趙萬明，史 超，唐云龍

(西安航天動力試驗技術研究所，陜西 西安 710100)

0 引言

液體火箭發(fā)動機起動加速性是運載火箭起動同步性精確控制的一個重要指標。火箭發(fā)動機起動加速性由地面試驗測量的參數(shù)計算獲得，但發(fā)動機地面試驗系統(tǒng)的推力架結(jié)構(gòu)形式、發(fā)動機及推進劑供應管路的安裝方式、入口壓力大小、管路流體特性、起動時序、控制信號與測量系統(tǒng)的時間同步性及測量參數(shù)的濾波特性等因素對計算發(fā)動機起動加速性的測量參數(shù)動態(tài)響應特性有影響，最終影響計算結(jié)果的準確性[1-5]。同一臺發(fā)動機在不同的試驗系統(tǒng)進行試驗獲得的起動加速性結(jié)果不同，特別是大型液體火箭發(fā)動機試驗系統(tǒng)試驗用推力、轉(zhuǎn)速、燃燒室壓力等不同參數(shù)計算的發(fā)動機加速性有一定的差異。這就要求對試驗系統(tǒng)推力架結(jié)構(gòu)、測量參數(shù)的濾波特性、用什么參數(shù)計算加速性準確可信等進行研究，綜合分析各種影響因素，獲得準確、可靠的計算結(jié)果。本文重點分析大型液體火箭發(fā)動機在現(xiàn)有試驗系統(tǒng)進行試驗后，用不同參數(shù)計算發(fā)動機起動加速性的結(jié)果差異的主要原因。

1 起動加速性

液體火箭發(fā)動機的起動加速性是指，從發(fā)動機起動指令的0 s開始計時，主要性能參數(shù)達到額定工況值的90%所用的時間(t90)。大型液體火箭發(fā)動機一般用推力或轉(zhuǎn)速測量值計算起動加速性，小型發(fā)動機一般用燃燒室壓力(少數(shù)用推力)計算起動加速性[6]。計算發(fā)動機實際額定工況值時，不同的發(fā)動機計算方法有所不同。一般發(fā)動機設計的額定工況僅是參考值，必須通過試驗獲得實際額定工況。性能穩(wěn)定的同型號發(fā)動機可以取發(fā)動機額定工況多次試驗的統(tǒng)計平均值。目前最常用的方法是：取本次試驗額定工況某時間段的平均值(如某型號發(fā)動機取前穩(wěn)定段4～60 s的平均值)。

2 測量系統(tǒng)

液體火箭發(fā)動機的起動加速性通常用推力、轉(zhuǎn)速及燃燒室壓力(或噴前壓力)3種參數(shù)中1個或2個參數(shù)計算。加速性計算時要求測量參數(shù)的時間基準(0 s)統(tǒng)一，參數(shù)動態(tài)響應與測量準確性、采樣速率等滿足計算要求。

2.1 推力測量系統(tǒng)

液體火箭發(fā)動機試驗推力測量系統(tǒng)主要由試車架、力源加載裝置和測量系統(tǒng)組成。試車架主要由定架、動架、預緊力裝置及彈性約束件等組成。典型的大型液體火箭發(fā)動機垂直試車架結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。其中，定架安裝在試車臺土建基礎上，動架和發(fā)動機連接，測量傳感器安裝在動架和定架之間。動、定架力分界面有彈性約束件和水平波紋管。彈性約束件垂直于推力軸線，并能承受一定的橫向力。動架、彈性約束件、波紋管組成的動架系統(tǒng)一般要求99%以上的被測推力傳遞到測量傳感器上[1-2]。預緊力裝置的作用是拉起動架及發(fā)動機，保證測量傳感器預先受到一定預緊力。試驗前通過力源加載裝置和基準力傳感器，對推力測量傳感器進行原位校準[7]。

圖1 大型垂直式發(fā)動機試車架Fig.1 Large vertical thrust frame of engine test

測量系統(tǒng)主要由測量傳感器、傳輸電纜、信號調(diào)理器、數(shù)據(jù)采集裝置及數(shù)據(jù)處理分析裝置等組成，如圖2所示。其中，信號調(diào)理器對測量傳感器輸出的信號進行濾波、放大、隔離，數(shù)據(jù)采集裝置對調(diào)理后的信號進行采集與處理。

圖2 推力參數(shù)測量原理框圖Fig.2 Principle diagram of the thrust measurement system

2.2 壓力測量系統(tǒng)

壓力測量系統(tǒng)由壓力傳感器、傳輸電纜、信號調(diào)理器、數(shù)據(jù)采集裝置及數(shù)據(jù)處理分析裝置等組成。壓力傳感器通過測壓導管或直接安裝在被測位置，一般力源校準裝置將基準壓力傳感器和壓力加載裝置集成在一起[8]，在試驗現(xiàn)場用力源校準裝置對測量壓力傳感器進行現(xiàn)場校準后安裝于被測位置。發(fā)動機自帶的壓力傳感器一般用傳感器的計量校準數(shù)據(jù)，在現(xiàn)場傳感器連接處或數(shù)據(jù)采集裝置輸入端用標準電壓源加載，進行等效電校準。

2.3 轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)

轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)速傳感器、傳輸電纜、信號調(diào)理器及數(shù)據(jù)采集處理裝置等組成，如圖3所示。轉(zhuǎn)速傳感器輸出的是頻率信號，信號波形為不規(guī)則的近似正弦波。轉(zhuǎn)速參數(shù)測量的關鍵是信號調(diào)理及抗干擾技術[9-14]，信號調(diào)理的主要作用是：濾波、放大、整形、隔離、信號匹配、硬件分頻及F-V變換等。

圖3 轉(zhuǎn)速信號調(diào)理器原理框圖Fig.3 Principle diagram of rotating speed signal converter

3 不同參數(shù)計算結(jié)果分析

3.1 測量數(shù)據(jù)分析

目前大型液體火箭發(fā)動機試驗起動加速性用轉(zhuǎn)速或推力測量值進行計算，軌姿控發(fā)動機用燃燒室壓力或推力計算。控制和測量系統(tǒng)設置統(tǒng)一的起動計時基準，所有測量參數(shù)基準0 s和關機時刻都是統(tǒng)一的。從發(fā)動機工作機理分析，只要試驗系統(tǒng)滿足發(fā)動機起動的時序、入口壓力、溫度等條件，起動加速性由發(fā)動機自身性能所決定，與試驗系統(tǒng)無關。但由于試驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和計算參數(shù)不同，雖然發(fā)動機起動過程推力、燃燒室壓力、轉(zhuǎn)速密切相關[12]，但計算的實際結(jié)果不盡相同。同一臺發(fā)動機用不同參數(shù)計算結(jié)果有一定差異，同一臺發(fā)動機在不同的試驗系統(tǒng)進行試驗，加速性計算值也有一定的差異。大型發(fā)動機的差異比軌姿控發(fā)動機的差異更大一些。差異較大時對研究發(fā)動機的起動特性產(chǎn)生一定影響。表1統(tǒng)計了某型號發(fā)動機在同一試驗臺試驗時，推力、噴前壓力、渦輪轉(zhuǎn)速3個參數(shù)在發(fā)動機起動時測量值開始變化時刻，用推力計算的起動加速性和壓力、轉(zhuǎn)速分別計算的加速性數(shù)值之差。

表1 不同參數(shù)變化時刻與加速性差異

由表1數(shù)據(jù)可以看出，同型號發(fā)動機在同一試驗臺試驗計算的發(fā)動機起動加速性數(shù)值，轉(zhuǎn)速最快，推力最慢。轉(zhuǎn)速平均比推力計算的加速性快0.25 s，比噴前壓力快0.12 s。噴前壓力平均比推力快0.13 s。表1用不同參數(shù)計算發(fā)動機起動加速性差異的原因主要有兩個方面：一是大型發(fā)動機試驗系統(tǒng)龐大的推力測量機架結(jié)構(gòu)及推進劑供應管路連接形式等綜合因素影響推力參數(shù)響應慢；壓力參數(shù)安裝的測壓導管對動態(tài)響應有一定影響(傳感器直接安裝時，無此因素)[8]。第二是測量系統(tǒng)對不同測量參數(shù)配置的信號調(diào)理器濾波特性的影響。轉(zhuǎn)速采用絕對法直接測量，起動瞬間只需克服渦輪轉(zhuǎn)子的慣性，信號僅受到調(diào)理器的濾波特性和門檻電平的影響，起動過程比推力和壓力參數(shù)響應快。發(fā)動機起動的0 s時刻統(tǒng)一，在采樣速率相同的條件下，圖4所示發(fā)動機起動時推力比轉(zhuǎn)速數(shù)值發(fā)生變化約晚0.32 s。噴前壓力參數(shù)和推力參數(shù)在采樣速率和信號調(diào)理器的濾波特性一致的條件下，圖5所示發(fā)動機起動時推力比噴前壓力晚0.2 s。

圖4 推力和轉(zhuǎn)速參數(shù)起動過程曲線Fig.4 Starting curve of thrust and rotating speed

圖5 推力和噴前壓力參數(shù)起動過程曲線Fig.5 Starting curve of thrust and pressure infront of the nozzle

對推力參數(shù)響應慢的因素進行分析。發(fā)動機起動時，圖4和圖5反映的是同一個型號在某大型試驗系統(tǒng)兩次試驗推力參數(shù)起動情況，從推力起動曲線可以看出振蕩頻率約為3.7 Hz，說明推力動架結(jié)構(gòu)質(zhì)量較大。圖1所示的垂直式推力動架采用杠桿-砝碼結(jié)構(gòu)形式，振動模型較復雜，但可簡化為一個典型的二階系統(tǒng)，固有頻率。

(1)

式中：m為動架總等效質(zhì)量，kg；k為動架總等效剛度, N/m；f為動架固有頻率，Hz。

圖1所示的某發(fā)動機試驗系統(tǒng)動架總質(zhì)量約m=50 800 kg，f=3.7 Hz，可以推算出動架的總等效剛度k=2.742×107 N/m。如果動架總等效質(zhì)量m減小到25 400 kg和12 700 kg ，則動架的系統(tǒng)振動頻率f提高到5.2 Hz和7.4 Hz，說明減小動架結(jié)構(gòu)質(zhì)量，提高了動態(tài)響應性能。圖6用試驗獲得的實際推力進行激勵，仿真不同動架等效質(zhì)量的系統(tǒng)響應延遲情況。仿真結(jié)果證明推力架越重，固有頻率越低，響應越慢，振幅越小[10]。

圖6 等效質(zhì)量與推力系統(tǒng)響應的關系Fig.6 Response relation between the equivalent mass and thrust

液體火箭發(fā)動機試驗中，受被測點位置及環(huán)境條件影響，多數(shù)壓力參數(shù)通過測壓導管測量壓力。某大型液體火箭發(fā)動機噴前壓力安裝了6～7 m長的測壓導管，導管中充填了隔離液，但靠近發(fā)動機安裝位置約0.3～0.4 m管內(nèi)不充填隔離液，發(fā)動機起動時噴前壓力達到8～10 MPa，實測和理論計算結(jié)果證明噴前壓力有一定延遲[8-11]。轉(zhuǎn)速傳感器直接安裝在渦輪泵殼體上，不存在安裝狀態(tài)影響動態(tài)性能的因素。

上述討論的發(fā)動機加速性從快到慢依次為轉(zhuǎn)速、噴前壓力、推力。但有些小型發(fā)動機試驗起動時，推力開始反應比較遲緩，一定時間后發(fā)生突變，如圖7所示。加速性t10時相差0.51 s，到t90時相差僅有0.11 s。從t10到t90逐步變化情況如表2所示。有些小型發(fā)動機試驗系統(tǒng)采用水平式試車架質(zhì)量較小，燃燒室壓力安裝了不充填隔離液的較長測壓導管，起動時推力及t90均比室壓反應快，如圖8所示。說明研究發(fā)動機起動加速性時，應針對特定的試驗系統(tǒng)和同型號發(fā)動機進行分析研究。

圖7 推力和轉(zhuǎn)速參數(shù)起動過程曲線Fig.7 Starting curve of thrust and rotating speed

單位：s

圖8 推力和燃燒室壓力參數(shù)起動過程曲線Fig.8 Starting curve of thrust and combustion chamber pressure

3.2 信號調(diào)理器的濾波特性

影響測量參數(shù)動態(tài)響應的另一個因素是測量系統(tǒng)電性能。電性能主要包括傳感器頻響、信號調(diào)理器的濾波器(含采集裝置)頻響兩方面。采集裝置和信號調(diào)理器分離時，應單獨分析各自的頻響特性。上述研究的大型試驗系統(tǒng)用標準電壓源對太平洋6000采集裝置加載階躍電壓信號(將前置的調(diào)理器濾波頻率設置為直通)，響應時間t90=0.3～0.4 ms。推力傳感器的型號是GKCY15-1A，量程500 kN，頻響500 Hz，用砝碼瞬間加載，t90=2.0～2.3 ms。壓力傳感器型號是YB1D，量程15 MPa，頻響1.5 kHz，用落錘法加載，t90=0.7～0.9 ms。由上述分析看，采集裝置和傳感器的動態(tài)響應在分析大型液體火箭發(fā)動機起動加速性時，影響因素可以忽略，主要分析信號調(diào)理器濾波特性的影響。

轉(zhuǎn)速(頻率型參數(shù))和推力、壓力(電壓型參數(shù))配置的信號調(diào)理器不同，濾波特性的差異對被測參數(shù)的動態(tài)響應產(chǎn)生了一定影響。以配置信號調(diào)理器的美國太平洋公司6000采集系統(tǒng)為例，說明信號調(diào)理器的濾波特性對參數(shù)動態(tài)響應影響程度。6000采集系統(tǒng)為電壓型參數(shù)配置了6035采集板卡[13]。傳感器輸出電信號經(jīng)過兩個VCVS二階有源濾低通波器后，再進入采集裝置。有源濾低通波器前并聯(lián)了直通開關，可以將濾波器旁路，滿足高頻響應的特殊要求。6035采集板前端配置了巴特沃斯(Butterworth)四階低通濾波電路(兩個二階的Sallen-Key低通濾波電路串聯(lián))。6000采集系統(tǒng)為頻率型參數(shù)配置了6048采集板[13]。該板卡每個通道預留一個一階濾波器用于降噪，但出廠時未連接該濾波器。如果直接用6048測量轉(zhuǎn)速參數(shù)，則開機和關機延時在轉(zhuǎn)速參數(shù)上可以忽略。由于6048采集卡要求的輸入信號是100 mV～100 V的過零信號，液體火箭發(fā)動機試驗中部分轉(zhuǎn)速傳感器和渦輪流量計輸出信號的幅值小于100 mV，有的轉(zhuǎn)速信號幅值僅4 mV。一般在信號進入6048前研制了多功能信號調(diào)理器，原理如圖3所示[9]，調(diào)理器中對測量有延時作用的主要是前端低通RC濾波器。通過仿真[10]，太平洋公司6000采集系統(tǒng)配置的6035采集板設置10 Hz濾波器與直通相差約70 ms，如圖9所示。試驗現(xiàn)場用階躍信號對6035板濾波器進行測試，將采樣速率提高到2 000點/秒，6035采集板仍然10 Hz濾波，現(xiàn)場加載結(jié)果如圖10 所示，帶濾波器的信號比直通的信號晚72 ms，驗證了仿真結(jié)果的正確性。由于6048板前設計了多功能信號調(diào)理器，經(jīng)現(xiàn)場試驗驗證6035采集通道實際比6048采集通道延時40～50 ms，統(tǒng)計某型號發(fā)動機噴前壓力起動峰值比轉(zhuǎn)速起動峰值晚40～58 ms，平均值約48 ms。試驗結(jié)果證明，測量參數(shù)時間基準統(tǒng)一的前提下，不同測量參數(shù)信號調(diào)理器(濾波器)引起的測量延時應在數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)進行修正，確保不同參數(shù)在同一時刻的測量值反映發(fā)動機的固有特性。如太平洋6000采集系統(tǒng)采集的推力和壓力參數(shù)數(shù)據(jù)處理時，時間坐標應相對于轉(zhuǎn)速參數(shù)提前40～50 ms左右。實際工作中，標準低通濾波的延遲時間[15]

(2)

式中：Tτ為延時時間，s；fc為截止頻率，Hz ；n為濾波器階數(shù)。

圖9 階躍信號輸入仿真Fig.9 Simulation of step signal input

圖10 6035濾波器延時測試Fig.10 The delayed measurement of the 6035 filter

濾波器的結(jié)構(gòu)不同，對參數(shù)測量的延時時間也不同，一般通過加載階躍信號獲得準確的延時時間。所以，不同的采集裝置及信號調(diào)理器對測量參數(shù)引起的延時客觀存在，但不相同，必須通過實際測試，才能獲得相應的準確延遲時間，只有對測量系統(tǒng)引起的各參數(shù)測量時間延遲修正后，進行數(shù)據(jù)分析和加速性計算，提供的試驗數(shù)據(jù)才準確可信。

4 結(jié)論

1)大型液體火箭發(fā)動機的起動加速性計算時，要綜合分析不同的參數(shù)和不同的試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式，試驗系統(tǒng)的試車架響應特性、傳感器的安裝狀態(tài)及測量系統(tǒng)的電性能特性需通過實際試驗和仿真獲得。用轉(zhuǎn)速、推力或推力室壓力進行計算，結(jié)果有一定差異。由于試驗系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)不影響轉(zhuǎn)速參數(shù)的測量動態(tài)響應特性，且轉(zhuǎn)速參數(shù)配置的濾波器對響應特性的影響比推力、壓力參數(shù)小，轉(zhuǎn)速參數(shù)計算的加速性值最快，真實反映發(fā)動機的固有起動特性。

2)推力較小(如6～50 kN)的泵壓式發(fā)動機試驗由于試車架質(zhì)量小，測壓導管較短，用轉(zhuǎn)速、推力或推力室壓力計算起動加速性時試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響較??；擠壓式軌姿控發(fā)動機試車架更小，室壓傳感器測壓導管長度一般要求小于100 mm，考慮信號調(diào)理器的濾波器特性因素后，用推力或燃燒室壓力計算的起動加速性結(jié)果基本一致，一般用燃燒室壓力計算加速性。

3)用不同參數(shù)計算和分析發(fā)動機起動加速性時，各參數(shù)配置不同信號調(diào)理器的濾波器引起的響應滯后應通過實際測試獲得具體準確值，并在數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)消除，保證計算參數(shù)的初始響應特性一致。