Banco de Testes de Turbo-Bombas de Foguetes com PXIe & VeriStand

André Neves de Almeida Prado, Instituto de Aeronáutica e Espaço

"As soluções National Instruments são totalmente aderentes as necessidades e demandas de um laboratório de teste de desenvolvimento com é o LEPL. "

- André Neves de Almeida Prado, Instituto de Aeronáutica e Espaço

O desafio:

Projetar e desenvolver uma instalação de testes para ao agregado de potência do motor foguete L75 em desenvolvimento no IAE. Instalação que deve ser flexível o suficiente para se adaptar ao estimulo mais adequado a unidade sob teste e ser escalável e modular o suficiente para suportar não só o aumento de funcionalidades como também a expansão física da instalação. Turbo-bombas (TPU) são de agregados de potência de motores foguetes líquidos com a função de fornecer os propelentes a câmara de empuxo nas condições extremas de pressão e vazão necessárias para que propulsores líquidos possam gerar empuxo de alta ordem, usualmente de toneladas, com pequena massa de motor foguete. As TPU são constituídas de bombas rotativas, podendo ser centrífugas ou axiais, e turbinas a gás, geralmente montadas no mesmo eixo mecânico, operando com os mais diversos fluidos, inclusive com fluidos criogênicos em condições críticas, como as condições de lançamentos de veículos espaciais. Assim TPU’s são dispositivos sofisticados que operam sob condições extremas de temperatura, rotação, vibração, vazão e pressão.

A solução:

Na implementação do banco de testes de TPU’s o uso de duas soluções da National Instruments foram elementos essenciais no sucesso deste. Primeiro o hardware escalável PXIe, por ele são medidos, monitorados e atuados, aproximadamente 1.000 parâmetros, de diversas naturezas, como pressão (baixa e alta frequência), vazão, temperatura, aceleração, orbita de eixo e outros. Planeja-se para um futuro próximo a expansão para mais 500 parâmetros. Segundo o VeriStand que traz à flexibilidade necessária permitindo uma automação personalizada do banco de teste, a possibilidade de fácil confecção de perfis de estímulos adequados a necessidade particular de cada corpo de prova, além, é claro, de permitir o desenvolvimento da aplicação de controle e aquisição com rapidez e eficiência.

RESUMO

Turbo-bombas (TPU) são de agregados de potência de motores foguetes líquidos, com a função de fornecer os propelentes a câmara de empuxo, nas condições extremas de pressão e vazão, necessárias para que propulsores líquidos possam gerar empuxo de alta ordem, usualmente de toneladas, com pequena massa de motor.

 

As TPU, são constituídos de bombas rotativas, podendo ser centrífugas ou axiais, e turbinas a gás, montadas geralmente no mesmo eixo mecânico, operando com os mais diversos fluidos, inclusive com fluidos criogênicos e sob condições críticas, como as condições de lançamentos de veículos espaciais.

 

Assim TPU’s, são dispositivos sofisticados que operam sob condições extremas de temperatura, rotação, vibração, vazão e pressão.

 

O projeto, desenvolvimento e confecção de TPU’s requerem complexas e grandes instalações de testes que possam fornecer as condições necessárias para validação dos pontos de projeto, a mensuração de característica funcionais e a verificação de índices de performance, tanto da TPU completa como de suas partes em separado.

 

Assim nasce o banco de teste de TPU’s (BT-TPU) do Laboratório de Propulsão Líquida (LPL) da Divisão de Propulsão Espacial (APE) do Instituto de Aeronáutica e Espaço (IAE), com a missão caracterizar as TPU’s que estão em desenvolvimento e que fazem parte do MFPL-L75, motor foguete a propelente líquido de 7,5ton de empuxo.

 

O banco de teste BT-TPU, conta com um motor de indução com 750cv da Búfalo, controlado por um inversor regenerativo WEG e um multiplicador mecânico, assim é possível fornecer e/ou consumir potências mecânicas até 550kW em 33.000 RPM e 180Nm de torque.

 

Nos ensaios de bombas o conjunto trabalha como elemento motor de bombas com vazões até 32kg/s de fluido modelo e pressões até 150bar; ou atuar como carga nos ensaios de turbinas, onde o motor atua como freio regenerativo e a fonte de energia são cestos de alta pressão de N2.

 

Na implementação do banco de teste de TPU o uso de duas soluções são elementos fundamentais no sucesso do banco de teste. A primeira de hardware, o PXIe da National Instruments, que trouxe a escalabilidade para que sejam medidos, monitorados e atuados, aproximadamente 1.000 parâmetros, de diversas naturezas, como pressão, vazão, temperatura, aceleração, orbita de eixo e outros.

 

A segunda de software, o VeriStand que traz a flexibilidade necessária para uma automação personalizada para o banco de teste e a possibilidade de fácil confecção de perfis de estímulos adequados a necessidade particulares de corpo de prova.

 

O BANCO DE TESTES – BTBH-TPU

Tendo os desenvolvimentos da TPU do projeto MFPL-L75 iniciando-se em 2014, o LEPL teria três anos para projetar e construir o banco de teste, além de proceder os testes da turbina e da bomba de combustível, um grande desafio tendo em vista o porte e a sofisticação das instalações de testes requerida e das demandas específicas que cada corpo de prova iria requerer para que seus parâmetros de projeto fossem validados.

 

Inicialmente o projeto do banco de teste de TPU foi concebido com o uso da arquitetura AMC e um (01) rack PXIe, tal solução rapidamente se mostrou insuficiente, tanto quanto pela quantidade disponível de canais quanto pela arquitetura de software adotada. O apertado cronograma para operacionalização do banco de teste de grande porte, as mudanças constantes de requisitos de ensaios e de instrumentação do CDP e a pouca disponibilidade de recursos humanos para o adequado desenvolvimento do sistema de controle se puseram como severas restrições a internalização, pelo LEPL, do desenvolvimento do sistema de controle do BTH-TPU.
Tais óbices encontram termino quando a equipe de desenvolvimento do sistema de controle do BTBH-TPU decide por duas ações distintas: primeira, distribuir o sistema de aquisição e controle em 02 racks PXIe com placas de memória reflexivas. Permitindo uma melhor distribuição dos canais, uma vez que há predominância de canais de baixa taxa de aquisição de dados, ao mesmo tempo que permite a especialização das controladoras, isto é, permite que a controladora 01 fique encarregada do registro em arquivo de todos os sinais até 1kHz de amostragem via Embedded Data Logger, enquanto a controladora 02 ficou encarregada dos sinais de alta velocidade e que são registados em waveform, o que requereu a confecção de Custom Device específico para este registro.

 

Segunda adotar o VeriStand, aliviando a equipe do desenvolvimento da arquitetura de software sem abrir mão da flexibilidade, por se tratar de uma plataforma pronta e validada isso dispensou a necessidade de testes extensivos do software de controle do BTBH-TPU, além de outras características menores, como sincronismo de racks PXI, pronto para uso de memória reflexiva, gestão de alarmes, interface de usuários customizáveis, entre outras, viabilizaram que do conceito do sistema de controle a efetiva entrega do banco de teste funcionando ocorresse no prazo de um ano com somente dois especialistas em VeriStand/LabVIEW. Isto é, o profissional que irá desenvolver as funcionalidades que estendam as existentes no VeriStand ou de interface com ele deve ser um profissional devidamente treinado e se possível certificado.

 

Deste modo, com o conjunto VeriStand/LabVIEW, foi possível colocar em operação, em um tempo curto, um banco de teste com 02 racks PXIe de 18 slots, sincronizados, coordenando 26 placas DAQ diversas, o que resulta em quase 1.000 canais de atuação e/ou aquisição de dados, abrangendo o acionamento e monitoração de válvulas, acionamento e monitoramento de diversos motores, inclusive o inversor regenerativo do motor principal, mais de 70 pontos de medida de pressão dos quais 8 são de alta velocidade, 15 medidas de vazão, 8 pontos de medida de aceleração, 8 pontos de medida de proximidade, medida de rotação, medida de torque, mais 70 pontos de medidas de temperatura, canais de comunicação RS485 e TCP/IP, além é claro de telas personalizadas para operação, gerenciamento e monitoração tanto do banco de teste quando do corpo de prova da TPU.

 

Além disto o conjunto VeriStand/PXIe abre portas para a elaboração de rotinas automatizadas de testes o que irá reduzir o tempo de execução dos testes em 75%. Além de todos os benefícios com relação a automação local da execução e gerenciamento dos testes, a automação do BT-TPU estará em harmonia com o projeto de automação laboratorial de amplo espectro, dentro da qual servirá de ponta de lança, esta automação em larga escala do LPL está orientada aos novos conceitos de Internet das Coisas, Internet dos Serviços e indústria 4.0.

 

SISTEMA DE CONTROLE

O sistema de controle do BTH-TPU com sistema na seguinte arquitetura baixo:

 

Para esta aplicação específica o nível de sincronismo proporcionado pelas portas IN e Out do Backplane dos chassis PXIe são suficientes, assim não se justificou o uso de placas de sincronismo IRG-B, contudo estas placas seriam essenciais se o número de racks fosse maior ou igual a 3.

 

O motor elétrico de 750cv associado ao inversor regenerativo WEG se mostram como uma fonte significativa de ruído, requerendo que as recomendações dadas pela National Instruments quanto as práticas de montagens para a redução de ruídos nas medições necessitem ser seguidas.

 

Um banco de teste do porte do BTH-TPU produz uma quantidade assombrosa de dados, podendo gerar arquivos da ordem de 1Gigabyte por ensaio, o que requer uma estrutura, laboratorial de TI dedicada ao trafego, manuseio, gerenciamento e armazenamento destes dados.

 

Os arquivos gerados no formato TDMS permitem o adequado registro de meta dados permitindo o encapsulamento de informações referentes a UUT na massa de dados, o que potencializa as a mineração de dados, e o uso do DIAdem permite a geração automática de relatório e a análise comparativa, inclusive podendo ser modo automático, dos ensaios de forma rápida e eficiente.

 

A arquitetura Target-Host permite que o posto de controle fique isolado e distante do local onde são executados os testes, isso é importante por questões de segurança uma vez que falhas críticas da TPU podem causar a ejeção de partes metálicas com energia cinética superior a um disparo de fuzil.

 

CONCLUSÃO

Tendo já executado mais de 200 testes diversos no BTBH-TPU entre 2016 e 2017, podemos afirmar por experiência que as soluções National Instruments, principalmente PXIe e VeriStand, são totalmente aderentes as necessidades e demandas de um laboratório de teste de desenvolvimento com é o LEPL.

 

Sem, contudo, engessar a estrutura dos bancos de testes, o que é de suma importância para manter este banco de teste usável uma vez que testes de desenvolvimento tendem a se adequar as alterações de requisitos, alterações estas normais nos estágios iniciais de concepção dos agregados de potência, TPU.

 

Outro ponto que deve ser ressaltar é a política de ciclo de vida promovida pela National Instruments. As grandes instalações de testes na área espacial são projetadas e concebidas para suportar produtos com ciclo de vida particularmente longos, como motores foguetes, e uma das vantagens ao se adotar as soluções National Instruments é que com ela vieram a modularidade e a escalabilidade necessárias que permitem a renovação tecnológica do banco de teste sem que o hardware de interface com a UUT mude. Ou seja, permite o desenvolvimento contínuo do banco de teste sem que este pecar a funcionalidades inicialmente projetadas.

 

Por fim o DIAdem, que permite não só a análise de cada ensaio bem como a geração automática de relatórios, como permite a elaborações algoritmos orientados a Big Analog Data, assim trazendo conceitos de Data Science para uma área usualmente tradicional na abordagem e na tratativa dos dados coletados de ensaios.

Todas estas vantagens quando colocadas dentro de um contexto maior de automação laboratorial permitem que o LEPL, passe a ser mais que um executor de testes, mas sim um laboratório de integração sistêmica o que permite agregar todas as vantagens que a abordagem Hardware-in-the-loop (HIL) traz como spin-off.

 

De forma final e abrangente foi a adoção das soluções NI, VeriStand + PXIe + DIAdem, que viabilizam a construção do BTBH-TPU dentro do prazo disponível de forma bastante satisfatória, o único pondo a ser observado é que ao se adotar o VeriStand há um incremento na competência do profissional que irá desenvolver os Custom Devices ou outros aplicativos que interajam com o VeriStand.

 

Informações sobre o autor:

André Neves de Almeida Prado
Instituto de Aeronáutica e Espaço
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Figura 1 - Corte esquemático TPU.
Figura 2 - Esquema MFPL-L75
Figura 3 - Arquitetura BTBH-TPU.
Figura 4 - Controlador principal - BTBH-TPU.
Figura 5 - Motor de Indução 750cv.
Figura 6 - Inversor regenerativo WEG.
Figura 7 - Sistema de teste de bomba de combustível (Fluido modelo: água).
Figura 8 - Sistema de teste de bomba de oxidante (Fluido modelo N2 líquido).
Figura 9 - Sistema de teste de turbina (Fluido modelo N2 gasoso)