CN113944573A - 一种电弧发动机和单组元发动机通用高空模拟试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电弧发动机和单组元发动机通用高空模拟试验系统，包括测量与控制系统、真空系统、推进剂输送系统、尾气处理系统；待测试电弧发动机或单组元发动机放置在真空舱内，由真空系统负责模拟真空舱内待测试发动机实际工作时的高空环境；所述真空系统同时将发动机产生的燃气排送至尾气处理系统，以维持真空舱内的高空环境；推进剂输送系统为待测试发动机提供一定压力的推进剂及完成推进剂的转注工作；测量与控制系统，负责真空舱内待测试发动机工作状态的控制及相关性能参数的测量记录。

Description

一种电弧发动机和单组元发动机通用高空模拟试验系统

技术领域

本发明涉及一种航天器姿轨控发动机高空模拟试验技术，尤其涉及一种以无水肼为推进剂的姿轨控发动机高空模拟试验系统。

背景技术

单组元发动机和电弧发动机是在国内外航天器上广泛应用的姿轨控发动机，两者均采用无水肼作为推进剂。在发动机上天之前，需在地面搭建高空模拟试验系统，对其进行充分的性能考核和寿命验证，以保证航天器发射后的正常使用。现有的发动机高空模拟试验系统往往只能满足其中一种发动机的试验需求，因此通常设计两套试验系统来分别进行相关的试验。而新的高空模拟试验系统的建设周期以年计、费用成本以百万元计，难以满足日益增加的发动机试验需求。

相关专利文件和非专利文件调研及对比结果如下：

CN201410190361.7，公开日2014-7-30，分类号G01N25/00：

该专利提供了一种模拟燃烧室内部高温含水气流的试验方法，可用于推力器燃烧室材料的烧蚀机理和性能的研究，与本专利的无水肼推进剂输送系统有着明显不同。

CN200910083035.5，公开日2009-9-23，分类号F02K9/58

该专利介绍了一种用于电弧推力器供给管路的推进剂填充装置，提供推进剂充填、压力调节、推进剂回流等功能。与本专利输送系统中的工作罐和流量罐的配置不同，且未介绍真空系统、流量测试相关情况。

陈黎明,电弧加热推力器的设计与研究[D].清华大学,2002.

该文献介绍了一种以氩气作为推进剂的电弧推力器的设计与试验，与本专利的无水肼推进剂输送系统有着明显不同。

贾云涛,肼催化分解产物电弧加热推力器的实验研究[D].清华大学，2008.

该文献设计了一种低功率的电弧加热推力器，并建立了相关试验平台。但其在试验中以氮气、氢气和氨气的混合气体代替肼的分解产物，这与本专利的输送系统存在明显不同。

张莘艾,汤海滨,施陈波,刘宇.低功率NH₄电弧加热推力器高空模拟试验系统[J].北京航空航天大学学报,2010,36(8).

该文献介绍了用于低功率肼电弧推力器的试验系统，包括真空系统、推进剂供给系统、电源系统、微小流量测量装置、微推力测量装置等。与本专利的通用试车台系统不同的是，文献中的试验系统只针对电弧推力器，而不能用于我国现有的单组元推力器试验。

沈岩,魏延明,陈君,关威,汤海滨.1kW级肼电弧加热推力器工程样机研究[J].推进技术,2011,11(845-851).

该文献介绍了1kW级肼电弧加热推力器工程样机研制工作的进展情况，但其高空模拟试验是以氮气和氨气的混合气模拟肼进行的。这与本专利中的无水肼推进剂输送系统有着明显不同。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对以无水肼为推进剂的单组元发动机和电弧发动机的共性和不同，克服了现有试验系统应用对象单一、通用性较差的缺点，设计了一种通用发动机高空模拟试验系统。

本发明解决技术的方案是：一种电弧发动机和单组元发动机通用高空模拟试验系统，包括测量与控制系统、真空系统、推进剂输送系统、尾气处理系统；

待测试电弧发动机或单组元发动机放置在真空舱内，由真空系统负责模拟真空舱内待测试发动机实际工作时的高空环境；所述真空系统同时将发动机产生的燃气排送至尾气处理系统，以维持真空舱内的高空环境；

推进剂输送系统为待测试发动机提供一定压力的推进剂及完成推进剂的转注工作；

测量与控制系统，负责真空舱内待测试发动机工作状态的控制及相关性能参数的测量记录。

优选的，所述的测量与控制系统包括传感器、信号放大处理器、数据采集/控制卡、推力器高压电源；

所述的推力器高压电源用于为电弧发动机提供直流稳压电源；

所述的传感器包括压力传感器、温度传感器、流量传感器、电压传感器、电流传感器；其中，电压传感器、电流传感器安装在推力器高压电源的输出端；流量传感器安装在所述的推进剂输送系统中用于测量发动机工作时的推进剂流量变化；压力传感器、温度传感器均安装在推进剂输送系统和待测发动机上，压力传感器用于测量发动机工作时的推进剂供给压力以及发动机燃烧室压力；温度传感器用于测量推进剂温度和待测发动机预设部位温度；

所述信号放大处理器用于将输入的传感器的测量信号进行放大处理后发送至数据采集/控制卡，由数据采集控制卡采集后传递至工控计算机，由工控计算机进行记录，所述工控计算机根据待测发动机类型选择控制对象，即当待测发动机为电弧发动机时，根据发动机试验技术要求，发动控制指令至发动机上的加热器开始工作，待采集的温度信号达到预设的要求后发送控制指令至发动机上的电磁阀及推力器高压电源按照预定的时序进行试验，试验过程中记录压力传感器、温度传感器、流量传感器、电压传感器、电流传感器的测量信号；

当待测发动机为单组元发动机时，根据发动机试验技术要求，发动控制指令至发动机上的加热器开始工作，待采集的温度信号达到预设的要求后发送控制指令至发动机上的电磁阀按照预定的时序进行试验，试验过程中记录压力传感器、温度传感器、流量传感器的测量信号。

当待测发动机为电弧发动机时，工控计算机接收外部输入的对应的试验工况，将在向电磁阀指令发出的同时记录所采集的各项数据，从而保证试验工况与试验数据的时序一致性；待电弧发动机按时序要求工作一定时间后，工控计算机向高压电源发出指令，高压电源首先开启击穿模式并输出kV级电压，以击穿电弧发动机中的气体，同时对所采集的电流进行判断，若电流在规定时间内达到所要求的数据范围，则高压电源切换至工作模式，工作模式输出的电压电流由电弧发动机的具体型号确定；若电流未达到所要求的数据范围，则高压电源再次开启击穿模式；若高压电源开启三次击穿模式后，电流仍未达到要求的数据范围，则提示进行状态检查；

当待测发动机为单组元发动机时，工控计算机接收外部输入的对应的试验工况在向电磁阀指令发出的同时记录所采集的各项数据，从而保证试验工况与试验数据的时序一致性；在单组元发动机工作过程中，工控计算机对所采集的温度传感器参数进行采集和判断，若指定的温度参数低于由单组元发动机工作指标，则提示进行状态检查。

优选的，所述的真空系统包括换热器、冷却水机组以及两套真空机组；

冷却水机组为换热器、真空舱和真空机组提供冷却水；真空舱和两组真空机组之间安装换热器，换热器与每组真空机组之间安装过滤装置，进行单组元发动机试验过程中，开启两套真空机组；进行电弧发动机试验过程中，启任一套真空机组。

优选的，所述的换热器包括至少两层折流板组件，每层折流板组件由多个折流板同方向排列并由冷却水管串接，冷却水管的进出口分布于换热器的上下两侧；冷却水由下侧进入、由上侧流出，以避免水管中出现夹带气泡的现象，从而保证换热器的冷却效率。

优选的，所述折流板的角度90-120°，间距2-5cm。

优选的，真空机组由机械泵和干泵两组真空泵串联构成，每组真空机组的空载真空度为1-5Pa。

优选的，所述的推进剂输送系统包括气源、气控台、稳压罐、工作罐、流量罐、流量计；

所述的工作罐用于发动机寿命试验过程中推进剂的存储和供给；

所述的流量罐用于发动机性能测试试验过程中推进剂的存储和供给；

所述气控台用于将气源内的气体减压输送至稳压罐，稳压罐内的气体根据试验类型通入所述的工作罐或流量罐，工作罐或流量罐与发动机入口之间通过管路串联不同量程的流量计，两个流量计的量程分别与电弧发动机和单组元发动机的流量范围对应，每个流量计均由独立的阀门进行控制，针对待测发动机的类型，开启对应的流量计，挤压罐内的推进剂经管路和流量计进入发动机的入口。

优选的，在所述工作罐和流量罐的下方放置电子秤，用于计算试验过程中发动机消耗推进剂的重量。

优选的，两个流量计分别选用0-100mg/s量程、0.3-30g/s量程，且两种流量计串联安装，并均带有旁通管路。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

本发明针对单组元发动机和电弧发动机试验的共性和不同，设计了一种通用高空模拟试验系统，解决了单组元发动机尤其是电弧发动机高温燃气的冷却问题、真空系统冗余设计问题、不同量程流量测量问题。试验系统建成后，经历多台次各型号单组元发动机和电弧发动机的试验，结果表明，设计的高空模拟试验系统运行良好，满足单组元发动机和电弧发动机的试验需求。

附图说明

图1发动机高空模拟试验系统示意图；

图2测量与控制系统组成框图；

图3真空系统原理图；

图4换热器内部结构示意图；

图5输送系统示意图；

图6燃气尾气处理设备示意图；

图7无水肼蒸气处理设备示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

设计了一种发动机高空模拟试验系统，该试验系统由测量与控制系统、真空系统、推进剂输送系统、尾气处理系统等组成。

发动机高空模拟试验系统由测量与控制系统、真空系统、推进剂输送系统、尾气处理系统等组成，如图1所示。

1)测量与控制系统负责发动机工作状态的控制及相关性能参数的测量、记录和处理工作。测量与控制系统由压力/温度/流量/电压/电流传感器、信号隔离放大处理器、数据采集/控制卡及工控计算机等组成，其组成见图2。该测量与控制系统能够测量发动机试验相关的压力、温度、流量、质量、电弧电流和电压等参数，同时能够实现对电磁阀、高压电源等的远程控制和测量。发动机工作时，测量与控制系统能够按照预先设计的指令，控制发动机的工作状态，并同时记录发动机的各项性能指标参数。具体如下：

所述的推力器高压电源用于为电弧发动机提供直流稳压电源；

所述的传感器包括压力传感器、温度传感器、流量传感器、电压传感器、电流传感器；其中，电压传感器、电流传感器安装在推力器高压电源的输出端；流量传感器安装在所述的推进剂输送系统中用于测量发动机工作时的推进剂流量变化；压力传感器、温度传感器均安装在推进剂输送系统和待测发动机上，压力传感器用于测量发动机工作时的推进剂供给压力以及发动机燃烧室压力；温度传感器用于测量推进剂温度和待测发动机预设部位温度；

所述信号放大处理器用于将输入的传感器的测量信号进行放大处理后发送至数据采集/控制卡，由数据采集控制卡采集后传递至工控计算机，由工控计算机进行记录，所述工控计算机根据待测发动机类型选择控制对象，即当待测发动机为电弧发动机时，根据发动机试验技术要求，发动控制指令至发动机上的加热器开始工作，待采集的温度信号达到预设的要求后发送控制指令至发动机上的电磁阀及推力器高压电源按照预定的时序进行试验，试验过程中记录压力传感器、温度传感器、流量传感器、电压传感器、电流传感器的测量信号；

当待测发动机为电弧发动机时(以某型号电弧发动机为例)，试验人员将对应的试验工况(例如1800s)输入测控系统，测控系统在向电磁阀指令发出的同时记录所采集的各项数据，从而保证试验工况与试验数据的时序一致性。待电弧发动机按时序要求工作5min后，系统向高压电源发出指令，高压电源首先开启击穿模式并输出4000kV级电压，以击穿电弧发动机中的气体，同时对所采集的电流进行判断，若电流在1s达到1～3A，则高压电源切换至工作模式，工作模式输出的电压100V、电流10A；若电流未达到所要求的数据范围，则高压电源再次开启击穿模式。若高压电源开启三次击穿模式后，电流仍未达到要求的数据范围，则由系统提示试验人员进行状态检查。当待测发动机为单组元发动机时，根据发动机试验技术要求，发动控制指令至发动机上的加热器开始工作，待采集的温度信号达到预设的要求后发送控制指令至发动机上的电磁阀按照预定的时序进行试验，试验过程中记录压力传感器、温度传感器、流量传感器的测量信号。

当待测发动机为单组元发动机时(以某型号单组元发动机为例)，试验人员将对应的试验工况(例如1800s)输入测控系统，测控系统将在向电磁阀指令发出的同时记录所采集的各项数据，从而保证试验工况与试验数据的时序一致性。在单组元发动机工作过程中，测控系统对所采集的温度传感器参数进行采集和判断，若指定的温度参数低于400℃，则提示试验人员进行状态检查。2)真空系统负责模拟发动机实际工作时的高空环境，同时将发动机产生的燃气排送至尾气处理系统，以维持真空舱内的高空环境。如图3所示，真空系统由真空机组、换热器、冷却水机组、阀门和管道等组成。其中，冷却水机组为换热器、真空舱和真空机组提供冷却水。真空系统配有两套真空机组，每套真空机组由两级真空泵(机械泵+干泵)构成，每套真空机组的空载真空度为5Pa；真空管道内配备过滤器，以拦截真空舱内的多余物，防止对真空机组造成损坏；此外，在真空舱表面还安装了冷却水套，以减小高温气体对真空舱自身结构的影响。

在进行单组元发动机试验过程中，由于其流量相对较大，需开启两套真空机组，以保证发动机试验所需的真空环境；而在进行电弧发动机试验过程中，由于其流量较小，只需开启一套真空机组，就能够保证发动机试验所需的真空环境。通过真空系统的冗余设计，提升了试验系统的试验能力，同时能够降低试验成本。

为解决单组元发动机，尤其是电弧发动机高温燃气的冷却问题，设计在真空舱和真空机组之间，设计了换热器。图4为换热器内部结构示意图。换热器采用冷却水机组提供的冷水对高温燃气进行冷却，其内部管路为管板式，同时采用了折流板结构，多个折流板同方向排列并由冷却水管串接构成一层折流板组件，至少两侧折流板组件构成换热器内部换热结构，提高了燃气流速，增大了燃气湍流程度和换热面积，进而提升换热器的换热量。此外，换热器的管路采用了对角进出水的结构(即冷却水管进水管路与出水管路分布在折流板的两端，且冷却水管进水管路在折流板的下端，出水管路在折流板的上端)，从而保证换热器的充分换热，防止管路中存在气泡。折流板的角度为90°-120°，间距2-5cm。

3)如图5所示，推进剂输送系统由高压气源、气控台、稳压罐、工作罐、流量罐、相应管路及阀门等组成，可为发动机提供一定压力的推进剂及完成推进剂的转注工作。此外，输送系统在真空舱内配备有发动机气体冷却管路和冷却水管路，可用于发动机冷却及燃压传感器的冷却；输送系统还具备管路内推进剂吹除功能，以保证发动机装卸过程中试验人员的安全。

输送系统的流量测量采用流量计和电子天平两种方式，两种测量方式均配备有两种量程。其中流量计1选用0-100mg/s(精度0.1％)量程，流量计2采用0.3-30g/s(精度0.1％)量程，且两种流量计串联安装，并均带有旁通管路，以便于流量计的切换和拆卸，以及试验过程中挤压气体的增压和泄压，从而提高试验效率；电子天平选用的量程分布为0-12000g(精度0.1g)和0-300kg(精度0.1kg)，可对一段试验时间内的流量进行采集处理，并与流量计数据相比对，从而提高了试验系统的测量精度。流量计和电子天平的示数均能够实时传送至测量与控制系统，以在试验过程中及时对其数据进行记录。

4)尾气处理系统

尾气处理系统由燃气尾气处理设备和无水肼蒸气处理设备等组成。

燃气尾气处理设备由缓冲罐、风机、吸收塔、中和液贮箱和循环水泵等组成，如图6所示。其工作过程如下：真空系统排出的燃气尾气先进入大容量的缓冲罐中暂存，燃气风机将尾气抽到吸收塔中与中和液进行喷淋、混合、吸收及中和，最后形成中性盐水，整个处理过程达到了零排放、无污染。

无水肼蒸气处理设备是在试验台进行挤压气体泄压时完成对肼蒸气的处理。如图7所示，其工作过程如下：肼蒸气和挤压气体的混合气经过减压器和单向阀进入催化处理装置，通过催化分解后，混合气中的无水肼会分解为氮气、氢气和氨气，最后通过管路排放至尾气处理系统。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员的公知常识。

Claims (10)

1.一种电弧发动机和单组元发动机通用高空模拟试验系统，其特征在于：包括测量与控制系统、真空系统、推进剂输送系统、尾气处理系统；

待测试电弧发动机或单组元发动机放置在真空舱内，由真空系统负责模拟真空舱内待测试发动机实际工作时的高空环境；所述真空系统同时将发动机产生的燃气排送至尾气处理系统，以维持真空舱内的高空环境；

推进剂输送系统为待测试发动机提供一定压力的推进剂及完成推进剂的转注工作；

测量与控制系统，负责真空舱内待测试发动机工作状态的控制及相关性能参数的测量记录。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的测量与控制系统包括传感器、信号放大处理器、数据采集/控制卡、推力器高压电源；

所述的推力器高压电源用于为电弧发动机提供直流稳压电源；

所述的传感器包括压力传感器、温度传感器、流量传感器、电压传感器、电流传感器；其中，电压传感器、电流传感器安装在推力器高压电源的输出端；流量传感器安装在所述的推进剂输送系统中用于测量发动机工作时的推进剂流量变化；压力传感器、温度传感器均安装在推进剂输送系统和待测发动机上，压力传感器用于测量发动机工作时的推进剂供给压力以及发动机燃烧室压力；温度传感器用于测量推进剂温度和待测发动机预设部位温度；

所述信号放大处理器用于将输入的传感器的测量信号进行放大处理后发送至数据采集/控制卡，由数据采集控制卡采集后传递至工控计算机，由工控计算机进行记录，所述工控计算机根据待测发动机类型选择控制对象，即当待测发动机为电弧发动机时，根据发动机试验技术要求，发动控制指令至发动机上的加热器开始工作，待采集的温度信号达到预设的要求后发送控制指令至发动机上的电磁阀及推力器高压电源按照预定的时序进行试验，试验过程中记录压力传感器、温度传感器、流量传感器、电压传感器、电流传感器的测量信号；

当待测发动机为单组元发动机时，根据发动机试验技术要求，发动控制指令至发动机上的加热器开始工作，待采集的温度信号达到预设的要求后发送控制指令至发动机上的电磁阀按照预定的时序进行试验，试验过程中记录压力传感器、温度传感器、流量传感器的测量信号。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于：

当待测发动机为电弧发动机时，工控计算机接收外部输入的对应的试验工况，将在向电磁阀指令发出的同时记录所采集的各项数据，从而保证试验工况与试验数据的时序一致性；待电弧发动机按时序要求工作一定时间后，工控计算机向高压电源发出指令，高压电源首先开启击穿模式并输出kV级电压，以击穿电弧发动机中的气体，同时对所采集的电流进行判断，若电流在规定时间内达到所要求的数据范围，则高压电源切换至工作模式，工作模式输出的电压电流由电弧发动机的具体型号确定；若电流未达到所要求的数据范围，则高压电源再次开启击穿模式；若高压电源开启三次击穿模式后，电流仍未达到要求的数据范围，则提示进行状态检查；

当待测发动机为单组元发动机时，工控计算机接收外部输入的对应的试验工况在向电磁阀指令发出的同时记录所采集的各项数据，从而保证试验工况与试验数据的时序一致性；在单组元发动机工作过程中，工控计算机对所采集的温度传感器参数进行采集和判断，若指定的温度参数低于由单组元发动机工作指标，则提示进行状态检查。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的真空系统包括换热器、冷却水机组以及两套真空机组；

冷却水机组为换热器、真空舱和真空机组提供冷却水；真空舱和两组真空机组之间安装换热器，换热器与每组真空机组之间安装过滤装置，进行单组元发动机试验过程中，开启两套真空机组；进行电弧发动机试验过程中，启任一套真空机组。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于：所述的换热器包括至少两层折流板组件，每层折流板组件由多个折流板同方向排列并由冷却水管串接，冷却水管的进出口分布于换热器的上下两侧；冷却水由下侧进入、由上侧流出，以避免水管中出现夹带气泡的现象，从而保证换热器的冷却效率。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于：所述折流板的角度90-120°，间距2-5cm。

7.根据权利要求4所述的系统，其特征在于：真空机组由机械泵和干泵两组真空泵串联构成，每组真空机组的空载真空度为1-5Pa。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的推进剂输送系统包括气源、气控台、稳压罐、工作罐、流量罐、流量计；

所述的工作罐用于发动机寿命试验过程中推进剂的存储和供给；

所述的流量罐用于发动机性能测试试验过程中推进剂的存储和供给；

所述气控台用于将气源内的气体减压输送至稳压罐，稳压罐内的气体根据试验类型通入所述的工作罐或流量罐，工作罐或流量罐与发动机入口之间通过管路串联不同量程的流量计，两个流量计的量程分别与电弧发动机和单组元发动机的流量范围对应，每个流量计均由独立的阀门进行控制，针对待测发动机的类型，开启对应的流量计，挤压罐内的推进剂经管路和流量计进入发动机的入口。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于：在所述工作罐和流量罐的下方放置电子秤，用于计算试验过程中发动机消耗推进剂的重量。

10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于：两个流量计分别选用0-100mg/s量程、0.3-30g/s量程，且两种流量计串联安装，并均带有旁通管路。

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