一种无水肼发动机试验控制系统的制作方法

本发明涉及一种无水肼发动机热试技术，具体地说是一种用于小型姿控发动机热试的无水肼发动机试验控制系统。

背景技术：

20世纪60年代以来，航天技术受到各国的高度重视，航天技术不仅和国防科技、国防安全息息相关，更是对现代国民经济发展最有影响力的科学技术之一。航天技术是人类历史最复杂的工程之一，空间推进技术是航天技术的重要组成部分。现有的空间推进技术主要依靠化学能推进，其中液体火箭推进的一个重要分支是单组元液体火箭发动机。

单组元液体发动机主要用于各种航天器的姿态控制，同时在鱼雷、导弹等军事武器中也有重要应用。单组元液体发动机采用单组元推进剂作为燃料，多为微、小型火箭发动机，其结构简单，可靠性高，尤其采用落压式控制系统时整个系统和早期卫星的冷气系统一样简单。近些年航天事业快速发展，对微、小单组元发动机提出了新的要求：常温下多次启动，长脉冲稳态和短脉冲瞬态工作，几年甚至更久的长寿命。现阶段单组元发动机燃料以肼类燃料为主，是各国研究的重点。

无水肼发动机的研究需要大量的试车试验，试验人员要在地面搭建完整的发动机热试系统，用来模拟实际飞行中的各种工况。现有试验控制系统存在如下问题：1、自动化程度低，需要大量的人工干预。如发动机加热降温均需要手动开闭，试验中大量数据需要人工记录；2、安全性不足。系统并未设置针对压力、温度等数据异常时的处理方案；3、数据处理功能不足，试验后作图、比冲等指标计算均需耗费大量劳动及时间成本。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供一种无水肼发动机试验控制系统。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种无水肼发动机试验控制系统，包括发动机，

落压式液体推进系统，用于通过高压氮气将原料通过原料输送通道输送给发动机；

数据采集设备，用于采集发动机的数据信息，并将发动机的数据信息发送到数据采集卡；

温度控制设备，用于根据接收的数据采集卡的发动机数据信息，控制对发动机进行加热或降温；

点火控制设备，用于根据接收的数据采集卡的工控机控制命令，通过点火控制电磁阀控制发动机原料输送；

数据采集卡，用于将数据采集设备发送的发动机的数据信息发送到工控机，并接收工控机的控制命令后发送到温度控制系统和点火控制系统；

工控机，接收并根据当前发动机的数据信息对发动机状态进行监控，采集、分析、存储数据，输出点火控制指令和反馈控制命令。

所述落压式液体推进系统包括高压氮气源、气控台和工作罐；气控台一端与高压氮气源相连，另一端与工作罐顶端相连，工作罐底端通过原料输送通道连接发动机。

在所述原料输送通道靠近发动机一端设置点火控制电磁阀，控制原料输送通道的通断。

所述高压氮气源采用高压气瓶；所述气控台由压力表和若干手阀组成；所述工作罐采用耐腐蚀钛合金。

所述数据采集设备包括压力传感器、温度传感器、流量计、真空计和信号调理模块；

压力传感器固定于发动机机身，并通过导线接入信号调理模块的输入端，采集当前发动机燃烧室的压力数据，发送到信号调理模块；压力传感器精度为0.1％fs，每次试验前用标定仪器标定传感器。

真空计设置于发动机所在真空仓外壁，并接入信号调理模块的输入端，与真空仓集成，采集当前发动机所在真空仓的真空度，输出0-10v，发送到信号调理模块；

温度传感器设置于发动机机身，并通过导线接入信号调理模块输入端，采集当前发动机的温度数据发送到信号调理模块；

流量计设置于原料加注通道中，并通过导线接入信号调理模块输入端，采集原料加注通道中的流量数据，发送到信号调理模块；

信号调理模块的输出端与数据采集卡模拟输入端口用导线连接，将采集到的发动机数据信息发送到数据采集卡。

所述温度控制设备包括加热设备和降温设备；

加热设备，包括缠绕于发动机机身的电阻丝和控制电阻丝的加热电路，通过加热电路控制电阻丝加热，对发动机进行加热；

降温设备,包括高压氮气源、气控台、控制降温电磁阀、吹气管道，控制降温通道的开闭，通过高压氮气对发动机进行降温。

还包括显示器通过vga线与工控机vga接口相连；输入设备通过usb接口与工控机相连，存储模块通过sata接口与工控机相连，带有一个250k/s的16位a/d转换器，提供16路单端模拟量输入或8路差分模拟量输入，并带有16路数字量输出。

所述数据采集卡通过pci-e插槽与工控机相连。

一种适用于无水肼发动机试验控制系统的在linux系统下的控制系统，包括：

参数配置模块，用于配置试验启动通道、通道类型和采样频率；配置试验启用的数字输出端口；用于配置试验工况；用于配置试验各通道报警范围；

数据采集模块，用于采集数据采集卡获得的压力、温度和流量数据；

数据处理模块，用于计算并显示试验的指标参数；

温度控制模块，用于根据工况内容控制数据采集卡数字量输出高电平或低电平；

异常处理模块，用于在采集数据异常时进行紧急停止动作并报警。

所述试验启动通道为数据采集卡模拟量的输入通道；

所述通道类型包括压力通道、温度通道和流量通道；

所述试验启用的数字输出端口为数据采集卡的数字输出端口。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.功能丰富，自动化程度高。本发明所述工控机集成控制系统具有输出控制、数据采集、数据显示、数据计算等功能，并预设多种启动模式，可适配现阶段无水肼发动机热试需求。本发明配有温度控制功能，可根据工况情况，自动启用发动机降温或加热设备。操作简单，整个热试流程极少需要手动干预。

2.精度高、稳定可靠。点火控制工况误差在1ms内，并设有紧急停车模块，系统实时监测压力、温度等指标，异常时会自动关闭阀门中止试验，并报警提醒。

3.强大的数据处理功能，本系统可自动识别工况，并计算现阶段所需所有性能指标。

附图说明

图1是本发明的硬件结构图；

图2是本发明的无水肼工作罐示意图；

图3是本发明的操作流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示为本发明的系统结构图。

具体功能及连接关系为：工控机采用基于linux设计试验控制软件系统；数据采集卡通过pci-e接口与工控机相连，用于试验数据采集和控制信号输出；数据采集设备包含压力传感器、温度传感器、流量计、真空计、信号调理模块，用于采集试验过程中产生的数据信息，压力传感器、温度传感器固定于发动机机身，并通过导线接入信号调理模块的输入端，流量计固定在工作罐与发动机原料输送管道中部，并通过导线接入信号调理模块输入端，真空计设置于发动机所在真空仓外壁，并接入信号调理模块的输入端，与真空仓集成，采集当前发动机所在真空仓的真空度；信号调理模块用于隔离调理信号，输入端接收各种采集信号，输出端接入数据采集卡模拟输入端口；温度控制设备包含加热设备和降温设备，加热设备包括缠绕于发动机机身的电阻丝和控制电阻丝的加热电路，通过加热电路控制电阻丝加热，对发动机进行加热，降温设备包括高压氮气源、气控台、控制降温电磁阀、吹气管道，吹气管道设置于发动机燃烧室2厘米处，管口正对燃烧室，通过高压氮气对发动机进行降温，控制降温电磁阀由数据采集卡控制开闭。点火控制设备包含点火控制电磁阀，点火控制电磁阀紧贴于发动机进料喷管，通过数据采集卡控制电磁阀开闭，进行点火控制。落压式液体推进系统用于通过高压氮气将原料通过原料输送通道输送给发动机，包括高压氮气源、气控台和工作罐，气控台一端与高压氮气源相连，另一端与工作罐顶端相连，工作罐底端通过原料输送通道连接发动机。

如图2所示为本发明的无水肼工作罐示意图。

所述工作罐罐体为球形，上端开孔并与高压氮源用金属软管相连，所述工作罐下端开孔并连接金属管作为原料输送通道，原料输送通道依次连接电磁阀、发动机。

如图3所示为本发明的操作流程图。

典型的一次热试操作流程如下：

1、检查试验所需设备状态是否良好，清洗推进剂工作罐、管路等设备并用氮气吹干备用。

2、装配发动机。根据本次试验需求装配发动机机身并装填催化剂，安装加热丝、热偶等辅助配件。

3、信号标定。打开工控机热试控制软件，使用信号标定功能对需要标定的信号进行标定。本软件提供线性标定法、查表标定法、非线性标定法，非线性标定法采用最小二乘法算法进行拟合。通常情况采用线性标定法对压力传感器进行标定。

4、装配试验系统。将发动机安装到热试平台，连接温度、压力等传感器线路，连接落压式液体推进系统与管路，连接电磁阀信号以及图二中各部分。气控台控制高压氮气从上方压入工作罐，将工作罐中的推进剂压入原料输送管路，管路经过电磁阀与发动机相连。电磁阀打开时推进剂被挤压进入发动机，在催化剂作用下分解产生大量高温高压气体，经发动机尾部喷管喷出形成推力。

5、检测系统气密性。打开高压氮气阀门，调节气控台给工作罐施加一定压力，关闭高压氮气阀门，并记录气控台工作罐气压示数，经过一段时间(15分钟左右)，气控台工作罐气压示数无变化，则气密性良好。

6、向工作罐加注推进剂。

7、打开工控机热试控制软件，首次使用进行如下设定：

通道配置。选择本次试验启用通道，包括数据采集通道、数字输出通道。配置通道数据类型与采样频率。

工况配置。试验人员通过将本次试验工况录入软件。例如(20ms/20ms)*10,表示点火控制电磁阀开启20ms，关闭20ms，重复10次。

发动机配置。为每台发动机配置专门的数字输出通道，分别用于加热控制，降温控制，落压式推进系电磁阀控制。

紧急停车配置。配置紧急停车方案，即停车时阀门操作时序。

报警方案配置。为每路通道配置警戒值，若采集到的信号值超过警戒值则软件界面有红色信号报警。

启动方案配置。该控制系统设有定时、定温、连续、手动等启动方式。

上述所有配置均可自动保存，每次启动时进行自动加载，并支持txt格式导入导出。

8、开启各模块电源；开启部分设备的循环水冷却装置；如真空环境试验则关闭真空仓启动抽真空设备。

9、检查各环节准备就绪，在热试控制软件中启动工况，开始试车，软件界面曲线绘制区域会实时显示采集到的各数据曲线，试验人员记录相关数据。

10、试验过程中可由试验人员手动修改工况、启动方式等配置。

11、本系统特色为温度控制系统。典型的启动方式为定温启动，在启动方案配置中指定启动温度，在发动机配置中指定测温通道，所述控制软件检测测温通道稳定到达指定范围，则自动开始工作时序。温度控制系统由试验软件温度控制模块与硬件加热设备、降温设备共同组成。主要有两个方面作用：一为调节单台发动机温度，加热设备用于发动机在指定温度启动，降温设备用于发动机快速降温，缩短下一次试验等待时间；二为两台发动机共同工作，配置同时定温启动模式，此工作模式要求两台发动机启动温度相同，但是单次工况后两台发动机温度会出现不同步，温度控制模块使用相关算法分析历史降温数据，预估降温曲线，自动开闭降温设备和加热设备，使发动机快速降温，并且在降至点火线处温度同步。

加热设备与降温设备由软件控制数据采集卡do输出控制开关，有两个方面的作用：一是调节单台发动机温度，使之达到定温启动指定温度；二是多台发动机配置同时定温启动时，保持多台发动机温度同步。

12、工况运行完成。软件自动计算相关性能指标参数并显示在软件界面，可以选择数据回放功能，回看本次试验情况。