基于STM32的航天發(fā)動機管路多余物控制系統(tǒng)

曹 純，張 偉，李志剛，管 理

（北京航天試驗技術(shù)研究所，北京，100074）

0 引言

航天發(fā)動機是導(dǎo)彈、火箭和航天器等的推進裝置，其可靠性直接決定了航天系統(tǒng)的性能和壽命。多余物是影響發(fā)動機性能的主要原因之一。1992年3月22日，我國與澳大利亞合作的第一顆澳星，由于火箭內(nèi)存在鋁質(zhì)多余物而點火失敗并造成了巨大的航天事故[1-2]。發(fā)動機的生產(chǎn)制造包含諸多工藝環(huán)節(jié)，在焊接和組裝等加工過程中會引入各種顆粒，如金屬屑，焊錫渣及點焊飛濺物等微粒，最終封閉在產(chǎn)品內(nèi)形成多余物；發(fā)動機在工作中常處于高加速度或劇烈沖擊下，多余物移動過程具有很大隨機性，或懸浮于腔體內(nèi)，或掉落在某些接觸部位，可能引起電路短路、管道堵塞及運轉(zhuǎn)部件卡死，導(dǎo)致飛行試驗失敗，造成嚴重的航天事故[3]。因此，多余物的檢測和控制是航天發(fā)動機設(shè)計和試驗過程中一項重要內(nèi)容。

1 航天產(chǎn)品多余物檢測技術(shù)現(xiàn)狀

根據(jù)QJ2850-96《航天產(chǎn)品多余物預(yù)防與控制》中對多余物的定義：“多余物”是指產(chǎn)品中存在的由外部進入或內(nèi)部生產(chǎn)與產(chǎn)品規(guī)定狀態(tài)(包括設(shè)計文件、工藝文件和標準文件規(guī)定)無關(guān)的一切物品[4]。目前，對多余物可被分為以下幾類，如表1所示。

表1 發(fā)動機多余物分類Tab.1 Classification of engine foreign object debris

目前，國內(nèi)外對多余物檢測的研究主要集中在密封電子元器件的檢測，檢測方法主要有人工檢測法、X光檢測法、馬特拉方法和微粒碰撞噪聲檢測法[5-6]。針對火箭發(fā)動機的多余物檢測研究則剛剛起步，仍具有很大的發(fā)展空間。

針對火箭發(fā)動機的多余物檢測所采取的最常用的方法為人工檢測。包括借助低倍放大鏡或工業(yè)內(nèi)窺鏡檢查，即在試驗前依靠技術(shù)人員使用放大鏡等觀察器件內(nèi)部是否存在多余物。此外，人工檢測還包括轉(zhuǎn)動聽聲檢查，用于組件和整機的總檢，通過晃動或滾動聽多余物的響聲。人工檢測受被測試件結(jié)構(gòu)影響極大，僅具備檢測器件表層多余物的能力，且檢出多余物的概率極大程度受人員疲勞程度的影響。此外，在檢測過程中易引入發(fā)絲、碎屑等其他多余物，并且無法在測量前端器件連接后進行檢測。

X光鏡檢測法克服了人工檢測的部分不足，使得檢測可在器件密封后進行，該方法主要是對發(fā)動機試驗管道和腔體內(nèi)部檢查。即采用X光照射被測試件，通過觀察X光成像以確定試件是否存在多余物。但該方法的檢測精度易受試件結(jié)構(gòu)和多余物密度的影響，分辨率較低且成本較高[7]。

目前，常用的航天發(fā)動機管路多余物清洗主要依靠酒精和四氯化碳等脂溶性溶劑進行沖洗。在清洗后對管路進行晾干、吹干或用棉絲擦拭。清洗過程無法由單人操作，需兩人及以上配合完成，且清洗過程耗時較長，需通過人工進行反復(fù)清洗。然而，在此過程中，容易引入酒精、棉屑等其他多余物，影響管路的潔凈度。針對測壓管路的潔凈度要求目前尚無權(quán)威性的文件，根據(jù)試驗任務(wù)書的要求，通常將5～15 μm的顆粒物控制在1 500個以下；15～25 μm的顆粒物控制在500個以下；25～50 μm的顆粒物控制在50個以下；尺寸大于100 μm的顆粒物控制在10個以下。

本文旨在搭建一種發(fā)動機管路的多余物檢測清洗設(shè)備。旨在解決發(fā)動機管路傳統(tǒng)多余物檢測方法效率低、精度差、運行狀態(tài)不平穩(wěn)造成機械沖擊干擾等問題。對于多余物的檢測和排除具有重要意義。

2 系統(tǒng)組成及工作原理

本系統(tǒng)基于STM32微處理器的控制功能設(shè)計，根據(jù)液體火箭發(fā)動機管路的結(jié)構(gòu)、尺寸、形狀、體積、重量及不允許造成損傷等因素考慮，采用超聲波清洗的方式，排除管路內(nèi)的多余物。

超聲波清洗與其他清洗相比具有洗凈率高、殘留物少，清洗時間短，清洗效果好的優(yōu)點。凡是能被液體浸到的清洗件，超聲波均有清洗作用，如深孔、狹縫、凹槽都能得到清洗，不受清洗件結(jié)構(gòu)和形狀的限制。

發(fā)動機管路多余物清洗檢測系統(tǒng)主要包括超聲波清洗裝置、顆粒物檢測裝置和信號采集及調(diào)理部分。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure of contamisants control system

超聲波管路清洗裝置的工作過程如下：將發(fā)動機管路放入清洗槽內(nèi)，清洗槽的內(nèi)部由聚四氟乙烯包裹，保證管路在清洗過程中不受震蕩或沖擊。開始清洗時，放液槽通過進液管向清洗槽內(nèi)放洗滌溶劑，在清洗槽內(nèi)設(shè)置液位計，實時監(jiān)測容器內(nèi)的液體，至液面滿足程序設(shè)定要求。洗滌溶液足夠后則開始清洗，由超聲波發(fā)生器發(fā)出的高頻振蕩信號，通過電纜聯(lián)結(jié)線傳導(dǎo)給換能器，換能器隨之產(chǎn)生高頻共振，清洗容器中的溶劑受超聲波作用對污垢進行洗凈。清洗裝置示意圖如圖2所示。

圖2 超聲波清洗裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of ultrasonic cleaning device

清洗管路后的洗滌溶劑靜置后，部分洗滌溶劑通過排液軟管流入顆粒物檢測設(shè)備，實現(xiàn)在線檢測。通過檢驗洗滌溶劑樣本的顆粒大小和數(shù)量，實現(xiàn)對發(fā)動機管路多余物含量的鑒定。若清洗結(jié)果未達到規(guī)定的顆粒物含量等級，且本次清洗結(jié)果與上次清洗結(jié)果的差異超過規(guī)定顆粒物含量的5%，則自動對發(fā)動機管路進行2次清洗，至檢定的顆粒物含量達到規(guī)定標準為止。若顆粒物計數(shù)儀連續(xù)3次檢測結(jié)果相同，且均超出規(guī)定的顆粒物含量，則認為清洗溶劑已飽和。此時，將清洗槽內(nèi)現(xiàn)有的液體排出，放液槽重新放液，并重復(fù)上述清洗步驟。

3 信號采集裝置設(shè)計

信號采集方式采用自動控制和手動控制2種控制模式，自動控制可以實現(xiàn)多余物的自動檢測和清洗，手動控制便于工人安裝和拆卸傳感器。信號采集裝置包括數(shù)據(jù)采集模塊、通訊模塊和繼電器模塊，組成如圖3所示。

自動控制方式的主控芯片微控制著來自液位計和顆粒物計數(shù)器的數(shù)據(jù)信息的采集、轉(zhuǎn)換與傳輸，以及超聲波清洗裝置的啟動。本文選用STM32107VCT6芯片。該微處理器簡潔輕便，可以直接通過線路與外接模塊相連接，同時也便于與機械裝置集成。

圖3 信號采集裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Block diagram of signal acquisition device

STM32芯片需要12 V的工作電壓，晶振頻率為8 MHz，工作時鐘頻率達到72 MHz。STM32芯片電路的設(shè)計目的是以低電壓實現(xiàn)高性能，有效延長電池供電設(shè)備的充電間隔[8]。片上模擬功能的最低工作電源電壓為1.8 V。數(shù)字功能的最低工作電源電壓為1.65 V，在電池電壓降低時，可以延長電池供電設(shè)備的工作時間。以STM32微處理器為核心的最小系統(tǒng)包括：電源模塊、時鐘模塊、復(fù)位模塊、LED指示燈、JTAG接口及I/O接口。本系統(tǒng)中涉及的數(shù)據(jù)采集模塊、繼電器模塊和通訊模塊均以此最小系統(tǒng)為基礎(chǔ)建立。圖4為STM32微處理器的最小系統(tǒng)設(shè)計框圖。

圖4 STM32VC107的最小系統(tǒng)Fig.4 Minimum system based on STM32VC107

當(dāng)通訊模塊接收到上位機發(fā)送的啟動命令時開始工作。信號采集模塊前端與液位計相連，實時采集的超聲波清洗裝置中液位信息和顆粒物檢測裝置中的多余物含量信息；主控芯片通過繼電器模塊控制超聲波清洗裝置的啟動和停止以及放液和排液的過程；由通訊模塊將各裝置的信息發(fā)送到上位機，進行實時顯示。

手動控制方式設(shè)計了超聲波清洗裝置和顆粒物檢測裝置的開關(guān)按鈕，通過手動方式實現(xiàn)多余物的檢測和清洗功能，同時可以手動接入其他種類和數(shù)量的傳感器進行信號采集。雙重控制的方式保證了清洗和檢測過程的靈活性。

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊具有雙通道數(shù)據(jù)同步實時采集的特點。通信模塊接收到上位機的啟動命令后，微處理器采集液位信息，并通過AD轉(zhuǎn)換將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，清洗過程結(jié)束后采集顆粒物數(shù)量信息，由通訊模塊向上位機傳輸。上位機采集及監(jiān)控界面如圖5所示。數(shù)據(jù)采集模塊主要包括：數(shù)據(jù)讀取、解算、顯示和數(shù)據(jù)存儲。其中數(shù)據(jù)解算是上位機的核心部分，通過對數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，讀取各次清洗的顆粒物數(shù)量和尺寸信息和液位信息，并輸入到后續(xù)的清洗和檢測步驟中。

圖5 上位機采集界面Fig.5 Signal acquisition interface

3.2 繼電器模塊

繼電器模塊是連接控制部分和機械裝置的紐帶，STM32107微處理器通過繼電器模塊向超聲波清洗裝置提供控制信號，從而啟動管路清洗過程。繼電器模塊選用歐姆龍系列的G2R-1繼電器，最大功率為450 W。微處理器通過弱電控制強電，即通過三極管驅(qū)動繼電器 (圖6)。當(dāng)輸入為高電平時，三極管飽和，繼電器線圈有電流流過，則繼電器吸合，觸發(fā)超聲波清洗系統(tǒng)啟動。續(xù)流二極管用于釋放三極管開關(guān)關(guān)斷時線圈產(chǎn)生的反電動勢。

圖6 三極管驅(qū)動繼電器電路圖Fig.6 Circuit diagram of transistor driving relay

3.3 通訊模塊

無線通信模塊的任務(wù)是將數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)采集模塊傳送到上位機處理系統(tǒng)。即收集來自微處理器處理的數(shù)據(jù)，通過無線通訊將數(shù)據(jù)傳送到工控機進行下一步操作。本系統(tǒng)通過STM32VC107微處理器驅(qū)動ZigBee無線通訊模塊進行數(shù)據(jù)收發(fā)。通過在STM32電路板上加工ZigBee通訊板插槽，支持基于ZigBee的無線通訊。整個ZigBee協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。在本項目中，CC2530 ZigBee模塊配合STM32芯片驅(qū)動引腳使用，大大節(jié)省了空間，且減少了連接線路[9]。在清洗過程中，CC2530通過USB和RS232串口，把采集到的數(shù)據(jù)直接傳到上位機。

本系統(tǒng)降低了多余物檢測及控制的復(fù)雜性，能夠?qū)崿F(xiàn)液體火箭發(fā)動機管路多余物的自動檢測及排除。因此，可進行進一步的安裝調(diào)試，調(diào)整適合的洗滌溶劑量、超聲波振蕩頻率、清洗次數(shù)和顆粒物數(shù)量值，有效地控制管路中多余物的含量。

4 實驗結(jié)果分析

通過對人工清洗的管路進行檢定，能夠得到洗滌溶液中的多余物含量。目前，根據(jù)NAS航空管路潔凈度標準[10-11]，以及顆粒物計數(shù)器檢定的每100 ml多余物的尺寸和數(shù)量信息，人工清洗水平可達到下表所示的標準。

表2 人工清洗水平Tab.2 Manual cleaning levels

通過表2可以看出，由于人工清洗操作的限制，清洗4次后隨著清洗次數(shù)的增加，多余物的顆粒度將不再有明顯變化，最高清洗潔凈度可達2級，且5次人工清洗所需時間為3～4 h。根據(jù)自動控制的基本實現(xiàn)方法，結(jié)合STM32微處理器的自身性能，能夠得到相應(yīng)的超聲波清洗潔凈度和顆粒物檢定信息。本系統(tǒng)在對管路清洗2小時后，其清洗水平可達到如下標準 (表3 所示)。

在多余物清洗過程中，無法100%地將多余物排除。從表3可以看出，經(jīng)本系統(tǒng)清洗后，管路的多余物主要分布在5～15 μm的范圍內(nèi)，目前尚無法達到更高水平的精細洗要求，而100 μm以上的多余物基本可以通過超聲波清洗全部排出。但相比于人工清洗，超聲波清洗能夠有效提高發(fā)動機管路的精細洗水平。

表3 系統(tǒng)清洗水平Tab.3 Cleaning levels of STM32-based ultrasonic cleaning system

5 結(jié)束語

在液體火箭發(fā)動機管路的加工、使用、管理和維護過程中，采用各種有效可行的手段監(jiān)測并排除多余物，以保證使用性能。本項目基于STM32微處理器搭建多余物控制系統(tǒng)，使用超聲波清洗裝置、顆粒物計數(shù)儀以及基于工控機和微處理器的控制裝置。利用STM32微處理器的控制功能，通過自動和手動方式，實現(xiàn)對發(fā)動機管路多余物的檢測和排除，有效地提高了多余物檢測和控制的效率和可靠性。對于其他航天組件在使用和管理過程中控制多余物方面，也具有一定的參考意義。航天發(fā)動機的多余物檢測和控制是一個長期的研究課題，還需要在今后的工作中不斷總結(jié)積累。

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