姿軌控發(fā)動機試驗多閥光學(xué)同步測試方法 ①

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

姿軌控發(fā)動機(Divert and Attitude Control Motor,DACM)主要用于運載火箭末級、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)動機中，燃?xì)忾y通過調(diào)節(jié)燃?xì)獍l(fā)生器產(chǎn)生高溫燃?xì)獾膯㈤]及流量來實現(xiàn)對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)特性對提高控制精度具有重要意義[9-10]。

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

本文在此基礎(chǔ)上研制六通道光學(xué)測量系統(tǒng)，利用激光同時照射六燃?xì)忾y羽流，開展六通道姿軌發(fā)動機燃?xì)忾y響應(yīng)特性同步測量冷態(tài)試驗，根據(jù)各燃?xì)忾y透射光強信號波動規(guī)律獲得啟閉響應(yīng)特性，可為驗證燃?xì)忾y響應(yīng)特性以及高精度控制提供實時數(shù)據(jù)支撐。

1 測量原理與裝置

如圖1所示，當(dāng)一束激光經(jīng)過噴管周期啟閉噴出的羽流時，因這些羽流中存在顆?；蛎芏茸兓?，激光將發(fā)生周期散射或偏折，導(dǎo)致激光光強出現(xiàn)周期波動，通過分析燃?xì)忾y啟閉控制信號與透射光強信號階躍點的關(guān)系可確定燃?xì)忾y啟閉響應(yīng)時間。

由于燃?xì)忾y周期性啟閉會引起的透射信號波動頻率相應(yīng)發(fā)生變化，因此可對該信號進(jìn)行帶通濾波處理。原始透射光強信號xn，通過帶通濾波器得到帶通濾波后信號yn：

yn=hn×xn

(1)

式中hn為帶通濾波響應(yīng)函數(shù)。

圖1 測量原理示意圖

由此可得如圖2所示的典型單個周期控制信號、探測光強信號隨時間變化曲線和對探測信號濾波得到的濾波曲線。

圖2 典型數(shù)據(jù)分析

燃?xì)忾y開啟控制時刻為t1，燃?xì)忾y關(guān)閉控制時刻為t2，根據(jù)濾波信號階躍變化特征點獲得探測器探測到氣流實際噴出引起光強波動時刻為t01，探測到無氣流引起波動時刻為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)動機燃?xì)忾y啟閉響應(yīng)時間分別為

topen=t01-t1

(1)

tclose=t02-t2

(2)

基于上述原理搭建姿軌控發(fā)動機燃?xì)忾y多閥響應(yīng)特性同步測量冷態(tài)試驗測試系統(tǒng)如圖3所示。該姿軌控發(fā)動機具有6個燃?xì)忾y，在每個燃?xì)忾y出口處安裝測量段。測量段中，激光器與探測器對應(yīng)安裝，激光器發(fā)出激光，經(jīng)羽流由對應(yīng)的探測器接收。燃?xì)忾y電磁鐵作動由控制器發(fā)出的不同頻率方波信號控制。6路探測器信號及控制器同步控制信號接入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集記錄。

圖3 測量裝置與系統(tǒng)

6個燃?xì)忾y對應(yīng)6路頻率不同的控制信號，當(dāng)控制信號輸入時，各個燃?xì)忾y工作開始周期性作動，此時氮氣羽流經(jīng)閥門噴出，激光器發(fā)出激光經(jīng)氮氣羽流發(fā)生信號衰減，探測裝置接收發(fā)生信號衰減變化的信號并將其傳輸給采集卡和計算機完成6閥數(shù)據(jù)的采集和存儲。該實驗裝置相比單閥實驗裝置可同步探測6路不同頻率的衰減信號，同步獲得6路不同頻率下的燃?xì)忾y啟閉動態(tài)響應(yīng)特性。

2 實驗結(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)測量系統(tǒng)測量姿軌控發(fā)動機冷態(tài)試驗多閥響應(yīng)特性，同時獲得了冷態(tài)試驗過程6個燃?xì)忾y羽流光學(xué)響應(yīng)信號。典型單周期透射光強信號與相應(yīng)的控制信號如圖4所示，可見透射光強信號在燃?xì)忾y閉合狀態(tài)下波動較小，當(dāng)燃?xì)忾y開啟，噴管氣流導(dǎo)致光強發(fā)生較大波動；當(dāng)燃?xì)忾y關(guān)閉，透射光強信號又恢復(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，對透射光強信號進(jìn)行帶通濾波，濾波后的信號有明顯的階躍點，以此為特征點，根據(jù)前述測量原理，可獲得燃?xì)忾y啟閉響應(yīng)時間。以圖4信號為例，控制信號上升沿時刻為1030.45 ms，燃?xì)忾y接受該控制信號進(jìn)行作動，氣流噴出，相應(yīng)的透射光強信號發(fā)生變化，階躍點對應(yīng)時刻為1035.23 ms，由此可獲得燃?xì)忾y開啟響應(yīng)時間為4.78 ms?？刂菩盘栂陆笛貢r刻為1080.19 ms，燃?xì)忾y接受該控制信號關(guān)閉，相應(yīng)的透射光強恢復(fù)到初始狀態(tài)，階躍點對應(yīng)時刻為1084.22 ms，由此可獲得燃?xì)忾y關(guān)閉響應(yīng)時間為4.03 ms。因此，通過這一測量與數(shù)據(jù)分析方法，可有效同步獲得6個燃?xì)忾y啟閉響應(yīng)時間。

圖4 典型實驗信號及其處理

2.2 單閥多頻率試驗結(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。試驗時序采用7個不同頻率的控制時間序列，分別是5、20、10、5、10、20、50 Hz。取測量段1信號對應(yīng)的5、10、20、50 Hz頻率透射光強信號分析，如圖5所示。

由圖5可見，當(dāng)信號頻率為5、10、20 Hz時，探測信號周期變化明顯，可根據(jù)上述方法準(zhǔn)確確定燃?xì)忾y啟閉特征點；當(dāng)控制頻率為50 Hz時，對應(yīng)的透射光強信號周期變化較弱，燃?xì)忾y接收關(guān)閉信號后透射光強無法恢復(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電磁鐵作動較快，燃?xì)膺€未完全關(guān)閉時，電磁鐵就接收到開啟信號打開燃?xì)忾y，因此可根據(jù)透射光強信號是否恢復(fù)到原始信號來判斷燃?xì)忾y是否完全關(guān)閉。

(a)5 Hz (b)10 Hz

(c)20 Hz (d)50 Hz

2.3 多閥多頻率試驗結(jié)果分析

試驗同步獲得了6個燃?xì)忾y啟閉響應(yīng)數(shù)據(jù)，取10 Hz控制頻率時間序列測量段1和段4的透射光強信號進(jìn)行分析，如圖6所示。在該控制頻率時間序列中，測量段1和段4對應(yīng)燃?xì)忾y控制頻率均為10 Hz，但交替啟閉作動。因此，在圖6中可見，控制信號發(fā)出后，測量段1和測量段2獲得的透射光強信號成交替規(guī)律，驗證了燃?xì)忾y在該控制時序下的啟閉效果。

表1 單閥多頻率響應(yīng)特性

(a) 測量段1的10 Hz 實驗結(jié)果 (b) 測量段4的10 Hz 實驗結(jié)果

基于上述方法，對2個測量段6個周期的透射光強信號進(jìn)行帶通濾波，分析燃?xì)忾y啟閉響應(yīng)特征點，從而得到相應(yīng)的啟閉響應(yīng)時間，如表2所示，測量段1和段4的燃?xì)忾y啟閉動態(tài)響應(yīng)時間不同。

由于啟閉響應(yīng)時間是燃?xì)忾y的固有特性，對于不同的燃?xì)忾y，若要保證控制精度，必須對每個燃?xì)忾y進(jìn)行啟閉響應(yīng)測試，在設(shè)計控制信號時，應(yīng)將燃?xì)忾y啟閉響應(yīng)時間考慮，才能保證控制精度。

表2 測量段1和段4響應(yīng)特性

3 結(jié)論

(1) 該試驗基于光學(xué)方法研制的用于姿軌控發(fā)動機冷態(tài)試驗測試的六通道光學(xué)非接觸式測量系統(tǒng)，獲得了冷態(tài)試驗過程6個燃?xì)忾y羽流光學(xué)響應(yīng)信號，通過對信號進(jìn)行帶通濾波分析，可同步獲得了多個燃?xì)忾y的啟閉響應(yīng)時間，驗證燃?xì)忾y啟閉響應(yīng)規(guī)律，并且實驗測量標(biāo)準(zhǔn)誤差小于0.30 ms，可為姿軌控發(fā)動機試驗提供有效準(zhǔn)確的快速非接觸式測量方法。

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