武 強，蔡 迪，牛 祿，潘科瑋，楊 斌，陳曉龍

(1.上海理工大學(xué) 顆粒與兩相流測量研究所/上海市動力工程多相流動與傳熱重點實驗室，上海 200093；2.上海航天動力技術(shù)研究所，上海 201109)

0 引言

燃?xì)忾y是飛行器姿軌控動力系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，其啟閉動態(tài)特性直接影響飛行器姿軌控制效果[1-3]。在姿軌控動力系統(tǒng)中，燃?xì)獍l(fā)生器產(chǎn)生高溫燃?xì)?，通過多個燃?xì)忾y及推力控制裝置來實現(xiàn)飛行器的換軌姿控[4-7]。燃?xì)忾y啟閉響應(yīng)時間是其中重要的參數(shù)之一[8-9]。目前，燃?xì)忾y啟閉響應(yīng)時間通?；趬毫?、推力等參數(shù)測量分析確定[10-12]，這些接觸式測量方法存在如下問題：測壓通道充排氣帶來的誤差；需要開孔安裝傳感器；只能用于單閥，集成樣機受空間位置限制；供氣管路對推力測量的干擾。因此，上述方法，已無法適應(yīng)近年來高動態(tài)姿軌控發(fā)動機的發(fā)展，給樣機的設(shè)計、驗證與控制都帶來了難度。

本文提出利用激光照射燃?xì)忾y羽流，通過分析其透射光強變化情況來確定燃?xì)忾y響應(yīng)特性的光學(xué)測量方法，并基于該方法搭建固體姿軌控發(fā)動機燃?xì)忾y單閥冷態(tài)測試試驗臺，開展燃?xì)忾y啟閉響應(yīng)時間測量，并研究不同工作壓強對燃?xì)忾y響應(yīng)時間的影響。

1 測量原理與裝置

當(dāng)激光光束入射到噴管羽流時，由于顆粒或者氣體折射率變化將向空間四周散射，透射光強將瞬時發(fā)生變化，而光強的變化很大程度可表征燃?xì)忾y的工作狀態(tài)，由此提出利用激光照射燃?xì)忾y羽流，通過分析其光強變化情況來確定燃?xì)忾y響應(yīng)特性的光學(xué)測量方法。測量原理如圖1所示，在燃?xì)忾y羽流設(shè)置激光器與光電探測器，激光入射羽流，由于顆?；驓饬髟斐傻恼凵渎首兓鹜干涔鈴姲l(fā)生改變，利用光強變化情況表征燃?xì)忾y羽流狀態(tài)，從而分析確定燃?xì)忾y啟閉響應(yīng)時間。這一光學(xué)測量方法具有結(jié)構(gòu)簡單、時間響應(yīng)極快等優(yōu)勢。

圖1 測量原理示意圖Fig.1 Schematic of measurement

如圖2所示，當(dāng)燃?xì)忾y啟動控制信號t01時刻發(fā)出，燃?xì)忾y響應(yīng)后透射光強發(fā)生變化，至t1時刻波動趨于穩(wěn)定，認(rèn)為流場穩(wěn)定建立；燃?xì)忾y關(guān)閉控制信號t02時刻發(fā)出，燃?xì)忾y響應(yīng)，t2時刻透射光信號波動；t3時透射光強趨于穩(wěn)定。因此，可根據(jù)光強信號分析得到燃?xì)忾y響應(yīng)時刻特征點：t1和t2時刻分別為燃?xì)忾y啟、閉響應(yīng)特征點，t3時刻為燃?xì)忾y完全關(guān)閉響應(yīng)時刻特征點。由此結(jié)合控制信號可確定燃?xì)忾y啟、閉響應(yīng)時間及完全關(guān)閉特征時間:

t啟=t1-t01

(1)

t閉=t2-t02

(2)

t完全關(guān)閉=t3-t02

(3)

圖2 典型數(shù)據(jù)分析Fig.2 Typical data of measurement

2 實驗系統(tǒng)與裝置

燃?xì)忾y單閥冷態(tài)測試試驗臺如圖3所示。燃?xì)忾y安裝于實驗臺架上，利用氮氣充填腔體，保持一定工作壓強，利用壓強傳感器測量閥體內(nèi)壓強，同時在實驗臺架上設(shè)置推力傳感器測量氮氣經(jīng)燃?xì)忾y噴管噴出產(chǎn)生的推力，燃?xì)忾y由電磁閥控制產(chǎn)生高頻作動。實驗采用的電磁閥在控制信號低電平開啟，高電平關(guān)閉。在噴管出口處安裝光學(xué)測量裝置，激光器發(fā)出激光，經(jīng)噴管出口羽流區(qū)后由探測器接收，并利用數(shù)據(jù)采集卡采集，傳輸至計算機存儲及處理。

圖3 測試系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of test system

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 典型數(shù)據(jù)處理與分析

利用上述燃?xì)忾y單閥冷態(tài)測試試驗臺，開展了7.0 MPa工作壓強燃?xì)忾y啟閉響應(yīng)時間測量實驗，獲得單閥冷態(tài)多次連續(xù)實驗數(shù)據(jù)，其中數(shù)據(jù)采集頻率為100 kHz。以圖4所示4.38～4.56 s時間段實驗數(shù)據(jù)為例，對透射光強信號進行帶通濾波處理獲得的信號進行分析，實驗開始后4.407 69 s時刻發(fā)出電磁閥開啟控制信號，帶通濾波后的光強信號在一定時間后發(fā)生較為劇烈的波動后進入穩(wěn)定段，以進入穩(wěn)定段的時刻4.411 54 s作為燃?xì)忾y開啟響應(yīng)時間特征點，可確定該燃?xì)忾y開啟響應(yīng)時間為3.85 ms；實驗在4.507 69 s時刻發(fā)出燃?xì)忾y關(guān)閉控制信號，帶通濾波后的光強信號在4.518 82 s時刻由穩(wěn)定段發(fā)生劇烈起伏變化且信號衰減較低，以該時刻電磁閥關(guān)閉響應(yīng)時間特征點，可確定該燃?xì)忾y關(guān)閉響應(yīng)時間為11.13 ms；帶通濾波后的光強信號在4.527 26 s時刻轉(zhuǎn)變?yōu)轭愃迫細(xì)忾y開啟前的光強信號，以該時刻作為燃?xì)忾y完全關(guān)閉響應(yīng)時間特征點，可確定該燃?xì)忾y完全關(guān)閉響應(yīng)時間為19.57 ms。因此，利用帶通濾波對透射光強信號進行處理，可有效確定燃?xì)忾y啟閉特征點，從而得到燃?xì)忾y啟閉響應(yīng)時間。

3.2 連續(xù)多次重復(fù)測量結(jié)果與分析

對連續(xù)多次高頻作動信號進行分析，上述特征點重復(fù)性較好，利用這些特征點的選取可有效實現(xiàn)燃?xì)忾y啟閉響應(yīng)時間測量。對單次燃?xì)忾y實驗數(shù)據(jù)進行處理，獲得9組電磁閥響應(yīng)時間測量結(jié)果如表1所示，可分析燃?xì)忾y啟動響應(yīng)時間、關(guān)閉響應(yīng)時間、完全關(guān)閉響應(yīng)時間分別為(3.85±0.04)、(10.97±0.07)、(20.45±0.3) ms。由此可知，燃?xì)忾y響應(yīng)時間測量結(jié)果重復(fù)性較好，利用該方法及其特征點的選取對于燃?xì)忾y響應(yīng)時間測量有效。

圖4 典型測量信號Fig.4 Typical signal of detector

序號開啟響應(yīng)時間關(guān)閉響應(yīng)時間完全關(guān)閉響應(yīng)時間13．7110．7120．8523．7010．9319．6033．8511．1319．5743．9011．2621．9853．7511．2619．3863．8211．0220．6273．8910．6619．4784．0010．8721．9294．0010．9220．65平均響應(yīng)時間3．8510．9720．45不確定度0．040．070．3

3.3 不同工作壓強電磁閥時間響應(yīng)測量

如圖5所示，為燃?xì)忾y在5.0、7.0 MPa兩種不同工作壓強的透射光強信號。

對比可知，當(dāng)工作壓強較低(5.0 MPa)時，透射光強的穩(wěn)定性較差；當(dāng)工作壓強較高(7.0 MPa)時，透射光強的穩(wěn)定性較好，這與羽流流動情況吻合。因此，該光學(xué)測量方法獲得的透射光強信號可有效的顯示燃?xì)忾y噴管羽流的流動情況。

雖然在壓強較低(5.0 MPa)時透射光強波動規(guī)律與較高壓力(7.0 MPa)不同，但信號帶通濾波后仍然存在相似特征點，仍然可分析得到燃?xì)忾y啟閉響應(yīng)時間。兩種工作壓強下燃?xì)忾y啟閉響應(yīng)時間結(jié)果如表2所示，可知當(dāng)燃?xì)忾y工作壓強提升，燃?xì)忾y開啟響應(yīng)時間由7.86 ms縮短至3.69 ms，關(guān)閉響應(yīng)時間由7.53 ms增加至10.84 ms，完全關(guān)閉響應(yīng)時間由16.97 ms增加至19.47 ms。因此，該光學(xué)測量方法能有效獲得不同工作壓強下燃?xì)忾y啟閉響應(yīng)時間。

(a)5.0 MPa

(b) 7.0 MPa圖5 不同工作壓強下響應(yīng)曲線Fig.5 Signal curves in different working pressure

壓強/MPa開啟響應(yīng)時間關(guān)閉響應(yīng)時間完全關(guān)閉響應(yīng)時間5．07．867．5316．977．03．6910．8419．47

3.4 典型壓強與推力參數(shù)結(jié)果對比分析與討論

燃?xì)忾y單閥冷態(tài)測試試驗典型壓強與推力變化如圖6所示，該試驗采用電磁閥在控制信號高電平開啟，低電平關(guān)閉。根據(jù)壓強與推力信號作為目標(biāo)參數(shù)分析，得到燃?xì)忭憫?yīng)時間結(jié)果如表3所示，可知以推力作為目標(biāo)參數(shù)優(yōu)于以壓強作為目標(biāo)參數(shù)分析，這是壓強傳感器測量管路帶來的壓強響應(yīng)延時導(dǎo)致。由于該試驗燃?xì)忾y工作壓力為6.0 MPa，未與光學(xué)測量試驗同步測試，燃?xì)忾y啟閉響應(yīng)時間測量無法比較，但仍然可以驗證光學(xué)測量方法的測量有效性。應(yīng)用光學(xué)非接觸式測量方法可有效消除接觸式測量產(chǎn)生的干擾與測量偏差，這為后續(xù)發(fā)動機集成演示試驗提供了一種易于實現(xiàn)的測量方案。

圖6 典型壓強和推力參數(shù)曲線Fig.6 Typical pressure and thrust curves of gas valve

目標(biāo)參數(shù)開啟響應(yīng)時間關(guān)閉響應(yīng)時間壓強7．4313．82推力6．2411．31

4 結(jié)論

(1)提出的利用激光照射燃?xì)忾y羽流，通過分析其光強變化情況來確定燃?xì)忾y響應(yīng)特性的光學(xué)測量方法，并利用帶通濾波方式，通過選取合適的頻率閾值可有效分辨燃?xì)忾y啟閉狀態(tài)，通過燃?xì)忾y單閥冷態(tài)試驗結(jié)果可知，該方法可有效顯示羽流的流動情況，實現(xiàn)燃?xì)忾y啟閉響應(yīng)時間的測量，且多次測量重復(fù)性較好。

(2)相對于目前通過壓強、推力等參數(shù)測試確定燃?xì)忾y響應(yīng)時間來說，提出的光學(xué)測量方法具有時間響應(yīng)快、可有效消除接觸式測量產(chǎn)生的干擾與測量偏差等優(yōu)勢，為后續(xù)發(fā)電機集成演示試驗提供了一種易于實現(xiàn)的測量方案。

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