毛安元，王 勇，楊 斌，蔡 迪， 潘科瑋，陳曉龍，牛 祿

(1.上海理工大學(xué)顆粒與兩相流測(cè)量研究所/上海市動(dòng)力工程多相流動(dòng)與傳熱重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200093； 2.上海航天動(dòng)力技術(shù)研究所，上海 201109)

0 引言

姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)(Divert and Attitude Control Motor,DACM)主要用于運(yùn)載火箭末級(jí)、導(dǎo)彈彈頭和各類航天器的姿態(tài)控制[1-4]。在姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)中，燃?xì)忾y通過(guò)調(diào)節(jié)燃?xì)獍l(fā)生器產(chǎn)生高溫燃?xì)獾膯㈤]及流量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器的軌道與姿態(tài)控制，是飛行器高精度目標(biāo)控制的關(guān)鍵，燃?xì)忾y的啟閉動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性直接影響到導(dǎo)彈姿態(tài)控制和軌道控制效果[5-8]。因此，有效準(zhǔn)確獲得燃?xì)忾y啟閉響應(yīng)特性對(duì)提高控制精度具有重要意義[9-10]。

目前，姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)忾y研究主要在燃?xì)忾y內(nèi)流場(chǎng)分布，主要借助數(shù)值模擬來(lái)分析燃?xì)忾y啟閉狀態(tài)下的流場(chǎng)分布和壓力分布[11-13]。燃?xì)忾y的啟閉動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性主要用閥門啟閉響應(yīng)時(shí)間來(lái)表征，目前主要基于壓力傳感器測(cè)量燃?xì)忾y腔體壓力或利用推力傳感器測(cè)量推力分析得到[14]。北京理工大學(xué)任法璞采用敲擊法與模態(tài)試驗(yàn)法開展了推力測(cè)試臺(tái)動(dòng)態(tài)性能研究，并采用雙模態(tài)阻尼補(bǔ)償與仿真優(yōu)化的方法對(duì)推力測(cè)試臺(tái)動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行改進(jìn)[15]。然而這些常規(guī)接觸式測(cè)量方法需要對(duì)燃?xì)忾y進(jìn)行特殊加工或工裝實(shí)現(xiàn)，僅用于燃?xì)忾y單閥性能演示與驗(yàn)證，無(wú)法用于集成化的姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)。對(duì)此，武強(qiáng)等提出利用激光照射單個(gè)燃?xì)忾y羽流并分析其透射光強(qiáng)變化情況來(lái)確定燃?xì)忾y啟閉響應(yīng)特性的光學(xué)測(cè)量方法。這種光學(xué)測(cè)量方法具有快速響應(yīng)、非接觸式、對(duì)流場(chǎng)無(wú)干擾等優(yōu)勢(shì)，使得姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)集成試驗(yàn)多閥啟閉特性同步測(cè)試成為可能[16]。

本文在此基礎(chǔ)上研制六通道光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，利用激光同時(shí)照射六燃?xì)忾y羽流，開展六通道姿軌發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)忾y響應(yīng)特性同步測(cè)量冷態(tài)試驗(yàn)，根據(jù)各燃?xì)忾y透射光強(qiáng)信號(hào)波動(dòng)規(guī)律獲得啟閉響應(yīng)特性，可為驗(yàn)證燃?xì)忾y響應(yīng)特性以及高精度控制提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)支撐。

1 測(cè)量原理與裝置

如圖1所示，當(dāng)一束激光經(jīng)過(guò)噴管周期啟閉噴出的羽流時(shí)，因這些羽流中存在顆粒或密度變化，激光將發(fā)生周期散射或偏折，導(dǎo)致激光光強(qiáng)出現(xiàn)周期波動(dòng)，通過(guò)分析燃?xì)忾y啟閉控制信號(hào)與透射光強(qiáng)信號(hào)階躍點(diǎn)的關(guān)系可確定燃?xì)忾y啟閉響應(yīng)時(shí)間。

由于燃?xì)忾y周期性啟閉會(huì)引起的透射信號(hào)波動(dòng)頻率相應(yīng)發(fā)生變化，因此可對(duì)該信號(hào)進(jìn)行帶通濾波處理。原始透射光強(qiáng)信號(hào)xn，通過(guò)帶通濾波器得到帶通濾波后信號(hào)yn：

yn=hn×xn

(1)

式中hn為帶通濾波響應(yīng)函數(shù)。

圖1 測(cè)量原理示意圖

由此可得如圖2所示的典型單個(gè)周期控制信號(hào)、探測(cè)光強(qiáng)信號(hào)隨時(shí)間變化曲線和對(duì)探測(cè)信號(hào)濾波得到的濾波曲線。

圖2 典型數(shù)據(jù)分析

燃?xì)忾y開啟控制時(shí)刻為t1，燃?xì)忾y關(guān)閉控制時(shí)刻為t2，根據(jù)濾波信號(hào)階躍變化特征點(diǎn)獲得探測(cè)器探測(cè)到氣流實(shí)際噴出引起光強(qiáng)波動(dòng)時(shí)刻為t01，探測(cè)到無(wú)氣流引起波動(dòng)時(shí)刻為t02，可認(rèn)為t01和t02之間為燃?xì)忾y開啟狀態(tài)。因此，可確定姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)忾y啟閉響應(yīng)時(shí)間分別為

topen=t01-t1

(1)

tclose=t02-t2

(2)

基于上述原理搭建姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)忾y多閥響應(yīng)特性同步測(cè)量冷態(tài)試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)如圖3所示。該姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)具有6個(gè)燃?xì)忾y，在每個(gè)燃?xì)忾y出口處安裝測(cè)量段。測(cè)量段中，激光器與探測(cè)器對(duì)應(yīng)安裝，激光器發(fā)出激光，經(jīng)羽流由對(duì)應(yīng)的探測(cè)器接收。燃?xì)忾y電磁鐵作動(dòng)由控制器發(fā)出的不同頻率方波信號(hào)控制。6路探測(cè)器信號(hào)及控制器同步控制信號(hào)接入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集記錄。

圖3 測(cè)量裝置與系統(tǒng)

6個(gè)燃?xì)忾y對(duì)應(yīng)6路頻率不同的控制信號(hào)，當(dāng)控制信號(hào)輸入時(shí)，各個(gè)燃?xì)忾y工作開始周期性作動(dòng)，此時(shí)氮?dú)庥鹆鹘?jīng)閥門噴出，激光器發(fā)出激光經(jīng)氮?dú)庥鹆靼l(fā)生信號(hào)衰減，探測(cè)裝置接收發(fā)生信號(hào)衰減變化的信號(hào)并將其傳輸給采集卡和計(jì)算機(jī)完成6閥數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)。該實(shí)驗(yàn)裝置相比單閥實(shí)驗(yàn)裝置可同步探測(cè)6路不同頻率的衰減信號(hào)，同步獲得6路不同頻率下的燃?xì)忾y啟閉動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 典型數(shù)據(jù)處理與分析

利用上述燃?xì)忾y六通道光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)冷態(tài)試驗(yàn)多閥響應(yīng)特性，同時(shí)獲得了冷態(tài)試驗(yàn)過(guò)程6個(gè)燃?xì)忾y羽流光學(xué)響應(yīng)信號(hào)。典型單周期透射光強(qiáng)信號(hào)與相應(yīng)的控制信號(hào)如圖4所示，可見(jiàn)透射光強(qiáng)信號(hào)在燃?xì)忾y閉合狀態(tài)下波動(dòng)較小，當(dāng)燃?xì)忾y開啟，噴管氣流導(dǎo)致光強(qiáng)發(fā)生較大波動(dòng)；當(dāng)燃?xì)忾y關(guān)閉，透射光強(qiáng)信號(hào)又恢復(fù)到初始狀態(tài)，并且這一特征具有一致性和重復(fù)性。

因此，對(duì)透射光強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行帶通濾波，濾波后的信號(hào)有明顯的階躍點(diǎn)，以此為特征點(diǎn)，根據(jù)前述測(cè)量原理，可獲得燃?xì)忾y啟閉響應(yīng)時(shí)間。以圖4信號(hào)為例，控制信號(hào)上升沿時(shí)刻為1030.45 ms，燃?xì)忾y接受該控制信號(hào)進(jìn)行作動(dòng)，氣流噴出，相應(yīng)的透射光強(qiáng)信號(hào)發(fā)生變化，階躍點(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)刻為1035.23 ms，由此可獲得燃?xì)忾y開啟響應(yīng)時(shí)間為4.78 ms。控制信號(hào)下降沿時(shí)刻為1080.19 ms，燃?xì)忾y接受該控制信號(hào)關(guān)閉，相應(yīng)的透射光強(qiáng)恢復(fù)到初始狀態(tài)，階躍點(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)刻為1084.22 ms，由此可獲得燃?xì)忾y關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間為4.03 ms。因此，通過(guò)這一測(cè)量與數(shù)據(jù)分析方法，可有效同步獲得6個(gè)燃?xì)忾y啟閉響應(yīng)時(shí)間。

圖4 典型實(shí)驗(yàn)信號(hào)及其處理

2.2 單閥多頻率試驗(yàn)結(jié)果分析

不同頻率控制下，燃?xì)忾y相應(yīng)的啟閉響應(yīng)特性也不同。試驗(yàn)時(shí)序采用7個(gè)不同頻率的控制時(shí)間序列，分別是5、20、10、5、10、20、50 Hz。取測(cè)量段1信號(hào)對(duì)應(yīng)的5、10、20、50 Hz頻率透射光強(qiáng)信號(hào)分析，如圖5所示。

由圖5可見(jiàn)，當(dāng)信號(hào)頻率為5、10、20 Hz時(shí)，探測(cè)信號(hào)周期變化明顯，可根據(jù)上述方法準(zhǔn)確確定燃?xì)忾y啟閉特征點(diǎn)；當(dāng)控制頻率為50 Hz時(shí)，對(duì)應(yīng)的透射光強(qiáng)信號(hào)周期變化較弱，燃?xì)忾y接收關(guān)閉信號(hào)后透射光強(qiáng)無(wú)法恢復(fù)到初始狀態(tài)，由此可判斷在50 Hz控制頻率下，由于燃?xì)忾y電磁鐵作動(dòng)較快，燃?xì)膺€未完全關(guān)閉時(shí)，電磁鐵就接收到開啟信號(hào)打開燃?xì)忾y，因此可根據(jù)透射光強(qiáng)信號(hào)是否恢復(fù)到原始信號(hào)來(lái)判斷燃?xì)忾y是否完全關(guān)閉。

(a)5 Hz (b)10 Hz

(c)20 Hz (d)50 Hz

2.3 多閥多頻率試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)同步獲得了6個(gè)燃?xì)忾y啟閉響應(yīng)數(shù)據(jù)，取10 Hz控制頻率時(shí)間序列測(cè)量段1和段4的透射光強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行分析，如圖6所示。在該控制頻率時(shí)間序列中，測(cè)量段1和段4對(duì)應(yīng)燃?xì)忾y控制頻率均為10 Hz，但交替啟閉作動(dòng)。因此，在圖6中可見(jiàn)，控制信號(hào)發(fā)出后，測(cè)量段1和測(cè)量段2獲得的透射光強(qiáng)信號(hào)成交替規(guī)律，驗(yàn)證了燃?xì)忾y在該控制時(shí)序下的啟閉效果。

表1 單閥多頻率響應(yīng)特性

(a) 測(cè)量段1的10 Hz 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 (b) 測(cè)量段4的10 Hz 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于上述方法，對(duì)2個(gè)測(cè)量段6個(gè)周期的透射光強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行帶通濾波，分析燃?xì)忾y啟閉響應(yīng)特征點(diǎn)，從而得到相應(yīng)的啟閉響應(yīng)時(shí)間，如表2所示，測(cè)量段1和段4的燃?xì)忾y啟閉動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間不同。

由于啟閉響應(yīng)時(shí)間是燃?xì)忾y的固有特性，對(duì)于不同的燃?xì)忾y，若要保證控制精度，必須對(duì)每個(gè)燃?xì)忾y進(jìn)行啟閉響應(yīng)測(cè)試，在設(shè)計(jì)控制信號(hào)時(shí)，應(yīng)將燃?xì)忾y啟閉響應(yīng)時(shí)間考慮，才能保證控制精度。

表2 測(cè)量段1和段4響應(yīng)特性

3 結(jié)論

(1) 該試驗(yàn)基于光學(xué)方法研制的用于姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)冷態(tài)試驗(yàn)測(cè)試的六通道光學(xué)非接觸式測(cè)量系統(tǒng)，獲得了冷態(tài)試驗(yàn)過(guò)程6個(gè)燃?xì)忾y羽流光學(xué)響應(yīng)信號(hào)，通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行帶通濾波分析，可同步獲得了多個(gè)燃?xì)忾y的啟閉響應(yīng)時(shí)間，驗(yàn)證燃?xì)忾y啟閉響應(yīng)規(guī)律，并且實(shí)驗(yàn)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)誤差小于0.30 ms，可為姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)提供有效準(zhǔn)確的快速非接觸式測(cè)量方法。

(2) 燃?xì)忾y在5、10、20 Hz控制頻率下透射光強(qiáng)重復(fù)性較好，可以通過(guò)帶通濾波獲得階躍變化特征點(diǎn)，從而得到燃?xì)忾y啟閉響應(yīng)時(shí)間；但在50 Hz控制頻率下，由于燃?xì)忾y電磁鐵作動(dòng)較快，燃?xì)忾y未完全閉合，因此無(wú)法獲得燃?xì)忾y啟閉階躍變化特征點(diǎn)。