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作者:
Victoria Lowe - Ampac-ISP
AMPAC In-Space Propulsion (ISP)總部設(shè)在白金漢郡的韋斯科特創(chuàng)業(yè)園(Westcott Venture Park)，是英國設(shè)計、制造和測試用于衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)的液體火箭發(fā)動機的最重要機構(gòu)。 AMPAC-ISP于1945年由英國政府建立，具有悠久的歷史，在航空航天和國防工業(yè)中享有盛名。 AMPAC-ISP的一個獨特之處在于其用于在真空環(huán)境下點火20N推力單組元推進(jìn)劑和雙組元推進(jìn)劑火箭發(fā)動機的設(shè)備。
火箭熱點火試驗設(shè)備的升級需求
我們多年來一直在韋斯科為全球的客戶提供熱點火試驗，現(xiàn)在是時候更新這些試驗設(shè)備。由于客戶日益增長的需求，我們還需要提升該系統(tǒng)，以確保在我們在火箭發(fā)動機市場的持續(xù)競爭力。更高的精度、更高的可靠性和更快速的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是三個主要的開發(fā)需求。
為了獲得更好的熱點火試驗結(jié)果，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)是需要升級的基本系統(tǒng)之一，因而我們聯(lián)系了NI，尋求意見及協(xié)助。我們選擇NI來為該數(shù)據(jù)系統(tǒng)進(jìn)行升級是由于該公司以提供可靠的硬件和持續(xù)的客戶支持而享有盛譽，而且該公司的產(chǎn)品也成功地應(yīng)用于整個航天航空工業(yè)。而且合作公司的長期持續(xù)發(fā)展對我們來說也很重要，因為這關(guān)系著舊采集系統(tǒng)的維護(hù)問題。
儀器控制和數(shù)據(jù)采集
熱點火試驗，顧名思義就是火箭發(fā)動機處于運行狀態(tài)或使用推進(jìn)劑‘點火’時進(jìn)行的試驗。我們通常在直徑為2米的真空艙中使用兩級蒸汽噴射器真空發(fā)動機進(jìn)行測試。測試間本身可以模擬>160000英尺（>48768米）的海拔高度，以仿真近太空環(huán)境條件。每次點火的持續(xù)時間在脈沖模式的0.001秒和穩(wěn)定狀態(tài)（連續(xù)）模式的幾個小時之間。
在測試過程中，我們必須記錄大量數(shù)據(jù)。這包括使用熱電偶讀取溫度值、使用壓力傳感器讀取壓力值以及使用測壓元件讀取推力值。我們將所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行解讀，從而確定發(fā)動機的性能和監(jiān)測測試設(shè)備和測試環(huán)境條件。
在點火過程中，我們還必須控制推進(jìn)劑進(jìn)入發(fā)動機的量，并將該區(qū)域的入口壓力維持在5-24 bar（73-348 psi）。由于發(fā)動機反應(yīng)時間相對較短，數(shù)據(jù)采集的精度和速度至關(guān)重要，而且實時數(shù)據(jù)采集對于監(jiān)測和控制這種具有潛在危險的試驗也是必不可少的。通常情況，數(shù)據(jù)采集速率在脈沖模式點火下大約為4 kHz，在穩(wěn)態(tài)點火下為1kHz。取決于所執(zhí)行的測試，我們采用20-30個數(shù)據(jù)信道。
為了滿足數(shù)據(jù)采集的要求，我們選擇了NI CompactRIO系統(tǒng)作為硬件的核心部分。它可兼容所有現(xiàn)有的測量儀器，因此我們使用它來接收、處理和暫時儲存所有原始信息，之后再將這些信息發(fā)送給測試工程師。然后，我們在遠(yuǎn)程控制室內(nèi)使用LabVIEW軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行解讀，并以數(shù)字和圖形方式顯示數(shù)據(jù)。
我們在韋斯科特進(jìn)行的很多測試都是使用相同的設(shè)備裝置，但將嵌入式現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）集成至CompactRIO系統(tǒng)后，我們可以靈活地開發(fā)硬件來滿足不斷變化的需求。這也適用于熱插拔模塊，必要時我們可以在整個測試過程中更換硬件和設(shè)備。由于測試設(shè)備需要安裝在非絕緣建筑內(nèi)的真空設(shè)備旁邊，因而該設(shè)備必須能夠在惡劣的環(huán)境下工作。 CompactRIO系統(tǒng)具有較寬的工作溫度范圍，可以滿足這一要求。
即時可視的溫度監(jiān)測
在熱點火試驗過程中，我們還必須密切監(jiān)測火箭發(fā)動機的溫度，以確保該溫度不會達(dá)到材料的最高溫度限制值。這一點對于燃燒室尤其重要，因為燃燒室溫度可超過1200℃。室壁可能會融化，而且可能會發(fā)生爆炸。我們還監(jiān)測了火箭噴嘴的溫度分布，以確保尾氣的相對集中，避免產(chǎn)生熱點以及維持推力效率。
作為系統(tǒng)連續(xù)開發(fā)的一部分，我們希望把光學(xué)溫度成像也納入客戶數(shù)據(jù)集內(nèi)。我們將使用數(shù)字溫度傳感相機和Compact視覺系統(tǒng)來密切、即時地監(jiān)測這些溫度和更準(zhǔn)確地記錄數(shù)據(jù)。
經(jīng)驗證的成功
經(jīng)過一系列成功試驗，升級后的控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)證明是非�？煽亢蜏�(zhǔn)確，并能夠提供即時有用的數(shù)據(jù)集。這提高了客戶滿意度，并使得AMPAC-ISP能夠在業(yè)務(wù)上繼續(xù)保持競爭力�；谠诟吆０卧O(shè)備所取得的成功和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件的可靠性，我們也將該儀器裝置應(yīng)用于海平面試驗站點，最近我們在該站點上測試和采集用于11,100 N（1.1噸推力）發(fā)動機的數(shù)據(jù)。
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