航天一院天津航天長(zhǎng)征火箭制造有限公司 趙海龍 徐 寅 毛尊富 陳 剛 何志超

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新一代運(yùn)載火箭動(dòng)力系統(tǒng)出廠測(cè)試數(shù)字化應(yīng)用研究

航天一院天津航天長(zhǎng)征火箭制造有限公司 趙海龍 徐 寅 毛尊富 陳 剛 何志超

【摘要】為了保證新一代運(yùn)載火箭(CZ-5)的高可靠性，出廠測(cè)試期間要求進(jìn)行動(dòng)力系統(tǒng)測(cè)試。運(yùn)載火箭出廠測(cè)試各系統(tǒng)均在向數(shù)字化信息化的發(fā)展，但是動(dòng)力系統(tǒng)還是保持著傳統(tǒng)的操作模式。因此在動(dòng)力系統(tǒng)出廠測(cè)試實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，將會(huì)對(duì)測(cè)試任務(wù)的順利進(jìn)行有很好的推動(dòng)作用。本文先對(duì)出廠測(cè)試進(jìn)行闡述，然后對(duì)比成熟型號(hào)動(dòng)力測(cè)試的區(qū)別，突出表現(xiàn)了新一代運(yùn)載火箭動(dòng)力系統(tǒng)測(cè)試數(shù)字化應(yīng)用的需求，最后指出了一種使用PLC作為控制器，Visual Studio作為上位機(jī)編寫從而實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力系統(tǒng)測(cè)試數(shù)字化，智能化的應(yīng)用方法。

【關(guān)鍵詞】運(yùn)載火箭；動(dòng)力系統(tǒng)；數(shù)字化；PLC

引言

由于在新一代運(yùn)載火箭CZ-5動(dòng)力系統(tǒng)出廠測(cè)試所面臨著與已有成熟型號(hào)所不同的工作情況，為了實(shí)現(xiàn)可以更加高效的、科技含量較高的測(cè)試目的，本文提出一種基于傳統(tǒng)測(cè)試手段，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力系統(tǒng)測(cè)試人員能夠和其他測(cè)試系統(tǒng)一樣在測(cè)試后端就能夠基本完成測(cè)試內(nèi)容的新型數(shù)字化測(cè)試方法。

1 出廠測(cè)試概述

新一代運(yùn)載火箭CZ-5出廠測(cè)試是在火箭總裝完成后進(jìn)行，被譽(yù)為總裝工作質(zhì)量保證最后一道防線，目的就是驗(yàn)證電氣系統(tǒng)箭上和地面各設(shè)備狀態(tài)的正確性；驗(yàn)證電氣系統(tǒng)箭上和地面各設(shè)備接口是否協(xié)調(diào)、匹配；驗(yàn)證電氣系統(tǒng)箭上、地面軟件正確性；考核全箭電氣系統(tǒng)測(cè)試流程和地面數(shù)據(jù)處理程序的正確性，具體流程如圖1所示。新一代運(yùn)載火箭CZ-5出廠測(cè)試是由控制系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)和總體網(wǎng)系統(tǒng)等組成，動(dòng)力系統(tǒng)測(cè)試是運(yùn)載火箭出廠測(cè)試中重要組成部分，為了保證運(yùn)載火箭在飛行期間能夠保證安全的動(dòng)力輸出，它分為單元測(cè)試、分系統(tǒng)測(cè)試、匹配測(cè)試、總檢查等內(nèi)容對(duì)箭體各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。以下已CZ-5芯一級(jí)動(dòng)力試車箭為例對(duì)各個(gè)測(cè)試內(nèi)容進(jìn)行說明。

單元測(cè)試主要完成對(duì)重要部段以及重點(diǎn)設(shè)備的測(cè)試。比如YF-77發(fā)動(dòng)機(jī)單元測(cè)試、蓄壓器單元測(cè)試等。

分系統(tǒng)測(cè)試及氣封吹除引射測(cè)試在動(dòng)力系統(tǒng)測(cè)試中占有很大比重，主要對(duì)艙段吹除、氦引射、氮?dú)鈿夥?、氦氣氣封、氫加管吹除、氫排管吹除、氧加管吹除以及氧箱排氣閥、液氧加泄閥、液氧回流控制閥、氫箱排氣閥、液氫加泄閥、液氫回流控制閥控制氣氣封的供氣壓力、流量，以及單向閥工作情況進(jìn)行檢查測(cè)試。

動(dòng)力系統(tǒng)匹配測(cè)試主要完成動(dòng)力系統(tǒng)時(shí)序單步測(cè)試和氫箱自生增壓匹配測(cè)試。動(dòng)力系統(tǒng)時(shí)序單步測(cè)試主要檢查控制系統(tǒng)、動(dòng)力測(cè)控系統(tǒng)對(duì)增壓輸送系統(tǒng)、YF-77發(fā)動(dòng)機(jī)的電磁閥的控制通路、時(shí)序，考核動(dòng)力系統(tǒng)控制電磁閥與被控閥門的匹配性。芯一級(jí)氫箱采用三路壓力傳感器通過控制系統(tǒng)附加控制器控制并聯(lián)冗余的電磁閥進(jìn)行增壓控制，氫箱自生增壓匹配測(cè)試主要包括不帶氣下的模擬增壓壓力測(cè)試，以及帶氣下的動(dòng)力-控制-測(cè)量匹配測(cè)試。在動(dòng)力系統(tǒng)帶氣狀態(tài)下氫箱自生增壓匹配測(cè)試主要進(jìn)行控制系統(tǒng)附加控制器與測(cè)量系統(tǒng)壓力信號(hào)傳輸、信號(hào)處理和增壓電磁閥控制邏輯的檢測(cè)。氫箱自生增壓匹配測(cè)試過程的模擬壓力如圖2所示。

圖1　出廠測(cè)試流程

圖2　芯一級(jí)氫箱自生增壓測(cè)試壓力（模擬）

2 新型號(hào)與成熟型號(hào)動(dòng)力系統(tǒng)出廠測(cè)試對(duì)比

2.1 成熟型號(hào)動(dòng)力系統(tǒng)出廠測(cè)試現(xiàn)狀

我國(guó)航天運(yùn)載技術(shù)經(jīng)過五十多年的發(fā)展，先后成功研制了長(zhǎng)征一號(hào)、長(zhǎng)征二號(hào)、長(zhǎng)征三號(hào)、長(zhǎng)征四號(hào)等系列運(yùn)載火箭。成熟型號(hào)運(yùn)載火箭如：長(zhǎng)三系列、長(zhǎng)二系列由于都是成熟的型號(hào)具體參數(shù)如表1所示，無論從總裝還是測(cè)試基本上能夠熟練完成，動(dòng)力系統(tǒng)測(cè)試內(nèi)容在總裝期間也基本完成，未完成的測(cè)試項(xiàng)目在測(cè)試期間也是很少的。比如長(zhǎng)三甲三級(jí)需要進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)單元測(cè)試、常溫氦氣瓶增壓、冷氦氣瓶增壓等所需人員和使用工時(shí)如表2所示。所以現(xiàn)役成熟型號(hào)動(dòng)力系統(tǒng)在使用較少人員應(yīng)用傳統(tǒng)操作模式下能夠高效的滿足測(cè)試任務(wù)。

表1　CZ-3和CZ-2系列成熟火箭參數(shù)

表2　CZ-3A芯三級(jí)測(cè)試所需人員和工時(shí)

2.2 新型號(hào)動(dòng)力系統(tǒng)出廠測(cè)試現(xiàn)狀

CZ-5是我國(guó)新一代大型運(yùn)載火箭，基于50t液氫/液氧發(fā)動(dòng)機(jī)，主體芯級(jí)火箭采用5m直徑模塊，助推器采用3.35m直徑模塊和2.25m直徑模塊。其現(xiàn)有型號(hào)參數(shù)如表3所示。

表3　CZ-5系列火箭主要參數(shù)

從以上運(yùn)載火箭參數(shù)可以看出，新一代運(yùn)載火箭從芯級(jí)箭體半徑到助推箭體半徑都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于現(xiàn)有火箭，因此在動(dòng)力系統(tǒng)出廠測(cè)試期間就需要使用更長(zhǎng)、更多的地面管路為測(cè)試項(xiàng)目提供氣源，并且在測(cè)試期間控制系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)上電測(cè)試時(shí)會(huì)有微波輻射，但是動(dòng)力系統(tǒng)測(cè)試人員卻要在離輻射源很近的地方操作，這樣就為測(cè)試任務(wù)帶來了更多的硬件上的限制和不安全因素，為了使動(dòng)力系統(tǒng)出廠測(cè)試不會(huì)成為所有測(cè)試系統(tǒng)中工作量龐大但是效率不高的測(cè)試系統(tǒng)，需要對(duì)現(xiàn)有測(cè)試方式進(jìn)行向數(shù)字化、信息化、智能化轉(zhuǎn)變。

3 動(dòng)力系統(tǒng)數(shù)字化應(yīng)用方法

3.1 總體結(jié)構(gòu)

為了在出廠測(cè)試使用的配氣臺(tái)能夠遠(yuǎn)程控制，并且能夠在電腦顯示器上實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)動(dòng)力系統(tǒng)出廠測(cè)試的各個(gè)傳感器所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，因此對(duì)現(xiàn)有手動(dòng)配氣臺(tái)進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)。該套數(shù)字化改進(jìn)設(shè)備由硬件結(jié)構(gòu)以及上位機(jī)軟件兩部分組成，上位機(jī)軟件通過TCP/IP協(xié)議與控制單元以及外系統(tǒng)聯(lián)系，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　數(shù)字化設(shè)備總體結(jié)構(gòu)

3.2 硬件結(jié)構(gòu)

硬件結(jié)構(gòu)中利用已有的配氣臺(tái)進(jìn)行改造作為我們這套數(shù)字化設(shè)備的配氣臺(tái)。將各路管路上并聯(lián)加入開關(guān)兩路控制電磁閥已取代手動(dòng)開關(guān)手閥，保證打開關(guān)閉的準(zhǔn)確性，同時(shí)為了消除電磁閥產(chǎn)生的反向電壓使用電路如圖4所示。

圖4　電磁閥消反峰電路

控制單元作為該套設(shè)備的核心結(jié)構(gòu)，主要包括控制模塊、電源模塊、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)傳輸以及傳感器等組成，如圖5所示?？刂颇K使用工業(yè)西門子PLC控制繼電器，使用自身的CPU完成程序存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)處理；數(shù)據(jù)采集使用美國(guó)NI公司PXI多通道數(shù)據(jù)采集板卡；數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)用以太網(wǎng)或光纖傳輸；傳感器位于配氣臺(tái)各個(gè)管路中和箭體上，通過數(shù)采模塊將數(shù)據(jù)輸送到PLC控制器中；電源模塊為各個(gè)模塊提供電源33V和28V可調(diào)電壓。

圖5　硬件結(jié)構(gòu)

使用PLC相對(duì)應(yīng)的編輯器對(duì)PLC進(jìn)行編程完成自動(dòng)程序中對(duì)各個(gè)相關(guān)電磁閥的控制，只要各個(gè)系統(tǒng)時(shí)序保持一致性就不需要測(cè)試人員在對(duì)各個(gè)電磁閥進(jìn)行操作。圖6所示為貯箱射前增壓控制程序流程。

圖6　貯箱射前增壓控制程序

圖7　登陸界面

3.3 上位機(jī)軟件

上位機(jī)軟件主要完成指揮口令應(yīng)答與轉(zhuǎn)發(fā)功能，直流供電電源監(jiān)控功能，反饋狀態(tài)的的回采功能，控制指令下達(dá)功能，有線測(cè)量參數(shù)采集功能，遙測(cè)參數(shù)的接收功能，與外系統(tǒng)的信息交互功能，系統(tǒng)日志功能。

CZ-5火箭各模塊均有相對(duì)應(yīng)的操作軟件。芯二級(jí)增加輔助動(dòng)力貯箱加溫控制，助推模塊沒有增加功能，圖7和圖8分別為軟件登陸界面和芯一級(jí)主界面。

圖8　芯一級(jí)主界面

4 結(jié)束語

新一代運(yùn)載火箭CZ-5是我國(guó)目前研制生產(chǎn)的半徑最大，運(yùn)載能力最大的火箭，它承載著國(guó)家走向太空的重任。因此CZ-5的出廠測(cè)試就成了運(yùn)載火箭出廠的重中之重，我們本著高可靠，高效能，高技術(shù)的原則進(jìn)行動(dòng)力系統(tǒng)出廠測(cè)試數(shù)字化改進(jìn)，對(duì)于運(yùn)載火箭出廠測(cè)試將是前所未有的提高。

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