CN112682221B - 姿控发动机高模点火试验热环境实时调节和精确加载方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及液体火箭姿控发动机热环境加载技术，具体涉及2000N姿控发动机高模点火试验热环境实时调节和精确加载方法，以解决现有2000N推力姿控发动机在地面高模点火试验中，热环境加载存在热流密度加载误差大，以及热流密度加载方法对多工况热试验的适应性差的问题。本发明所采用的技术方案为：一种姿控发动机高模点火试验热环境实时调节和精确加载方法，包括以下步骤：步骤1)：热流密度的标定，将真空舱内的姿控发动机模拟件分为身部热流加载区和喷管尾部热流加载区，在身部热流加载区和喷管尾部热流加载区均安装加热灯阵和热流计组；步骤2)：热流密度的实时调节；步骤3)：热流密度的精确加载。

Description

姿控发动机高模点火试验热环境实时调节和精确加载方法

技术领域

本发明涉及液体火箭姿控发动机热环境加载技术，具体涉及2000N姿控发动机高模点火试验热环境实时调节和精确加载方法。

背景技术

2000N推力姿控发动机为一款飞行器轨控舱主动力，其性能与可靠性需要进行热真空、耦合环境热试等复杂环境的验证。目前姿轨控动力系统仅进行力学环境、热环境或推力室热试环境等单项试验验证考核，无法进行真实复杂环境综合试验验证。为此需要建立2000N推力姿控发动机复杂飞行环境模拟热试试验平台，在地面模拟发动机飞行过程中的高空环境、高低温环境以及振动冲击环境，并在以上耦合环境中建立姿控动力系统点火条件。该项技术的难点如下：

1)姿控发动机真空舱环境试验环境，由于热流密度加热灯阵的加热、试验系统的冷却，以及试验工程的振动与冲击，难以准确获取加热灯阵的输入功率 (红外灯输入电压)与达到试验件表面的热流密度之间关系，使姿控发动机热流密度加载时存在较大的加载误差。

2)在确保对姿控发动机真空340kW/m²热流密度加载的前提下，姿控发动机试验过程中需要对喷管和身部不同区域的热流加载要求不同，同时热流密度随会时间逐渐变化，试验过程在高低温、振动、真空等复杂环境下进行，难以满足2Pa真空度环境中进行大热流密度精确加载要求。

3)由于姿控发动机试验工况多变，同时使用过程涉及发动机燃气点火，针对真空舱的温度变化，以及压力、振动等参数变化引起的热流密度波动，为保证不同试验工况下恒定热流密度要求，需要真空热环境复杂状态下进行热流密度的修正控制与实时反馈调节，适应真空舱不同试验工况下的热流密度波动，保证恒定热流密度要求。

发明内容

本发明在于解决目前2000N推力姿控发动机在地面高模点火试验中，热环境加载存在热流密度加载误差大，以及热流密度加载方法对多工况热试验的适应性差的问题，而提供一种姿控发动机高模点火试验热环境实时调节和精确加载方法。

本发明所采用的技术方案为：一种姿控发动机高模点火试验热环境实时调节和精确加载方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

步骤1)：热流密度的标定

步骤1.1)将真空舱内的姿控发动机模拟件分为身部热流加载区和喷管尾部热流加载区，在身部热流加载区和喷管尾部热流加载区均安装加热灯阵和热流计组；所述热流计组包括两支相同的热流计，分别为目标热流计和标准热流计，将目标热流计安装在试验中加热灯阵靠近发动机的一侧，将标准热流计安装在姿控发动机模拟件表面；

步骤1.2)将真空舱抽真空达到试验要求的高模点火真空度，然后用加热灯阵向姿控发动机模拟件施加热流，使标准热流计的实测热流密度达到试验要求的热流密度范围，关闭加热灯阵；采集并记录此过程中目标热流计的初始目标热流密度和标准热流计的标准热流密度；根据标准热流密度对初始目标热流密度进行校准得到目标热流密度，并得到每个分区下各目标热流密度所对应的加热灯阵功率与加载时间控制曲线，其中初始目标热流密度的校准，即直接用标准热流密度替换初始目标热流密度；

步骤1.3)根据步骤1.2)中的控制曲线，得到各加热灯阵按时间序列排布的输出功率；

步骤1.4)根据步骤1.3)中各加热灯阵按时间序列排布的输出功率，计算得到各加热灯阵可控硅功率输出器按时间序列的模拟量输出值；

步骤2)：热流密度的实时调节

步骤2.1)模拟姿控发动机模拟件在真空舱内的高模点火环境，可控硅功率输出器根据步骤1.4)得到的模拟量输出值向加热灯阵供电，使加热灯阵向姿控发动机模拟件施加热流；同时，采集目标热流计的初始目标热流密度和标准热流计的标准热流密度；

步骤2.2)根据标准热流密度对初始目标热流密度进行修正得到目标热流密度，此处修正用于避免高模点火环境的影响，即在地面真空舱内模拟姿控发动机飞行过程中的高空环境、高低温环境以及振动冲击环境的影响，控制器根据目标热流密度，实时调整可控硅功率输出器的模拟量输出值，向加热灯阵供电，姿控发动机模拟件各分区在试验要求的热流密度范围内进行反馈自动调节试验，得到目标热流密度与可控硅功率输出器调整后模拟量输出值的控制参数调节表；

步骤3)：热流密度的精确加载

步骤3.1)拆除姿控发动机模拟件和标准热流计，将待测姿控发动机替换姿控发动机模拟件安装在真空舱内，模拟姿控发动机模拟件在真空舱内的高模点火环境；

步骤3.2)设定目标热流密度，根据目标热流密度与可控硅功率输出器调整后模拟量输出值的控制参数调节表，找到目标热流密度对应的可控硅功率输出器调整后模拟量输出值，控制可控硅功率输出器向加热灯阵供电，进行发动机热流的精确加载。

进一步地，步骤1.1)中，将目标热流计和标准热流计的敏感面均正对加热灯阵设置。

进一步地，步骤1.2)中，加热灯阵向姿控发动机模拟件施加的热流为阶梯式热流。

进一步地，步骤1.2)中，高模点火真空度范围为0-1000Pa。

进一步地，步骤1.4)中，可控硅功率输出器的调压方式采用移相触发来改变可控硅的导通角，从而改变负载的电压有效值。

进一步地，步骤2.2)中，控制器为PID控制器。

进一步地，步骤2.2)中，目标热流密度的加载范围为50kW/m²-340kW/m²。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果。

一、本发明采用的姿控发动机高模点火试验热环境实时调节和精确加载方法，基于姿控发动机真空舱试验环境，进行大热流真空环境的热流标定、实时调节和精确加载，通过控制加热灯阵按时间序列排布的输出功率，建立真空环境2000N姿控发动机热流密度多分区精确标定方法，并基于对热流计采集的标准热流密度对初始目标热流密度进行修正，实现热流密度多分区反馈控制，进而实现了待测姿控发动机在试验过程中热流的精确加载，解决了由于真空舱的温度变化，以及压力、振动等参数变化引起的热流密度波动，保证姿控发动机在不同试验工况下的恒定热流密度要求。

二、本发明采用的姿控发动机高模点火试验热环境实时调节和精确加载方法，通过热流密度的标定，实现姿控发动机身部和喷管尾部双分区高热流真空环境热流密度优化分配，之后通过热流密度的实时调节，完成了真空环境中多分区热流密度反馈调节，进而确保了待测姿控发动机在试验过程中热流加载的精确性、连续性及可靠性，为建立姿控动力系统及推力室在环境模拟试验舱内点火工作过程中的真空环境保障条件，为验证某飞行器主动力发动机在工作状态与外部热流同时作用下的工作性能提供保证。

附图说明

图1为本发明姿控发动机模拟件热流加载区的位置示意图。

图2为本发明实施例中热流密度分区分配的控制系统结构示意图。

图3为本发明实施例中热流密度的反馈调节的流程图。

图4为本发明实施例中热流密度的精确加载的流程图。

图中：1-身部热流加载区，2-喷管尾部热流加载区。

具体实施方式

下面将结合本发明的实施例和附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例并非对本发明的限制。

本实施例中的姿控发动机高模点火试验热环境实时调节和精确加载方法，包括以下步骤：

步骤1)：热流密度的标定

步骤1.1)如图1所示，将真空舱内的姿控发动机模拟件分为身部热流加载区1和喷管尾部热流加载区2，在身部热流加载区1和喷管尾部热流加载区2 均安装加热灯阵和热流计组；所述热流计组包括两支相同的热流计，分别为目标热流计和标准热流计，将目标热流计安装在试验中加热灯阵靠近发动机的一侧，将标准热流计安装在姿控发动机模拟件表面，目标热流计和标准热流计的相对位置保持一致；

步骤1.2)将真空舱抽真空达到试验要求的高模点火真空度，然后用加热灯阵向姿控发动机模拟件施加阶梯式热流，使标准热流计的实测热流密度达到试验要求的热流密度范围，关闭加热灯阵；采集并记录此过程中目标热流计的初始目标热流密度和标准热流计的标准热流密度；

对标准热流计的热流密度数据进行曲线拟合，获取目标热流计的初始目标热流密度与标准热流计热流密度的对应函数关系及系数，得到目标热流计的初始目标热流密度相对于标准热流计热流密度的校准值，即直接用标准热流密度替换初始目标热流密度，进而得到每个分区下各目标热流密度所对应的加热灯阵功率与加载时间控制曲线；

步骤1.3)根据步骤1.2)中的控制曲线，可控硅功率输出器通过调压方式，建立功率控制系统，功率控制系统根据试验要求的热流密度范围，采集被控回路对应的热流计数据，得到各加热灯阵按时间序列排布的输出功率；

步骤1.4)根据步骤1.3)中各加热灯阵按时间序列排布的输出功率，计算得到各加热灯阵可控硅功率输出器按时间序列的模拟量输出值；

步骤2)：热流密度的实时调节

步骤2.1)模拟姿控发动机模拟件在真空舱内的高模点火环境，可控硅功率输出器根据步骤1.4)得到的模拟量输出值向加热灯阵供电，即可控硅功率输出器控制控制不同分区的加热灯阵按照不同的功率输出，使加热灯阵向姿控发动机模拟件施加热流，完成姿控发动机模拟件加热区域热流密度的分区分配；同时，采集目标热流计的初始目标热流密度和标准热流计的标准热流密度；

步骤2.2)根据标准热流密度对初始目标热流密度进行修正得到目标热流密度，此处修正用于避免高模点火环境的影响，即在地面真空舱内模拟姿控发动机飞行过程中的高空环境、高低温环境以及振动冲击环境的影响，控制器根据目标热流密度，实时调整可控硅功率输出器的模拟量输出值，向加热灯阵供电，姿控发动机模拟件各分区在试验要求的热流密度范围内进行反馈自动调节试验，得到目标热流密度与可控硅功率输出器调整后模拟量输出值的控制参数调节表；

上述高空环境、高低温环境以及振动冲击环境可通过将真空舱抽真空达到试验要求的高模点火真空度、液氮冷却控制真空舱内温度、发动机点火等实现控制。

步骤3)：热流密度的精确加载

步骤3.1)拆除姿控发动机模拟件和标准热流计，将待测姿控发动机替换姿控发动机模拟件安装在真空舱内，模拟姿控发动机模拟件在真空舱内的高模点火环境；

步骤3.2)设定目标热流密度，根据目标热流密度与可控硅功率输出器调整后模拟量输出值的控制参数调节表，找到目标热流密度对应的可控硅功率输出器调整后模拟量输出值，控制可控硅功率输出器向加热灯阵供电，进行发动机热流的精确加载。

本实施例中，2000N推力姿控发动机热加载过程中试验系统高模点火试验热环境加载方法中的加热灯阵选取红外辐射加热方式来实现热流密度，加热灯阵结构为将耐高温加热体(钨合金丝、碳纤维等)绕制成条状后，经特殊工艺进行处理，密封在优质透明石英玻璃管内，再经抽真空并充以混合惰性气体制成，通电后产生一定波长的红外线辐射能量，具有高热效、高强度、高穿透性、低能耗的显著特点。

加热灯阵热流控制通过调节电压的方式在试前对热流计进行标定校准，试验过程中灯阵按照试验前标定的电压曲线进行加热控制。功率控制系统采用可控硅调功器，采用调压方式调节，每个热流加载区配置一套可控硅调功器，整体机柜具备短路、断路、缺相保护以及限流、告警功能。每个热流加载区均配置灯阵控温仪，并提供数字通讯接口，可实现上位机控制。

如图2所示，姿控发动机模拟件加热区域热流密度按区域分配的控制系统由计算机、数据采集器、晶闸管调功器和热流计等组成。工作时，数据采集器采集姿控发动机模拟件的热流密度，与接收来自计算机试验要求的热流密度进行比较，采用PID控制算法控制晶闸管调功器的输出功率，同时将热流计采集到的热流密度反馈给计算机进行数据保存、处理。热流密度分区分配的控制系统主要用于控制加热灯阵按设置参数进行对加热，实现对姿控发动机壁面按照试验要求的热流密度进行加载。

本实施步骤1.2)中，在采集并记录此过程中目标热流计的初始目标热流密度和标准热流计的标准热流密度之后，可建立目标热流密度和时间关系曲线，通过插值的方式，以每隔5秒的间隔得到对应的目标热流密度，根据2000N姿控发动机高模点火试验流程的时间程序，制作时间与目标热流密度控制参数调节表。

根据时间与目标热流密度对应关系表，标定不同热流密度与可控硅功率输出器的输出电压值。标定完成后，将所得到的数据制成表格，即2000N姿控发动机壁面各分区所有目标热流密度与可控硅功率输出器的输出电压值的对应关系表。

再通过标定可控硅功率输出器的开度值(380V电压对应的百分比)，标定出加热灯阵的输出功率与达到姿控发动机模拟件表面的标准热流计热流密度的关系，标定完成后，将所得到的数据制成表格，即2000N姿控发动机壁面各分区所有热流密度与可控硅功率输出器输出的百分比对应关系表，进而得到每个分区下各目标热流密度所对应的加热灯阵功率与加载时间控制曲线。

本实施步骤1)中，在进行姿控发动机热流密度的标定时，由灯阵控温仪采集热流计的热流密度；上位计算机以LAN方式读取灯阵控温仪采集的热流密度，并按照时间序列得到该时刻对应的目标热流密度，根据热流密度与控制参数对应关系表，得到对应的控制参数，并将该控制参数以及目标热流密度发送给灯阵温控仪；

本实施步骤2)中，热流密度的实时调节由多分区热流密度实时调节系统完成，多分区热流密度实时调节系统由计算机、串口服务器、可控硅调功器和热流计组成。工作时，计算机通过数据采用系统采集试件的热流密度，与计算机内的目标热流密度进行比较，采用PID控制算法，计算出可控硅调功器的输出功率，通过计算机与可控硅调功器之间的接口，控制可控硅调功器的输出功率。同时将采集到的热流密度进行数据保存、处理。控制算法在计算机上用程序控制。上位机软件完成系统配置、系统状态及参数的显示、人机交互、报警、趋势图、报表等功能。

多分区热流密度实时调节系统实现了多分区热流密度实时调节与精确加载，通过一体化综合加热、测量及控制，由灯阵温控仪采集被控回路对应的热流计；上位计算机可手动或/和自动设定目标热流密度；灯阵温控仪根据设定目标热流密度并通过算法进行计算得到模拟量输出值，并将该模拟量输出值发送给晶闸管调功器，通过可控硅控制红外灯供电给试件加温，从而实现姿控发动机加载热流精确控制。

在试验过程中，多分区热流密度实时调节系统采用的热流控制程序具备将热环境模拟系统快速从多分区热流密度反馈调节切换至多分区热流密度精确加载的能力，切换至多分区热流密度精确加载时，多分区热流密度精确加载程序的执行时刻与多分区热流密度多分区热流密度实时调节的执行时刻保持一致，从而保证试验过程的程序完整性。

步骤2)中，针对真空舱的温度变化，以及压力、振动等参数变化引起的热流密度波动，为保证恒定热流密度要求，灯阵温控仪采集安装在姿控发动机模拟件表面热流计的热流密度作为反馈值输入给灯阵控温仪，灯阵温控仪根据设定目标热流密度以及控制参数，通过PID控制器进行计算得到模拟量输出值，获得修正值，并将该数据发送给控制器，由调功器根据修正值及时调节加热灯阵供电给姿控发动机壁面加温，实现反馈控制，适应真空舱的热流密度波动，完成多分区热流密度多分区热流密度实时调节，保证恒定热流密度要求。

如图3所示，本实施例中热流密度的实时调节过程具体如下：

A1)将试验的目标热流密度发送给上位计算机；

A2)上计算机根据目标热流密度及热流计采集的热流密度，通过控制算法计算得到可控硅功率输出器输出的百分比；

A3)上位计算机通过LAN总线的方式由串口服务器将数据(可控硅功率输出器输出的百分比)发送给灯阵控温仪(数字信号)；

A4)灯阵控温仪通过模拟量控制方式将数据(可控硅功率输出器输出的百分比)发送给可控硅功率输出器；

A5)通过PID控制器进行计算得到模拟量输出值，获得修正值，并将该数据发送给控制器；

A6)由可控硅功率输出器根据修正值及时调节加热灯阵供电给姿控发动机壁面加温，并由姿控发动机模拟件表面的热流计将热流密度发送至数据采集器；

A7)计算机采集热流计热流值后，重复执行步骤A2)，实现反馈控制，具备自适应特性，适应真空舱的热流密度波动，达到多分区热流密度多分区热流密度实时调节。

如图4所示，本实施例中热流密度精确加载流程具体如下：

B1)将试验的目标热流密度输入发送给上位计算机；

B2)上计算机通过查表依据热流密度与可控硅功率输出器输出的百分比对应关系表，将热流密度转换为可控硅功率输出器输出的百分比；

B3)上位计算机通过LAN总线的方式由串口服务器将数据(可控硅功率输出器输出的百分比)发送给灯阵控温仪(数字信号)；

B4)控温仪通过模拟量控制方式将数据(可控硅功率输出器输出的百分比) 发送给可控硅功率输出器；

B5)可控硅功率输出器根据时间序列指令输出对应的功率对加热灯阵进行加电；

B6)加热灯阵对试件进行加热，并由2000N姿控发动机壁面的热流计将热流密度发送至数据采集器，并计算得到热流密度。

以上所述仅为本发明的实施例，并非对本发明保护范围的限制，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种姿控发动机高模点火试验热环境实时调节和精确加载方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)：热流密度的标定

步骤1.1)将真空舱内的姿控发动机模拟件分为身部热流加载区(1)和喷管尾部热流加载区(2)，在身部热流加载区(1)和喷管尾部热流加载区(2)均安装加热灯阵和热流计组；所述热流计组包括两支相同的热流计，分别为目标热流计和标准热流计，将目标热流计安装在试验中加热灯阵靠近发动机的一侧，将标准热流计安装在姿控发动机模拟件表面；

步骤1.2)将真空舱抽真空达到试验要求的高模点火真空度，然后用加热灯阵向姿控发动机模拟件施加热流，使标准热流计的实测热流密度达到试验要求的热流密度范围，关闭加热灯阵；采集并记录此过程中目标热流计的初始目标热流密度和标准热流计的标准热流密度；根据标准热流密度对初始目标热流密度进行校准得到目标热流密度，并得到每个分区下各目标热流密度所对应的加热灯阵功率与加载时间控制曲线；

步骤1.3)根据步骤1.2)中的控制曲线，得到各加热灯阵按时间序列排布的输出功率；

步骤1.4)根据步骤1.3)中各加热灯阵按时间序列排布的输出功率，计算得到各加热灯阵可控硅功率输出器按时间序列的模拟量输出值；

步骤2)：热流密度的实时调节

步骤2.1)模拟姿控发动机模拟件在真空舱内的高模点火环境，可控硅功率输出器根据步骤1.4)得到的模拟量输出值向加热灯阵供电，使加热灯阵向姿控发动机模拟件施加热流；同时，采集目标热流计的初始目标热流密度和标准热流计的标准热流密度；

步骤2.2)根据标准热流密度对初始目标热流密度进行修正得到目标热流密度，控制器根据目标热流密度，实时调整可控硅功率输出器的模拟量输出值，向加热灯阵供电，姿控发动机模拟件各分区在试验要求的热流密度范围内进行反馈调节，得到目标热流密度与可控硅功率输出器调整后模拟量输出值的控制参数调节表；

步骤3)：热流密度的精确加载

步骤3.1)拆除姿控发动机模拟件和标准热流计，将待测姿控发动机替换姿控发动机模拟件安装在真空舱内，模拟姿控发动机模拟件在真空舱内的高模点火环境；

步骤3.2)设定目标热流密度，根据目标热流密度与可控硅功率输出器调整后模拟量输出值的控制参数调节表，找到目标热流密度对应的可控硅功率输出器调整后模拟量输出值，控制可控硅功率输出器向加热灯阵供电，进行发动机热流的精确加载。

2.根据权利要求1所述的姿控发动机高模点火试验热环境实时调节和精确加载方法，其特征在于：步骤1.1)中，将目标热流计和标准热流计的敏感面均正对加热灯阵设置。

3.根据权利要求2所述的姿控发动机高模点火试验热环境实时调节和精确加载方法，其特征在于：步骤1.2)中，加热灯阵向姿控发动机模拟件施加的热流为阶梯式热流。

4.根据权利要求3所述的姿控发动机高模点火试验热环境实时调节和精确加载方法，其特征在于：步骤1.2)中，高模点火真空度范围为0-1000Pa。

5.根据权利要求1-4任一所述的姿控发动机高模点火试验热环境实时调节和精确加载方法，其特征在于：步骤1.4)中，所述可控硅功率输出器的调压方式采用移相触发来改变可控硅的导通角，从而改变负载的电压有效值。

6.根据权利要求5所述的姿控发动机高模点火试验热环境实时调节和精确加载方法，其特征在于：步骤2.2)中，控制器为PID控制器。

7.根据权利要求6所述的姿控发动机高模点火试验热环境实时调节和精确加载方法，其特征在于：步骤2.2)中，目标热流密度的加载范围为50kW/m²-340kW/m²。

Images