液体火箭发动机试验测量系统的关键环节改进及应用

李秋霞 李斌 吕守国

北京航天试验技术研究所 北京 100074

引言

液体火箭发动机试验系统功能结构层次复杂，试验成本高，测量系统作为发动机试验系统的重要组成部分，主要负责稳态和动态数据的监视、采集与处理工作，在发动机试验中发挥着重要作用[1-2]。近几年，试验任务密度大，风险高，试验类型涉及多种状态，其中低温起动、长时间循环预冷为试验台新状态试验，增加了试验风险，对测量系统的稳定性和可靠性要求也越来越高。去年，国内某试验台在一次型号发动机试验中发动机出现故障，程序判定执行自动紧急关机操作，试验台测量系统开始进行紧急恢复改造工作。

目前，火箭发动机试验台测量系统中多个环节工作内容操作复杂、工作效率低且存在安全质量风险隐患。例如，压力传感器电源供电不具备冗余备份功能。当试车过程中压力供电电源发生故障无法正常供电时，没有备份电源，存在断电风险。紧急关机测试工作中，涉及设备多、操作流程复杂，岗位人员加模拟信号过程中线路拔插使用非常不方便，并且存在接错线路的隐患，严重影响紧急关机工作效率和可靠性。稳态采集系统工控机曾弹出过错误提示窗口，影响试验数据获取，其可靠性需要进一步提高。同时，发动机试验对测量系统中供电仪器设备的稳定性要求比较高。当前试验台测量前间用电设备的供电电源位置分散，每次开关电源岗位人员操作比较烦琐，影响工作效率，更不利于供电电源设备的统一管理和检查。

根据液体火箭发动机试验任务的要求和试验系统特点，我们对试验台测量系统中存在的以上问题进行设备改造和功能提升，解决测量系统中存在的质量和安全隐患，提高测量系统的工作效率和可靠性。

1 发动机试验测量系统

发动机试验测量系统由测量前端系统和后端采集系统组成，具体结构层次如图1所示，主要包括稳态参数采集系统、动态参数测量系统、低温流量（涡轮流量、液位、密度、转速）测量系统等三条并行的测量线、推力测量系统和数据处理分析系统等。其中稳态参数采集系统，负责对试验全程压力、温度、液位、流量、转速等参数进行测量记录[3]。

图1 发动机试验测量系统结构层次

2 测量系统中关键环节改进

2.1 压力传感器供电电源冗余方法

目前的供电电源以分组形式向前端压力传感器供电，当前端某一个传感器发生故障出现短路时，将会影响整组内的其他传感器供电。并且，当试车过程中压力供电电源发生故障无法

压力传感器供电电源改进主要有两个功能提升：

2.1.1 采用电源反馈供电模式。当前端压力传感器损坏或其他原因出现短路造成线路电流增大时，供电电缆线路上分担的电压升高，出现压降，造成汇流排供电电压降低，此时供电正常供电时，没有备份电源，存在断电风险。

根据前端压力传感器供电方式，我们考虑对电源供电模式进行改进，并提出压力传感器供电电源反馈冗余供电方法。改进后的实物图和压力传感器供电模式示意图如图2、图3所示。电源反馈功能会把电缆上压降现象的电压差反馈给供电电源对其进行补偿，使传感器电源供电汇流排电压达到10V正常供电，解决了出现异常压降现象时的压力传感器供电电压下降问题。

图2 压力传感器反馈冗余供电电源实物图

图3 压力传感器供电模式示意图

2.1.2 采取冗余供电措施。当试车过程中一台压力供电电源出现故障无法对前端传感器正常供电时，有备份电源进行在线热备份，避免了压力传感器断电的风险，提高电源供电的稳定可靠性。

2.2 紧急关机测试工作可靠性提升

自动紧急关机系统是发动机试验的关键环节，通过集成计算机、测控技术，实时监测发动机试验过程中的性能参数，及时判读异常信息，执行紧急关机操作，避免发动机故障扩大，保护试验台及试验设备[4]。

图4 紧急关机调试仪俯视剖面图及信号线路示意图

紧急关机指令判读依据包括9个压力测点参数（主要分布在氢泵、氧泵及推力室部位）和2个转速参数。目前，紧急关机调试工作加模拟信号是通过岗位人员线路拔插操作，效率低且易出现误操作情况。基于此问题我们考虑对线路拔插操作进行优化，提出解决方法：制作紧急关机调试仪，集成压力、转速、流量加模拟信号，通过按钮一键控制。紧急关机调试仪实物图见下图所示。

图5 紧急关机调试仪前侧图

图6 紧急关机调试仪后侧图

紧急关机调试仪接入线路来自模拟信号源，进入调试仪里面经过端子排与调试仪前端按钮一一对应。调试仪输入端的转速与流量线路来自前端试车间，进入调试仪里面经过端子排接入流量计预处理仪，随后进入采集设备转接柜输入端，同时压力、转速与流量加模拟信号通过调试仪上的按钮来控制。在紧急关机测试时，根据不同的紧急关机条件，只需按下紧急关机调试仪上对应位置的按钮，便可以实现模拟信号输入，解决了岗位人员加模拟信号线路插头拔插不方便的问题，节约时间，提高了紧急关机系统工作效率。同时，紧急关机调试仪的按钮旁边对应有测试孔，方便电压、频率，以及线圈阻值的测量，优化了操作流程。在输出端线插头处参数名称与通道号有明显黄色标识，避免岗位人员误操作，提高了紧急关机准备工作的可靠性。

2.3 采集系统设备复记功能

目前试验台稳态采集主系统设备的测量能力为244个通道（其中12个通道用于频率信号测量，232个通道用于模拟电压信号测量），为进一步提高测量系统稳态采集系统的工作可靠性，决定采取冗余措施，新增一套采集设备及工控机，用于试验参数复记，构成主、复记采集系统。系统组成如图7所示。

图7 稳态采集设备主、复记测量系统连接示意图

复记采集系统共220个通道（其中216个通道可用于模拟电压信号测量，4个通道可用于频率信号测量），复记参数包括压力、温度、流量和转速。通过设备采集板卡前面板的9针D型插座，将输入主系统之前的传感器数据信号引出，输入到复记采集系统中。主系统、复记采集系统各自独立工作，不会相互影响。

2.4 测量系统220V集中供电模式

由于试验台测量前间供电问题涉及测量系统的设施设备比较多，改造难度大，我们综合考虑测量前间系统供电电源、测量用电设备、测量机柜分布等因素，最终提出集中供电模式（如图8所示），并对其相关的设备如插排，供电电缆线槽等一起进行改进。改进后的实物图如图9所示。

图8 集中供电模式示意图

图9 集中供电模式实物图

测量系统220V集中供电模式改进主要考虑如下几个方面：

2.4.1 采用集中供电模式。将UPS供电电源统一放在加厚机柜中，电源与用电仪器设备之间通过开关集中控制，便于统一管理，方便岗位人员操作。同时，每路插座单独对应一处开关进行独立控制，给每个开关编号贴上黄色签做出明显标识，避免误操作，方便检查，节约时间，提高了可靠性和工作效率。

2.4.2 集中供电模式中，将供电电缆与测量电缆分离，供电电缆使用单独的金属线槽，降低220V电压工频干扰。

2.4.3 采用集中供电模式后，各PDU增加独立开关控制，UPS自身不断电，提升UPS使用寿命。

3 结束语

近年来，我国航天发射进入新的高强密度发射周期，发动机地面试验任务呈现试验频次高、系统转换频繁、质量要求高、时间节点严的特点，面对日益提升的航天型号精细化质量管理要求和逐年增长的高密度发射任务，提升试验能力和试验系统可靠性，是满足高密度型号试验任务的关键。上述针对国内某试验台液体火箭发动机试验测量系统紧急恢复改造中的多个环节进行改进，以把握质量第一的原则展开[5]，科学、合理的改进方案即可以满足试验任务正常进行，也可以避免人力、物力、财力的浪费。目前，这些新方案已应用于发动机试验，经过系统实际运行，应用状态良好，提高了测量系统的工作效率和可靠性。