借助​LabVIEW、​CompactRIO​和​Compact​视觉​系统​来​升级​火箭​热点​火​试验​设备

Victoria Lowe, Ampac-​ISP

"AMPAC-​ISP​选择​NI​来​为​该​数据​系统​进行​升级,​是​由于​该​公司​以​提供​可靠​的​硬件​和​持续​的​客户​支持​而​享有​盛​誉,​而且​该​公司​的​产品​也​成功​地​应用​于​整个​航天​航空​工业。" ​

- Victoria Lowe, Ampac-​ISP

挑战:

在​高​纬度​环境​下​实​时​控制​和​测量​火箭​发动​机​热点​火​试验。 ​

解决​方案:

使用​NI CompactRIO​硬件​和​LabVIEW Real-​Time​模​块​来​控制​火箭​的​运行​以及​采集、​记录​和​发布​温度、​压力、​推力​数据;​在​远程​控制​中心​使用​LabVIEW​来​分析​和​显示​这些​数据;​同时​使用​LabVIEW​和​NI Compact​视觉​系统​来​实​时、​密切​地​监测​真空​舱​的​温度。 ​

作者:

Victoria Lowe - Ampac-​ISP

AMPAC In-​Space Propulsion (ISP)​总部​设在​白金​汉​郡​的​韦​斯​科​特​创业​园​(Westcott Venture Park),​是​英国​设计、​制造​和​测试​用于​卫星​推进​系统​的​液体​火箭​发动​机​的​最​重要​机构。 AMPAC-​ISP​于​1945​年​由​英国​政府​建立,​具有​悠久​的​历史,​在​航空​航天​和​国防​工业​中​享有​盛名。 AMPAC-​ISP​的​一个​独特​之​处​在于​其​用于​在​真空​环境​下​点火​20N​推力​单​组​元​推进​剂​和​双​组​元​推进​剂​火箭​发动​机​的​设备。

 

火箭​热点​火​试验​设备​的​升级​需求

我们​多年​来​一直在​韦​斯​科​为​全球​的​客户​提供​热点​火​试验,​现在​是​时候​更新​这些​试验​设备。​由于​客户​日益增长​的​需求,​我们​还​需要​提升​该​系统,​以​确保​在​我们​在​火箭​发动​机​市场​的​持续​竞争​力。​更高​的​精度、​更高​的​可靠性​和​更​快速​的​数据​转换​是​三​个​主要​的​开发​需求。

 

为了​获得​更好​的​热点​火​试验​结果,​数字​数据​采集​系统​是​需要​升级​的​基本​系统​之一,​因而​我们​联系​了​NI,​寻求​意见​及​协助。​我们​选择​NI​来​为​该​数据​系统​进行​升级​是​由于​该​公司​以​提供​可靠​的​硬件​和​持续​的​客户​支持​而​享有​盛​誉,​而且​该​公司​的​产品​也​成功​地​应用​于​整个​航天​航空​工业。​而且​合作​公司​的​长期​持续​发展​对​我们​来说​也​很​重要,​因为​这​关系​着​旧​采集​系统​的​维护​问题。

 

 

仪器​控制​和​数据​采集

热点​火​试验,​顾名思义​就是​火箭​发动​机​处于​运行​状态​或​使用​推进​剂‘点火’时​进行​的​试验。​我们​通常​在​直径​为​2​米​的​真空​舱​中​使用​两​级​蒸汽​喷射器​真空​发动​机​进行​测试。​测试​间​本身​可以​模拟​>160000​英尺​(>48768​米)​的​海拔​高度,​以​仿真​近​太空​环境​条件。​每次​点火​的​持续​时间​在​脉冲​模式​的​0.001​秒​和​稳定​状态​(连续)​模式​的​几个​小时​之间。

 

在​测试​过程​中,​我们​必须​记录​大量​数据。​这​包括​使用​热电​偶​读​取​温度​值、​使用​压力​传感器​读​取​压力​值​以及​使用​测​压​元件​读​取​推力​值。​我们​将​所​采集​的​数据​进行​解读,​从而​确定​发动​机​的​性能​和​监测​测试​设备​和​测试​环境​条件。

 

在​点火​过程​中,​我们​还​必须​控制​推进​剂​进入​发动​机​的​量,​并​将​该​区域​的​入口​压力​维持​在​5-24 bar(73-348 psi)。​由于​发动​机​反应​时间​相对​较​短,​数据​采集​的​精度​和​速度​至​关​重要,​而且​实​时​数据​采集​对于​监测​和​控制​这种​具有​潜在​危险​的​试验​也是​必不可少​的。​通常​情况,​数据​采集​速率​在​脉冲​模式​点火​下​大约​为​4 kHz,​在​稳​态​点火​下​为​1kHz。​取决​于​所​执行​的​测试,​我们​采用​20-30​个​数据​信道。

 

为了​满足​数据​采集​的​要求,​我们​选择​了​NI CompactRIO系统​作为​硬件​的​核心​部分。​它​可​兼容​所有​现有​的​测量​仪器,​因此​我们​使用​它​来​接收、​处理​和​暂时​储存​所有​原始​信息,​之后​再​将​这些​信息​发送​给​测试​工程​师。​然后,​我们​在​远程​控制​室内​使用LabVIEW软件​对​数据​进行​解读,​并​以​数字​和​图形​方式​显示​数据。

 

我们​在​韦​斯​科​特​进行​的​很多​测试​都是​使用​相同​的​设备​装置,​但​将​嵌入式​现场​可​编​程​门​阵​列​(FPGA)​集成​至​CompactRIO​系统​后,​我们​可以​灵活​地​开发​硬件​来​满足​不断​变化​的​需求。​这​也​适用​于​热​插​拔​模​块,​必要​时​我们​可以​在​整个​测试​过程​中​更换​硬件​和​设备。​由于​测试​设备​需要​安装​在​非​绝缘​建筑​内的​真空​设备​旁边,​因而​该​设备​必须​能够​在​恶劣​的​环境​下​工作。 CompactRIO​系统​具有​较​宽的​工作​温度​范围,​可以​满足​这​一​要求。

 

 

即时​可​视​的​温度​监测

在​热点​火​试验​过程​中,​我们​还​必须​密切​监测​火箭​发动​机​的​温度,​以​确保​该​温度​不会​达到​材料​的​最高​温度​限制​值。​这​一点​对于​燃烧​室​尤其​重要,​因为​燃烧​室​温度​可​超过​1200℃。​室​壁​可能​会​融化,​而且​可能​会​发生​爆炸。​我们​还​监测​了​火箭​喷​嘴​的​温度​分布,​以​确保​尾​气​的​相对​集中,​避免​产生​热点​以及​维持​推力​效率。

 

作为​系统​连续​开发​的​一部分,​我们​希望​把​光学​温度​成像​也​纳入​客户​数据​集​内。​我们​将​使用​数字​温度​传​感​相机​和​Compact​视觉​系统​来​密切、​即时​地​监测​这些​温度​和​更​准确​地​记录​数据。

 

经验​证​的​成功

经过​一系列​成功​试验,​升级​后​的​控制​和​数据​采集​系统​证明​是​非常​可靠​和​准确,​并​能够​提供​即时​有用​的​数据​集。​这​提高​了​客户​满意​度,​并​使得​AMPAC-​ISP​能够​在​业务​上​继续​保持​竞争​力。​基于​在​高​海拔​设备​所​取得​的​成功​和​数据​采集​系统​硬件​的​可靠性,​我们​也​将​该​仪器​装置​应用​于​海平面​试验​站​点,​最近​我们​在​该​站​点​上​测试​和​采集​用于​11,100 N(1.1​吨​推力)​发动​机​的​数据。

 

作者​信息:

Victoria Lowe
Ampac-​ISP

图​2: ​ ​测试​工程​师​正在​控制​试验​设备​和​监测​来自​控制​室​的​数据 ​
图​3: ​ ​使用​热​成像​摄像​机​监测​发动​机​的​当前​温度 ​
图​4: ​ ​在​海平面​试验​站​点​测试​11,100N​推力​发动​机​的​点火 ​