變推力發(fā)動機高模試驗真空壓力測量技術(shù)研究

竇雙慶

（西安航天動力試驗技術(shù)研究所，陜西西安710100）

0 引言

高空模擬試驗是在地面條件下制造高空環(huán)境，將發(fā)動機或組合件置于此環(huán)境中，研究發(fā)動機在高空環(huán)境下的實際工作性能。發(fā)動機高空模擬熱試車中，真空壓力是判斷試驗點火的重要參數(shù)，在以往開展的54 km高空試驗中，點火前的真空度要求為40 Pa，而隨后承擔(dān)的變推力發(fā)動機高空模擬試驗中，要求點火高度76 km，對應(yīng)的真空度為2.2 Pa，原有的真空壓力計已無法全程監(jiān)測真空壓力的變化過程，同時從提升試驗系統(tǒng)的綜合能力來看，有必要開展高真空度下壓力測量的技術(shù)研究。

1 傳感器安裝技術(shù)

1.1 真空計的選擇

76 km高空模擬試驗環(huán)境對應(yīng)的真空壓力下限是2.2 Pa，這個范圍的真空測量通常是采用兩個或兩個以上不同原理的真空計來滿足實際測量的需要，從常規(guī)大氣壓到2 Pa真空度選用了電阻真空計和電容薄膜真空計。電阻真空計是利用壓強與彈性金屬絲阻值的關(guān)系測量真空，電容薄膜真空計是利用壓強與金屬薄膜之間電容量的變化測量真空，適宜在腐蝕性氣體環(huán)境中重復(fù)使用。

近代真空技術(shù)提供了多種真空壓力測量方法，最高可以測量到10～14 Pa的壓力，但是任何一種方法都有一定的測量范圍，沒有哪一種可以覆蓋從大氣壓至10～14 Pa的壓力。在發(fā)動機高空模擬試驗中，選擇適合量程的真空計可以使測量區(qū)域相互銜接，更好地監(jiān)測真空變化過程。型號發(fā)動機試驗系統(tǒng)中選擇了100 kPa，1 kPa和200 Pa量程的真空計，100 kPa真空計監(jiān)測抽吸過程中大氣壓至2 kPa左右壓力變化過程，1 kPa真空計主要監(jiān)測抽吸過程的真空壓力，200 Pa真空計主要監(jiān)測點火前和點火過程中的高真空壓力。這樣分段測量，可保證各區(qū)間內(nèi)真空壓力測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。3種類型的測量傳感器在現(xiàn)場校準(zhǔn)時，按實際測量區(qū)間范圍進行校準(zhǔn)。

1.2 傳感器安裝工藝

真空壓力傳感器用于被測點壓力測量，多數(shù)通過接管嘴或引壓管安裝，引壓管工藝接口的設(shè)計對測量結(jié)果有很大影響，包括引壓管的開口面與氣流方向?qū)y量結(jié)果也有很大影響，如圖1中所示，當(dāng)管路中有氣體流動時，A，D接法的引壓管開口面與氣流方向垂直，動壓基本不產(chǎn)生作用，B，C，E測出的壓力則受氣流方向的影響。常規(guī)安裝方式是真空計與被測點的位置越近越好，引壓管開口應(yīng)與氣流方向垂直或直接插入到被測系統(tǒng)，且引壓管應(yīng)盡量粗、短、直，這樣才能正確地測量出被測部位的實際壓力，通常采用圖1中A或D的安裝方法，以讀取接近于靠近中心部位或容器壁處的壓力。

傳統(tǒng)引壓管采用的是M14×37°內(nèi)錐形式工藝接口，其內(nèi)徑最小處僅為6 mm，且引壓管在多次轉(zhuǎn)接或存在彎管情況下，真空計無法在短時間內(nèi)與被測真空環(huán)境達到動平衡，必然引起測量上的偏差。為配合高真空壓力的準(zhǔn)確測量，真空計接口采用了KF16壓嘴法蘭連接形式，壓嘴法蘭結(jié)構(gòu)見圖2，壓嘴內(nèi)徑為17.2 mm，法蘭面之間采取鋁制支架+橡膠密封圈密封，法蘭對接面外側(cè)使用卡箍固定，KF16壓嘴直接焊接在被測管路上，或者采用DN40的集氣管轉(zhuǎn)接，以保證真空計與被測氣體的動態(tài)平衡。

1.3 真空計安裝位置選擇

真空計測量的結(jié)果與其在真空系統(tǒng)中的安裝位置也有著密切的關(guān)系。高空試驗系統(tǒng)是由多個容器串聯(lián)組成的，用機械泵連接到圖3所示的串聯(lián)容器進行抽吸，設(shè)從容器流出的氣體量為Q，抽吸速率為S，機械泵進口處壓強為p。

圖3中各個真空計的壓力P1，P2，P3，P4要視與泵入口間的流導(dǎo)C1，C2，C3，C4而定，依據(jù)氣體量恒定關(guān)系有：

式中：Q為容器流出的氣體量，L；S為機械泵的抽吸速率，L/s；p為機械泵進口處壓強；P1，P2，P3，P4為各個真空計的壓力，MPa；C1，C2，C3，C4分別為P1，P2，P3，P4點至泵入口間的流導(dǎo)，L/s。

由（1）式可以得出：

在抽真空系統(tǒng)中，一般存在 S＞＞C1，S＞＞C2，S＞＞C3，則：

即容器內(nèi)與管道上的真空壓力與流導(dǎo)成反比，若管道直徑一定，則真空壓力與到泵口的距離成正比，安裝在抽吸泵口附近的真空計測得的壓力要低于遠離泵口測得的壓力，同時由于真空計一般都安裝在容器的外壁上，測量到的壓力也略高于距抽吸泵口附近和容器中心（發(fā)動機附近）的實際壓力。

在實際應(yīng)用中管道直徑和走向有變化，串聯(lián)容器的體積也不完全相同，諸多因素決定了容器和管道內(nèi)的壓力不是處處相同的。因此，應(yīng)在容器和管道上布置一定數(shù)量的真空計，以監(jiān)測真空系統(tǒng)工作的壓力變化過程，一般容積在100 m3以下，建議模擬環(huán)境中至少安裝真空計4個、抽吸管路安裝2個，按照圖1中A或D方式安裝。某試驗系統(tǒng)真空艙測點分布示意見圖4，分別在艙體頂部的前、中、后及抽吸管道上共設(shè)置7個真空測點。真空艙壁及管道上設(shè)置的真空計類型、測量范圍及用途見表1。

表1 真空艙壁及管道上真空計類型、量程、位置及用途Tab.1 Type,scale,location and application of vacuum gage on vacuum chamber wall and pipe

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)配置

2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

某型號高空模擬試驗系統(tǒng)真空壓力測量采用P6000太平洋數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)模塊化結(jié)構(gòu)，可以記錄靜態(tài)和動態(tài)數(shù)據(jù)。其中真空壓力測量配置的6013模塊為8通道高性能信號放大及16位AD采集板，可以提供±12 V或±15 V的直流電源，提供4階低通Butterworth濾波器，放大器倍數(shù)1～5 000程控可設(shè)，每個通道都可提供過壓保護。

電容薄膜真空計工作模式為±15 V/DC電源激勵、10 V/DC輸出，由1#，2#的P6000采集系統(tǒng)6013板同時記錄，1#P6000系統(tǒng)的6013板提供±15 V電源激勵，傳感器的并聯(lián)輸出信號至1#，2#的P6000采集系統(tǒng)；電阻式真空計工作模式為220 V/AC電源激勵、二次表頭輸出5 V/DC信號，由1#采集記錄系統(tǒng)完成采集、記錄。真空計電源激勵、信號輸出及設(shè)備連接圖見圖5。

2.2 真空計現(xiàn)場校準(zhǔn)

電阻真空計及顯示儀表經(jīng)過二級校驗，作為現(xiàn)場標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)真空計使用，采用GJC-120抽真空儀及電阻真空計對1#，2#并記的Pzk2，Pzk3電容薄膜真空計進行現(xiàn)場標(biāo)定，系統(tǒng)組成見圖6，標(biāo)定檔位按被測真空參數(shù)要求確定，檔位以電阻真空計的表頭顯示為基準(zhǔn)，校驗一遍6檔，校驗時GJC-120抽真空儀抽至校驗檔值附近停泵，通過微調(diào)進氣閥至預(yù)定數(shù)值，由1#，2#采集系統(tǒng)同時記錄標(biāo)定數(shù)據(jù)，全部檔位標(biāo)定結(jié)束后，對標(biāo)定數(shù)據(jù)進行線性擬合得出a和b的值，以便試車中準(zhǔn)確地記錄電容薄膜真空計真空參數(shù)。

現(xiàn)場校準(zhǔn)數(shù)據(jù)采用最小二乘法擬合出校準(zhǔn)直線方程：

式中：y為校準(zhǔn)時施加的標(biāo)準(zhǔn)值；x為測量系統(tǒng)輸出值。

校準(zhǔn)線的系數(shù)a和b用下式算出：

式中：xi為校準(zhǔn)時測量系統(tǒng)的記錄值，yi為校準(zhǔn)時每一檔所加的標(biāo)準(zhǔn)值；r為兩變量之間的相關(guān)系數(shù)。

電容薄膜真空計Pzk2，Pzk3量程為200 Pa，為準(zhǔn)確判斷2 Pa真空度，特在1.0～3.5 Pa范圍內(nèi)進行試前現(xiàn)場標(biāo)定，表2是Pzk2，Pzk3真空計試前并記標(biāo)定的數(shù)據(jù)結(jié)果。

從表2中可以看出：1#，2#采集系統(tǒng)標(biāo)定結(jié)果一致，現(xiàn)場標(biāo)定的數(shù)據(jù)結(jié)果真實、有效。

3 真空壓力測量系統(tǒng)應(yīng)用

按照圖4設(shè)置的Pzk1～Pzk7測點對某推力室76 km熱試驗的真空艙壓進行了分段測量，圖7為一組真空艙抽吸過程壓力變化曲線，圖8為發(fā)動機點火過程中的真空壓力數(shù)據(jù)曲線。圖7中艙壓Pzk7，Pzk1～Pzk3隨時間呈現(xiàn)出指數(shù)衰減的趨勢，符合密閉容器真空獲得的規(guī)律。選擇的各種真空計使得從大氣壓至2.2 Pa分段測量區(qū)間良好地銜接，有效地監(jiān)視了抽吸過程中真空壓力變化。圖7（c）曲線顯示真空艙壓在熱點火前為2.2 Pa，滿足發(fā)動機76 km高空點火要求。管道上Pzk2測點較Pzk3靠近機械泵組，故曲線上Pzk2點的真空壓力較Pzk3點略低，符合容器艙壓分布不均勻的現(xiàn)象。圖8中艙壓Pzk2～Pzk5的起伏與發(fā)動機工作、間歇同步。多個真空壓力測點間的數(shù)據(jù)差異也反映了熱點火過程中艙壓分布并不均勻的狀況。

表2 200 Pa電容薄膜真空計試前標(biāo)定的數(shù)據(jù)結(jié)果Tab.2 Calibration results of diaphragm type condenser vacuum gage of 200 Pa

從幾次真空系統(tǒng)調(diào)試和熱試車結(jié)果來看，通過文中介紹的方法，采用不同類型的真空計進行測量，可以準(zhǔn)確地反映出真空艙試前抽吸及熱點火過程中的壓力變化，為產(chǎn)品在76 km熱點火試驗提供判斷依據(jù)，解決了熱試車中高真空壓力準(zhǔn)確測量的問題，在真空壓力試驗測量技術(shù)研究方面取得了進步，適用于今后發(fā)動機高空模擬試驗中高真空壓力的測量。

4 結(jié)束語

通過對電阻式真空計、電容薄膜真空計的應(yīng)用，獲得以下真空計的試驗測量經(jīng)驗：

1）精度要求低的真空壓力測量（100 kPa～1 kPa）可以直接采用一般真空壓力傳感器直接測量；

2）根據(jù)被測真空系統(tǒng)的真空壓力范圍、使用環(huán)境等選擇合適的真空計；

3）試驗環(huán)境的容器、管道上真空呈非平衡分布，實際的真空并不是處處相等，但抽真空停止后真空艙壓力逐步達到平衡；

4）真空計的安裝位置、引壓形式應(yīng)根據(jù)測量要求進行設(shè)計選擇，以提供更準(zhǔn)確的真空試驗測量數(shù)據(jù)。

本文針對高真空壓力分段測量、安裝工藝方式以及現(xiàn)場校準(zhǔn)等技術(shù)進行了初步研究，組建的高真空壓力測量系統(tǒng)承擔(dān)了變推力發(fā)動機試驗并圓滿完成了測量任務(wù)。隨著發(fā)動機對高空模擬試驗需求的不斷提高，開展現(xiàn)場更高精度的真空壓力校準(zhǔn)，可進一步提高高真空壓力的測量精度和范圍。

[1]劉玉魁.真空系統(tǒng)設(shè)計原理 [M].北京:新時代出版社,1988.

[2]王欲知,陳旭.真空技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2007.

[3]趙萬明.液氧/煤油發(fā)動機試車主要參數(shù)測量方法研究[J].火箭推進,2006,32(5):51-55.

[4]郭霄峰.液氧火箭發(fā)動機試驗 [M].北京:宇航出版社,1990.

[5]王曉冬,巴德純,張世偉,等.真空技術(shù)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2006.

[6]王文龍,耿直,喬江輝,等.壓力傳感器靜態(tài)校準(zhǔn)方法改進[J].火箭推進,2012,38(3):80-84.

[7]王正義,杜春林,常冬林.航天器密封艙內(nèi)真空測量技術(shù)改進[J].航天器環(huán)境工程,2011,28(1):63-65.

[8]楊再華,孫剛,郭潔瑛.空間實驗室的精度測量新方法[J].航天器環(huán)境工程,2009,26(5):452-454.

[9]雷震,唐云龍.VXI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的建立及其應(yīng)用[J].火箭推進,2008,34(5):54-58.

[10]許麗人,蔡軍.大氣邊界層環(huán)境影響效應(yīng)的仿真試驗[J].裝備環(huán)境工程,2009,6(4):39-42.

[11]趙瑞國,馬杰,何志勇,等.液體火箭發(fā)動機高速采集數(shù)據(jù)工程數(shù)據(jù)庫設(shè)計及應(yīng)用 [J].火箭推進,2011,37(3):60-64.

[12]池保華,洪流,李龍飛,等.真空模擬環(huán)境下液體推進劑蒸發(fā)特性的試驗研究 [J].火箭推進,2010,36(1):71-74.