一种应用于无毒单组元发动机热试试验的流量计算系统的制作方法

本发明涉及无毒单组元发动机技术领域，具体地说是一种应用于无毒单组元发动机热试试验的流量计算系统。

背景技术：

20世纪60年代以来，世界各国航天技术取得了辉煌的成就。航天技术不仅直接关系到国防建设，更是广泛影响着现代国民经济各个领域。空间推进技术是航天技术的重要内容，液体火箭发动机是目前航天飞行器常见的动力形式，其中单组元液体火箭发动机多是微、小型发动机，是液体火箭的分支，主要为飞行器执行姿态控制或提供冲量。

现阶段单组元发动机主要使用肼作为推进剂，肼是一种剧毒物质，对卫星地面操作、空间加注提出苛刻的要求，需要采用复杂的防护措施。因此，世界各国都在大力发展无毒环保的绿色推进剂技术，无毒推进剂的研制过程需要在地面模拟高空环境，进行大量的热试试验，并利用技术手段监测一系列数据指标，热试反应中推进剂流量是重要的指标，可作为热试反应性能评价依据。

流量监测主要有流量计和电子秤称量两种方法。流量计可以实时获取流量值，然而测试结果变数较多，精度与流体稳定性、流速关系很大；电子秤称量方法是利用测量热试反应前后原料减少重量来计算平均流量，此方法误差范围小，然而无法连续测量。热试试验中需要人工抄录反应前后电子秤数值，由于工作罐内气压微小波动会使电子秤示数波动，不同试验人员抄录差异较大，工况时间较长时只记录平均流量信息不足。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供一种应用于无毒单组元发动机热试试验的流量计算系统。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种应用于无毒单组元发动机热试试验的流量计算系统，包括：

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；信号采集设备，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；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点火控制设备；工控机，用于设定系统工作时序，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，输出反馈控制命令；

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，在工作罐底部设置电子秤，连接工控机，采集工作罐的质量数据发送到工控机。

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。

所述信号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；

流量计设置于原料输送通道中，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。

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。

一种应用于无毒单组元发动机热试试验的流量计算系统在linux系统下的控制系统，包括：

控制反应模块，用于通过调用数据采集卡驱动接口函数，控制数据采集卡do输出高电平或低电平，控制热试反应开启或关闭；

流量统计模块，用于实时获取当前电子秤数据，在热试反应进行时，根据采样率记录电子秤数据，根据质量差计算设定的间隔时间内平均流量，作为瞬时流量；记录工况起始和结束两个时刻数值之差作为该工况的原料消耗，除以工作时间计算平均流量；热试反应结束后，利用改进的最小二乘法拟合出平滑的质量下降曲线，利用微分法求得瞬时质量流量曲线。

当控制数据采集卡do输出高电平，点火控制电磁阀开启，原料通过原料输送通道进入发动机进行热试反应；

当控制数据采集卡do输出低电平，点火控制电磁阀关闭，热试反应终止。

所述电子秤数据包括工作罐重量、原料重量和工作罐内由于加压带来的增重重量。

所述一个间隔时间为0.5秒～2.5秒，

当采集到的质量数据低于设定质量阈值，则报警提示原料不足，试验继续进行；

当工况瞬时流量曲线波动较大，则报警提示气源气压不稳或发动机性能下降，试验继续进行；

当工况瞬时流量数据超过设定流量阈值，则报警，同时工控机控制数据采集卡do输出低电平，点火控制电磁阀关闭，热试反应终止。

所述工况为一系列(开启时间/关闭时间)*工作时间的序列。

所述利用改进的最小二乘法拟合出平滑的质量下降曲线包括以下过程：

设质量下降曲线函数为y＝c1+c2x+c3x²,c1,c2,c3为待计算参数，工控机获取采样点为(xi,yi)，其中xi为采样时刻(以工况启动时刻记为0时刻，xi为从0时刻起第i个时刻)，yi为对应时刻的采样数据；设采样误差为δi，表示xi时刻曲线函数值与真实值之间的差值；设共采集m个点，则有

令目标函数最小时，c1,c2,c3即为所求参数，根据二次曲线极值规律，分别对c1,c2,c3求偏导数有

解线性方程组得c1,c2,c3的值，则质量下降曲线为y＝c1+c2x+c3x²。

所述利用微分法求得瞬时质量流量曲线包括以下过程：根据质量与流量间的关系，对质量下降曲线微分，则瞬时质量流量曲线为y'＝|c2+2c3x|。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明既可以获取稳定可靠的流量数据，又可以获得实时流量值，很好的结合了常用流量计和电子称量两种方法的优点；

2.智能化程度高，智能化识别工况，自动计算每个工况全程平均流量，计算瞬时流量，同时可以监测试验反应部分情况，如监测工作罐上方压力是否稳定、流量预警等试验信息。

附图说明

图1是本发明的系统结构图；

图2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。

包括工控机、显示器、输入设备、工作罐、数据采集卡、电子秤、热试硬件系统、落压式液体推进系统。

所述显示器通过vga接口与工控机相连，所述输入设备通过usb接口与工控机相连。

所述数据采集卡通过pci-e插槽与工控机相连。

所述电子秤量程为50kg，测量精度为0.1g，通过rs232接口与工控机相连。所述电子秤置于所述工作罐底部。

所述热试硬件系统包含信号采集设备、信号输出设备、发动机。所述信号采集模块用于采集从发动机传来的压力、温度信号，并通过所述数据采集卡传入所述工控机；所述信号输出模块用于控制电磁阀的开闭，从而控制所述发动机原料输送通道的开闭。

所述工作罐罐体为球形，上端开孔并与所述落压式液体推进系统用金属软管相连，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。

所述落压式液体推进系统，用于在所述工作罐内原料上方提供高压氮气，将原料挤压进入原料输送通道。

所述数据采集卡带有一个250k/s的16位a/d转换器，可以提供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。

所述工控机采用linux系统并集成由发明人设计编写的流量统计软件。

所述流量统计软件包含控制反应模块、流量统计模块。

所述控制反应模块用于执行工况。所述工况为一组时间序列，所述时间序列表示热试反应开启时间/关闭时间。所述控制反应模块通过调用数据采集卡驱动接口函数，控制数据采集卡do输出高电平或低电平，高电平使权力要求1所述热试硬件系统信号输出设备电磁阀开启，原料通过电磁阀进入所述发动机进行热试反应，低电平使热试硬件系统信号输出设备电磁阀关闭，热试反应终止。

所述流量统计模块用于流量计算及流量报警。所述流量统计模块实时获取电子秤数值，该数值包含电子秤上方工作罐重量、原料重量、工作罐内由于加压带来的增重。热试反应进行时，所述流量统计模块将根据采样率记录电子秤数据，根据质量差计算某个设定好的间隔时间内平均流量，作为瞬时流量；记录工况起始结束两个时刻数值之差作为该工况的原料消耗，除以工作时间计算工况平均流量指标；热试反应结束后，利用改进的最小二乘法拟合出平滑的质量下降曲线，利用微分法求得精确瞬时质量流量曲线。软件监测工作罐剩余质量、工况总平均流量等参数如超过报警值，则进行报警、停止试验等。

如图2所示为本发明的操作流程图。

典型的一次操作流程如下：

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、装配热试硬件系统。按照试验需求装配所需发动机与其他硬件设备。电子秤清零后将工作罐放置在电子秤中心。

3、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。

4、打开工控机流量计算软件，进行参数配置。调节气控台为工作罐加压至试验用设定值，如1.0mpa，此时电子秤示数为推进剂耗尽值，根据此数值设定推进剂耗尽警戒线填入软件配置页面；配置流量预警值，即热试反应进行期间，测得流量超出某流量范围则在软件界面红灯预警；配置电子秤质量数据采样率。

5、向工作罐中加注推进剂。

6、使用流量计算软件进行流量标定，本软件采用线性标定法。

7、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。

8、再次检查各试验环节准备就绪，开启试验工况。流量统计模块会采集电子秤质量数据并存储于工控机硬盘，流量处理算法每间隔1秒取一个数据，计算1秒间隔内平均流量并作为实时流量显示于软件界面，并不断与流量警戒范围对比，若超过流量范围则进行预警，若电子秤质量数据低于推进剂耗尽警戒线同样进行预警。

9、工况运行结束。软件流量处理算法会采用改进的最小二乘法拟合所有采样数据，并微分得到较精确的流量瞬时值，同时计算本次工况平均流量，推进剂消耗，本次试验总推进剂消耗。计算结果显示于软件界面。