使用卡箍固定，KF16壓嘴直接焊接在被測(cè)管路上，或者采用DN40的集氣管轉(zhuǎn)接，以保證真空計(jì)與被測(cè)氣體的動(dòng)態(tài)平衡。

1.3 真空計(jì)安裝位置選擇

真空計(jì)測(cè)量的結(jié)果與其在真空系統(tǒng)中的安裝位置也有著密切的關(guān)系。高空試驗(yàn)系統(tǒng)是由多個(gè)容器串聯(lián)組成的，用機(jī)械泵連接到圖3所示的串聯(lián)容器進(jìn)行抽吸，設(shè)從容器流出的氣體量為Q，抽吸速率為S，機(jī)械泵進(jìn)口處壓強(qiáng)為p。

圖3中各個(gè)真空計(jì)的壓力P1，P2，P3，P4要視與泵入口間的流導(dǎo)C1，C2，C3，C4而定，依據(jù)氣體量恒定關(guān)系有：

式中：Q為容器流出的氣體量，L；S為機(jī)械泵的抽吸速率，L/s；p為機(jī)械泵進(jìn)口處壓強(qiáng)；P1，P2，P3，P4為各個(gè)真空計(jì)的壓力，MPa；C1，C2，C3，C4分別為P1，P2，P3，P4點(diǎn)至泵入口間的流導(dǎo)，L/s。

由（1）式可以得出：

在抽真空系統(tǒng)中，一般存在 S＞＞C1，S＞＞C2，S＞＞C3，則：

即容器內(nèi)與管道上的真空壓力與流導(dǎo)成反比，若管道直徑一定，則真空壓力與到泵口的距離成正比，安裝在抽吸泵口附近的真空計(jì)測(cè)得的壓力要低于遠(yuǎn)離泵口測(cè)得的壓力，同時(shí)由于真空計(jì)一般都安裝在容器的外壁上，測(cè)量到的壓力也略高于距抽吸泵口附近和容器中心（發(fā)動(dòng)機(jī)附近）的實(shí)際壓力。

在實(shí)際應(yīng)用中管道直徑和走向有變化，串聯(lián)容器的體積也不完全相同，諸多因素決定了容器和管道內(nèi)的壓力不是處處相同的。因此，應(yīng)在容器和管道上布置一定數(shù)量的真空計(jì)，以監(jiān)測(cè)真空系統(tǒng)工作的壓力變化過程，一般容積在100 m3以下，建議模擬環(huán)境中至少安裝真空計(jì)4個(gè)、抽吸管路安裝2個(gè)，按照?qǐng)D1中A或D方式安裝。某試驗(yàn)系統(tǒng)真空艙測(cè)點(diǎn)分布示意見圖4，分別在艙體頂部的前、中、后及抽吸管道上共設(shè)置7個(gè)真空測(cè)點(diǎn)。真空艙壁及管道上設(shè)置的真空計(jì)類型、測(cè)量范圍及用途見表1。

表1 真空艙壁及管道上真空計(jì)類型、量程、位置及用途Tab.1 Type,scale,location and application of vacuum gage on vacuum chamber wall and pipe

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)配置

2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

某型號(hào)高空模擬試驗(yàn)系統(tǒng)真空壓力測(cè)量采用P6000太平洋數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)模塊化結(jié)構(gòu)，可以記錄靜態(tài)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。其中真空壓力測(cè)量配置的6013模塊為8通道高性能信號(hào)放大及16位AD采集板，可以提供±12 V或±15 V的直流電源，提供4階低通Butterworth濾波器，放大器倍數(shù)1～5 000程控可設(shè)，每個(gè)通道都可提供過壓保護(hù)。

電容薄膜真空計(jì)工作模式為±15 V/DC電源激勵(lì)、10 V/DC輸出，由1#，2#的P6000采集系統(tǒng)6013板同時(shí)記錄，1#P6000系統(tǒng)的6013板提供±15 V電源激勵(lì)，傳感器的并聯(lián)輸出信號(hào)至1#，2#的P6000采集系統(tǒng)；電阻式真空計(jì)工作模式為220 V/AC電源激勵(lì)、二次表頭輸出5 V/DC信號(hào)，由1#采集記錄系統(tǒng)完成采集、記錄。真空計(jì)電源激勵(lì)、信號(hào)輸出及設(shè)備連接圖見圖5。

2.2 真空計(jì)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)

電阻真空計(jì)及顯示儀表經(jīng)過二級(jí)校驗(yàn)，作為現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)真空計(jì)使用，采用GJC-120抽真空儀及電阻真空計(jì)對(duì)1#，2#并記的Pzk2，Pzk3電容薄膜真空計(jì)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定，系統(tǒng)組成見圖6，標(biāo)定檔位按被測(cè)真空參數(shù)要求確定，檔位以電阻真空計(jì)的表頭顯示為基準(zhǔn)，校驗(yàn)一遍6檔，校驗(yàn)時(shí)GJC-120抽真空儀抽至校驗(yàn)檔值附近停泵，通過微調(diào)進(jìn)氣閥至預(yù)定數(shù)值，由1#，2#采集系統(tǒng)同時(shí)記錄標(biāo)定數(shù)據(jù)，全部檔位標(biāo)定結(jié)束后，對(duì)標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合得出a和b的值，以便試車中準(zhǔn)確地記錄電容薄膜真空計(jì)真空參數(shù)。

現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)采用最小二乘法擬合出校準(zhǔn)直線方程：

式中：y為校準(zhǔn)時(shí)施加的標(biāo)準(zhǔn)值；x為測(cè)量系統(tǒng)輸出值。

校準(zhǔn)線的系數(shù)a和b用下式算出：

式中：xi為校準(zhǔn)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)的記錄值，yi為校準(zhǔn)時(shí)每一檔所加的標(biāo)準(zhǔn)值；r為兩變量之間的相關(guān)系數(shù)。

電容薄膜真空計(jì)Pzk2，Pzk3量程為200 Pa，為準(zhǔn)確判斷2 Pa真空度，特在1.0～3.5 Pa范圍內(nèi)進(jìn)行試前現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定，表2是Pzk2，Pzk3真空計(jì)試前并記標(biāo)定的數(shù)據(jù)結(jié)果。

從表2中可以看出：1#，2#采集系統(tǒng)標(biāo)定結(jié)果一致，現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定的數(shù)據(jù)結(jié)果真實(shí)、有效。

3 真空壓力測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用

按照?qǐng)D4設(shè)置的Pzk1～Pzk7測(cè)點(diǎn)對(duì)某推力室76 km熱試驗(yàn)的真空艙壓進(jìn)行了分段測(cè)量，圖7為一組真空艙抽吸過程壓力變化曲線，圖8為發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火過程中的真空壓力數(shù)據(jù)曲線。圖7中艙壓Pzk7，Pzk1～Pzk3隨時(shí)間呈現(xiàn)出指數(shù)衰減的趨勢(shì)，符合密閉容器真空獲得的規(guī)律。選擇的各種真空計(jì)使得從大氣壓至2.2 Pa分段測(cè)量區(qū)間良好地銜接，有效地監(jiān)視了抽吸過程中真空壓力變化。圖7（c）曲線顯示真空艙壓在熱點(diǎn)火前為2.2 Pa，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)76 km高空點(diǎn)火要求。管道上Pzk2測(cè)點(diǎn)較Pzk3靠近機(jī)械泵組，故曲線上Pzk2點(diǎn)的真空壓力較Pzk3點(diǎn)略低，符合容器艙壓分布不均勻的現(xiàn)象。圖8中艙壓Pzk2～Pzk5的起伏與發(fā)動(dòng)機(jī)工作、間歇同步。多個(gè)真空壓力測(cè)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)差異也反映了熱點(diǎn)火過程中艙壓分布并不均勻的狀況。

表2 200 Pa電容薄膜真空計(jì)試前標(biāo)定的數(shù)據(jù)結(jié)果Tab.2 Calibration results of diaphragm type condenser vacuum gage of 200 Pa

從幾次真空系統(tǒng)調(diào)試和熱試車結(jié)果來看，通過文中介紹的方法，采用不同類型的真空計(jì)進(jìn)行測(cè)量，可以準(zhǔn)確地反映出真空艙試前抽吸及熱點(diǎn)火過程中的壓力變化，為產(chǎn)品在76 km熱點(diǎn)火試驗(yàn)提供判斷依據(jù)，解決了熱試車中高真空壓力準(zhǔn)確測(cè)量的問題，在真空壓力試驗(yàn)測(cè)量技術(shù)研究方面取得了進(jìn)步，適用于今后發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試驗(yàn)中高真空壓力的測(cè)量。

4 結(jié)束語

通過對(duì)電阻式真空計(jì)、電容薄膜真空計(jì)的應(yīng)用，獲得以下真空計(jì)的試驗(yàn)測(cè)量經(jīng)驗(yàn)：

1）精度要求低的真空壓力測(cè)量（100 kPa～1 kPa）可以直接采用一般真空壓力傳感器直接測(cè)量；

2）根據(jù)被測(cè)真空系統(tǒng)的真空壓力范圍、使用環(huán)境等選擇合適的真空計(jì)；

3）試驗(yàn)環(huán)境的容器、管道上真空呈非平衡分布，實(shí)際的真空并不是處處相等，但抽真空停止后真空艙壓力逐步達(dá)到平衡；

4）真空計(jì)的安裝位置、引壓形式應(yīng)根據(jù)測(cè)量要求進(jìn)行設(shè)計(jì)選擇，以提供更準(zhǔn)確的真空試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)。

本文針對(duì)高真空壓力分段測(cè)量、安裝工藝方式以及現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)等技術(shù)進(jìn)行了初步研究，組建的高真空壓力測(cè)量系統(tǒng)承擔(dān)了變推力發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)并圓滿完成了測(cè)量任務(wù)。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)高空模擬試驗(yàn)需求的不斷提高，開展現(xiàn)場(chǎng)更高精度的真空壓力校準(zhǔn)，可進(jìn)一步提高高真空壓力的測(cè)量精度和范圍。

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