发布日期：2024/12/13

 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。