CN109443786A - 姿轨控发动机燃气阀响应时间及羽流温度测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种姿轨控发动机燃气阀响应时间及羽流温度测量装置，用于同步测量燃气阀启闭响应时间与羽流温度，具有这样的特征，包括：羽流测试部，具有腔室、与腔室连接的氮气瓶、与腔室连接的喷管、设置在喷管上燃气阀、固定设置在喷管的喷管口外的喷管壳体、设置在喷管壳体一侧的激光器、与激光器设置在喷管壳体同一侧的光纤传感器以及设置在喷管壳体另一侧的与激光器对应设置的激光信号接收器；光电转换部，具有与光纤传感器连接的光谱仪以及与激光器和激光信号接收器连接的机箱；以及数据存储分析部，具有与机箱连接的采集卡以及与采集卡和光谱仪连接的计算机。本发明还提供了一种测量方法，用于同步测量燃气阀响应时间与羽流温度。

Description

姿轨控发动机燃气阀响应时间及羽流温度测量装置及方法

技术领域

本发明属于计量测试领域，具体涉及一种姿轨控发动机燃气阀响应时间及羽流温度测量装置及方法。

背景技术

在姿轨控动力系统中，燃气发生器产生高温燃气，通过多个燃气阀及推力控制装置来实现飞行器的换轨姿控，而燃气阀启闭响应时间与羽流温度是其重要参数。目前燃气阀启闭响应时间通常基于压力传感器、推力传感器等参数测量分析确定，这些传感器响应时间与电磁阀响应时间相当，导致无法准确测定燃气阀响应时间且无法进行多阀多参数同步测量；羽流温度通常基于热电偶等接触式测量手段测定，热电偶的使用对羽流流场有较大干扰，并且不能适应于快速变化的羽流流场变化，无法准确测得羽流温度。这些压力传感器、推力传感器与热电偶的使用还需要对燃气阀结构进行改造，非常不便。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种姿轨控发动机燃气阀响应时间及羽流温度测量装置及方法。

本发明提供了一种姿轨控发动机燃气阀响应时间及羽流温度测量装置，用于同步测量燃气阀启闭响应时间与羽流温度，具有这样的特征，包括：羽流测试部，具有用于进行气流反应来获得膨胀气流的腔室、与腔室连接的用于提供气流反应需要的低温高压气流的氮气瓶、与腔室连接的用于喷出膨胀气流的喷管、设置在喷管上用于控制喷管开关的燃气阀、固定设置在喷管的喷管口外的喷管壳体、设置在喷管壳体一侧的用于发出激光信号的激光器、与激光器设置在喷管壳体同一侧的用于采集羽流辐射光谱的光纤传感器以及设置在喷管壳体另一侧的与激光器对应设置的激光信号接收器；光电转换部，具有与光纤传感器连接的用于测量羽流辐射光谱并将羽流辐射光谱转换为第一电信号的光谱仪以及与激光器和激光信号接收器连接的机箱；以及数据存储分析部，具有与机箱连接的采集卡以及与采集卡和光谱仪连接的用于数据存储计算的计算机，其中，喷管喷射出的膨胀气流的气流喷射区域为羽流区，激光器发出的激光信号经过羽流区衰减后得到激光衰减信号，激光信号接收器用于接收激光衰减信号，机箱中设置有与激光器连接的用于供电的电源以及与激光信号接收器连接的用于接收激光衰减信号并将激光衰减信号转换为第二电信号的光电转换器。

在本发明提供的一种姿轨控发动机燃气阀响应时间及羽流温度测量装置中，还可以具有这样的特征：其中，喷管、燃气阀、喷管壳体、激光器、光纤传感器以及激光信号接收器的数量均为六个，一个喷管、一个燃气阀、一个喷管壳体、一个激光器、一个光纤传感器以及一个激光信号接收器组成一个测量筒段，腔室共连接有六个测量筒段。

在本发明提供的一种姿轨控发动机燃气阀响应时间及羽流温度测量装置中，还可以具有这样的特征：其中，激光器的工作电压为3V，功率为1.5W。

在本发明提供的一种姿轨控发动机燃气阀响应时间及羽流温度测量装置中，还可以具有这样的特征：其中，光谱仪的测量波段为200-1100nm。

在本发明提供的一种姿轨控发动机燃气阀响应时间及羽流温度测量装置中，还可以具有这样的特征：其中，光谱仪的数量为六个，每个光谱仪通过一根波段为200-1100nm的第一光纤与光纤传感器连接，电源与激光器通过导线连接，导线的数量为六根，激光信号接收器与光电转换器通过第二光纤连接，第二光纤的数量为六根，采集卡与机箱通过数据线连接，数据线的数量为六根，采集卡和光谱仪与计算机通过数据线连接，计算机的数量为七台，六台计算机作为对六个光谱仪的羽流辐射光谱进行存储分析来获得羽流温度的温度数据处理计算机，另一台计算机作为用于收集激光衰减信号以及对燃气阀启闭响应时间进行计算的响应时间数据处理计算机。

在本发明提供的一种姿轨控发动机燃气阀响应时间及羽流温度测量装置中，还可以具有这样的特征：其中，燃气阀通过外部控制信号来控制启闭，外部控制信号包括启动控制信号与关闭控制信号，采集卡与外部控制信号外接，从而将外部控制信号传输至响应时间数据处理计算机，响应时间数据处理计算机接收到外部控制信号后开始进行数据采集。

本发明还提供了一种采用姿轨控发动机燃气阀响应时间及羽流温度测量装置对燃气阀启闭响应时间与羽流温度进行测量的方法，具有这样的特征，包括以下步骤：步骤1，通过启动控制信号来开启燃气阀，采集卡接收到启动控制信号后将启动控制信号传输至响应时间数据处理计算机，响应时间数据处理计算机接收到启动控制信号后开始数据收集并记录启动控制信号的发出时刻为t₀₁，同时激光信号接收器对激光衰减信号进行采集，而后通过光电转换器将激光衰减信号转换为第二电信号后传输至响应时间数据处理计算机，响应时间数据处理计算机将激光衰减信号产生波动后开始保持信号稳定的时刻记录为燃气阀的开启时刻t₁，随后根据公式t_启＝t₁-t₀₁来得到燃气阀的启动响应时间t_启；

步骤2，通过光纤传感器采集羽流辐射光谱，羽流辐射光谱通过光谱仪转换为第一电信号并传输至温度数据处理计算机，温度数据处理计算机对羽流辐射光谱进行灰度分析，并基于普朗克定律对羽流辐射光谱进行最小二乘法拟合后得到羽流温度；

步骤3，通过关闭控制信号来关闭燃气阀，采集卡接收到关闭控制信号后将关闭控制信号传输至响应时间数据处理计算机，响应时间数据处理计算机接收到关闭控制信号后开始数据收集并记录关闭控制信号的发出时刻为t₀₂，同时激光信号接收器对激光衰减信号进行采集，而后通过光电转换器将激光衰减信号转换为第二电信号后传输至响应时间数据处理计算机，响应时间数据处理计算机将激光衰减信号开始产生波动的时刻记为燃气阀的关闭时刻t₂，将激光衰减信号波动后开始保持信号稳定的时刻记为燃气阀的完全关闭时刻t3，根据公式t_闭＝t₂-t₀₂和公式t_完全关闭＝t₃-t₀₂来得到燃气阀的关闭响应时间t_闭和燃气阀的完全关闭响应时间t_完全关闭，

其中，步骤2中，羽流温度的计算公式如下：

公式(1)中，E_λ为羽流辐射强度，ε(T)为气流辐射率，λ为波长，T为气流的热力学温度，c₁为第一辐射常量，c₂为第二辐射常量。

发明的作用与效果

根据本发明所涉及的一种姿轨控发动机燃气阀响应时间及羽流温度测量装置及方法，因为通过对激光透过羽流区后的激光衰减信号转换成的电信号进行分析即可获得燃气阀响应时间，所以测量时无需进行接触，并且测量精度高，灵敏度高；因为通过对羽流辐射光谱分析即可得到羽流温度，所以测量羽流温度时也无需接触，并且能够更好的适应羽流流场的变化从而获得更为准确的羽流温度；因为无需对燃气阀的结构进行改造，所以便于安装，具有良好的适用性。因此，本发明的一种姿轨控发动机燃气阀响应时间及羽流温度测量装置结构简单，安装简便，且采用该装置的测量方法能够在非接触的情况下高灵敏度的对燃气阀响应时间和羽流温度进行同步实时测量。

附图说明

图1是本发明的实施例中的一种姿轨控发动机燃气阀响应时间及羽

流温度测量装置的装置示意图；

图2是本发明的实施例中的测量筒段的结构示意图；

图3是本发明的实施例中的测量方法的流程示意图；

图4是本发明的实施例中的外部控制信号与激光衰减信号的信号图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本发明作具体阐述。

实施例：

图1是本发明的实施例中的一种姿轨控发动机燃气阀响应时间及羽流温度测量装置的装置示意图。

如图1所示，本实施例的一种姿轨控发动机燃气阀响应时间及羽流温度测量装置100，用于同步测量燃气阀启闭响应时间与羽流温度，包括羽流测试部10、光电转换部20以及数据存储分析部30。

羽流测试部10，具有用于进行气流反应来获得膨胀气流的腔室11、与腔室11连接的用于提供气流反应需要的低温高压气流的氮气瓶12、与腔室11连接的用于喷出膨胀气流的喷管13、设置在喷管13上用于控制喷管开关的燃气阀14、固定设置在喷管13的喷管口外的喷管壳体15、设置在喷管壳体15一侧的用于发出激光信号的激光器16、与激光器16设置在喷管壳体15同一侧的用于采集羽流辐射光谱的光纤传感器17以及设置在喷管壳体15另一侧的与激光器16对应设置的激光信号接收器18。

激光器16的工作电压为3V，功率为1.5W。

喷管13喷射出的膨胀气流的气流喷射区域为羽流区，激光器16发出的激光信号经过羽流区时，因气流中液滴与微小颗粒物的存在，发生散射或偏折后获得衰减，衰减后得到激光衰减信号，激光信号接收器18用于接收激光衰减信号。

图2是本发明的实施例中的测量筒段的结构示意图。

如图2所示，一个喷管13、一个燃气阀14、一个喷管壳体15、一个激光器16、一个光纤传感器17以及一个激光信号接收器18组成一个测量筒段，

喷管13、燃气阀14、喷管壳体15、激光器16、光纤传感器17以及激光信号接收器18的数量均为六个，腔室11共连接有六个测量筒段。

光电转换部20，具有与光纤传感器17连接的用于测量羽流辐射光谱并将羽流辐射光谱转换为第一电信号的光谱仪21以及与激光器16和激光信号接收器18连接的机箱22，将羽流辐射光谱转换为第一电信号来便于进行数据传输。

光谱仪21的测量波段为200-1100nm。

机箱22中设置有与激光器16连接的用于供电的电源以及与激光信号接收器18连接的用于接收激光衰减信号并将激光衰减信号转换为第二电信号的光电转换器，将激光衰减信号转换为第二电信号来便于进行数据传输。

数据存储分析部30，具有与机箱22连接的采集卡31以及与采集卡31和光谱仪21连接的用于数据存储计算的计算机32。

光谱仪21的数量为六个，每个光谱仪21通过一根波段为200-1100nm的第一光纤40与光纤传感器17连接，

电源与激光器16通过导线50连接，导线50的数量为六根，

激光信号接收器18与光电转换器通过第二光纤60连接，第二光纤60的数量为六根，

采集卡31与机箱22通过数据线连接，数据线的数量为六根，

采集卡31和光谱仪21与计算机32通过数据线连接，计算机32的数量为七台，六台计算机32作为对六个光谱仪21的羽流辐射光谱进行存储分析来获得羽流温度的温度数据处理计算机，另一台计算机32作为用于收集激光衰减信号以及对燃气阀启闭响应时间进行计算的响应时间数据处理计算机。

燃气阀14通过外部控制信号来控制启闭，外部控制信号包括启动控制信号与关闭控制信号，采集卡31与外部控制信号外接，从而将外部控制信号传输至响应时间数据处理计算机，响应时间数据处理计算机接收到外部控制信号后开始进行数据采集。

机箱22中设置有与激光器16连接的用于供电的电源以及与激光信号接收器18连接的用于接收激光衰减信号并将激光衰减信号转换为第二电信号的光电转换器。

图3是本发明的实施例中的测量方法的流程示意图。

如图3所示，本实施例的一种采用姿轨控发动机燃气阀响应时间及羽流温度测量装置100对燃气阀启闭响应时间与羽流温度进行测量的方法，包括以下步骤：步骤1，通过启动控制信号来开启燃气阀14，采集卡31接收到启动控制信号后将启动控制信号传输至响应时间数据处理计算机，响应时间数据处理计算机接收到启动控制信号后开始数据收集并记录启动控制信号的发出时刻为t₀₁，同时激光信号接收器18对激光衰减信号进行采集，而后通过光电转换器将激光衰减信号转换为第二电信号后传输至响应时间数据处理计算机，响应时间数据处理计算机将激光衰减信号产生波动后开始保持信号稳定的时刻记录为燃气阀14的开启时刻t₁，随后根据公式t_启＝t₁-t₀₁来得到燃气阀的启动响应时间t_启；

步骤2，通过光纤传感器17采集羽流辐射光谱，羽流辐射光谱通过光谱仪21转换为第一电信号并传输至温度数据处理计算机，温度数据处理计算机对羽流辐射光谱进行灰度分析，并基于普朗克定律对羽流辐射光谱进行最小二乘法拟合后得到羽流温度；

步骤3，通过关闭控制信号来关闭燃气阀14，采集卡31接收到关闭控制信号后将关闭控制信号传输至响应时间数据处理计算机，响应时间数据处理计算机接收到关闭控制信号后开始数据收集并记录关闭控制信号的发出时刻为t₀₂，同时激光信号接收器18对激光衰减信号进行采集，而后通过光电转换器将激光衰减信号转换为第二电信号后传输至响应时间数据处理计算机，响应时间数据处理计算机将激光衰减信号开始产生波动的时刻记为燃气阀14的关闭时刻t₂，将激光衰减信号波动后开始保持信号稳定的时刻记为燃气阀14的完全关闭时刻t₃，根据公式t_闭＝t₂-t₀₂和公式t_完全关闭＝t₃-t₀₂来得到燃气阀14的关闭响应时间t_闭和燃气阀14的完全关闭响应时间t_完全关闭，

其中，步骤2中，羽流温度的计算公式如下：

公式(1)中，E_λ为羽流辐射强度，ε(T)为气流辐射率，λ为波长，T为气流的热力学温度，c₁为第一辐射常量，c₂为第二辐射常量。

图4是本发明的实施例中的外部控制信号与激光衰减信号的信号图。

如图4所示，本实施例的计算燃气阀响应时间的原理如下：启动控制信号从t₀₁时刻发出，燃气阀14开启，此时喷管13逐渐打开并开始喷射气流形成羽流区，激光器16发出的激光信号经过羽流区时透射光强发生变化，使得激光信号接收器18接收到的激光衰减信号开始产生波动，当到达t₁时刻时，燃气阀14完全开启从而使得羽流区的流场稳定建立，此时激光衰减信号开始保持稳定，随后根据公式t_启＝t₁-t₀₁即可得到燃气阀的启动响应时间t_启，关闭控制信号从t₀₂时刻发出，当到达t₂时刻时，燃气阀14开始进行关闭，喷管13开始逐渐减少喷射气流，羽流区的流场开始发生变化从而使得激光衰减信号开始产生波动，此时根据公式t_闭＝t₂-t₀₂即可得到燃气阀14的关闭响应时间t_闭，当到达t₃时刻，此时燃气阀14完全关闭，羽流区消失，激光衰减信号开始保持稳定，此时根据公式t_完全关闭＝t₃-t₀₂即可得到燃气阀14的完全关闭响应时间t₃。

实施例的作用与效果

根据本实施例所涉及的一种姿轨控发动机燃气阀响应时间及羽流温度测量装置及方法，因为通过对激光透过羽流区后的激光衰减信号转换成的电信号进行分析即可获得燃气阀响应时间，所以测量时无需进行接触，并且测量精度高，灵敏度高；因为通过对羽流辐射光谱分析即可得到羽流温度，所以测量羽流温度时也无需接触，并且能够更好的适应羽流流场的变化从而获得更为准确的羽流温度；因为无需对燃气阀的结构进行改造，所以便于安装，具有良好的适用性。因此，本实施例的一种姿轨控发动机燃气阀响应时间及羽流温度测量装置结构简单，安装简便，且采用该装置的测量方法能够在非接触的情况下高灵敏度的对燃气阀响应时间和羽流温度进行同步实时测量。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种姿轨控发动机燃气阀响应时间及羽流温度测量装置，用于同步测量燃气阀启闭响应时间与羽流温度，其特征在于，包括：

羽流测试部，具有用于进行气流反应来获得膨胀气流的腔室、与所述腔室连接的用于提供所述气流反应需要的低温高压气流的氮气瓶、与所述腔室连接的用于喷出所述膨胀气流的喷管、设置在所述喷管上用于控制所述喷管开关的燃气阀、固定设置在所述喷管的喷管口外的喷管壳体、设置在所述喷管壳体一侧的用于发出激光信号的激光器、与所述激光器设置在所述喷管壳体同一侧的用于采集羽流辐射光谱的光纤传感器以及设置在所述喷管壳体另一侧的与所述激光器对应设置的激光信号接收器；

光电转换部，具有与所述光纤传感器连接的用于测量所述羽流辐射光谱并将所述羽流辐射光谱转换为第一电信号的光谱仪以及与所述激光器和所述激光信号接收器连接的机箱；以及

数据存储分析部，具有与所述机箱连接的采集卡以及与所述采集卡和所述光谱仪连接的用于数据存储计算的计算机，

其中，所述喷管喷射出的所述膨胀气流的气流喷射区域为羽流区，

所述激光器发出的所述激光信号经过所述羽流区衰减后得到激光衰减信号，所述激光信号接收器用于接收所述激光衰减信号，

所述机箱中设置有与所述激光器连接的用于供电的电源以及与所述激光信号接收器连接的用于接收所述激光衰减信号并将所述激光衰减信号转换为第二电信号的光电转换器。

2.根据权利要求1所述的一种姿轨控发动机燃气阀响应时间及羽流温度测量装置，其特征在于：

其中，所述喷管、所述燃气阀、所述喷管壳体、所述激光器、所述光纤传感器以及所述激光信号接收器的数量均为六个，

一个所述喷管、一个所述燃气阀、一个所述喷管壳体、一个所述激光器、一个所述光纤传感器以及一个所述激光信号接收器组成一个测量筒段，

所述腔室共连接有六个所述测量筒段。

3.根据权利要求1所述的一种姿轨控发动机燃气阀响应时间及羽流温度测量装置，其特征在于：

其中，所述激光器的工作电压为3V，功率为1.5W。

4.根据权利要求1所述的一种姿轨控发动机燃气阀响应时间及羽流温度测量装置，其特征在于：

其中，所述光谱仪的测量波段为200-1100nm。

5.根据权利要求1所述的一种姿轨控发动机燃气阀响应时间及羽流温度测量装置，其特征在于：

其中，所述光谱仪的数量为六个，每个所述光谱仪通过一根波段为200-1100nm的第一光纤与所述光纤传感器连接，

所述电源与所述激光器通过导线连接，所述导线的数量为六根，

所述激光信号接收器与所述光电转换器通过第二光纤连接，所述第二光纤的数量为六根，

所述采集卡与所述机箱通过数据线连接，所述数据线的数量为六根，

所述采集卡和所述光谱仪与所述计算机通过数据线连接，所述计算机的数量为七台，六台所述计算机作为对六个所述光谱仪的所述羽流辐射光谱进行存储分析来获得所述羽流温度的温度数据处理计算机，另一台所述计算机作为用于收集所述激光衰减信号以及对所述燃气阀启闭响应时间进行计算的响应时间数据处理计算机。

6.根据权利要求1所述的一种姿轨控发动机燃气阀响应时间及羽流温度测量装置，其特征在于：

其中，所述燃气阀通过外部控制信号来控制启闭，所述外部控制信号包括启动控制信号与关闭控制信号，

所述采集卡与所述外部控制信号外接，从而将所述外部控制信号传输至所述响应时间数据处理计算机，所述响应时间数据处理计算机接收到所述外部控制信号后开始进行数据采集。

7.一种采用如权利要求1所述的姿轨控发动机燃气阀响应时间及羽流温度测量装置来对燃气阀启闭响应时间与羽流温度进行测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，通过所述启动控制信号来开启所述燃气阀，所述采集卡接收到所述启动控制信号后将所述启动控制信号传输至所述响应时间数据处理计算机，所述响应时间数据处理计算机接收到所述启动控制信号后开始数据收集并记录所述启动控制信号的发出时刻为t₀₁，同时所述激光信号接收器对所述激光衰减信号进行采集，而后通过所述光电转换器将所述激光衰减信号转换为所述第二电信号后传输至所述响应时间数据处理计算机，所述响应时间数据处理计算机将所述激光衰减信号产生波动后开始保持信号稳定的时刻记录为所述燃气阀的开启时刻t₁，随后根据公式t_启＝t₁-t₀₁来得到所述燃气阀的启动响应时间t_启；

步骤2，通过所述光纤传感器采集所述羽流辐射光谱，所述羽流辐射光谱通过所述光谱仪转换为所述第一电信号并传输至所述温度数据处理计算机，所述温度数据处理计算机对所述羽流辐射光谱进行灰度分析，并基于普朗克定律对所述羽流辐射光谱进行最小二乘法拟合后得到所述羽流温度；

步骤3，通过所述关闭控制信号来关闭所述燃气阀，所述采集卡接收到所述关闭控制信号后将所述关闭控制信号传输至所述响应时间数据处理计算机，所述响应时间数据处理计算机接收到所述关闭控制信号后开始数据收集并记录所述关闭控制信号的发出时刻为t₀₂，同时所述激光信号接收器对所述激光衰减信号进行采集，而后通过所述光电转换器将所述激光衰减信号转换为所述第二电信号后传输至所述响应时间数据处理计算机，所述响应时间数据处理计算机将所述激光衰减信号开始产生波动的时刻记为所述燃气阀的关闭时刻t₂，将所述激光衰减信号波动后开始保持信号稳定的时刻记为所述燃气阀的完全关闭时刻t₃，根据公式t_闭＝t₂-t₀₂和公式t_完全关闭＝t₃-t₀₂来得到所述燃气阀的关闭响应时间t_闭和所述燃气阀的完全关闭响应时间t_完全关闭，

其中，步骤2中，所述羽流温度的计算公式如下：

公式(1)中，E_λ为羽流辐射强度，ε(T)为气流辐射率，λ为波长，T为气流的热力学温度，c₁为第一辐射常量，c₂为第二辐射常量。