燃氣閥響應(yīng)時間的光學(xué)測量方法①

武 強，蔡 迪，牛 祿，潘科瑋，楊 斌，陳曉龍

(1.上海理工大學(xué) 顆粒與兩相流測量研究所/上海市動力工程多相流動與傳熱重點實驗室，上海 200093；2.上海航天動力技術(shù)研究所，上海 201109)

0 引言

燃氣閥是飛行器姿軌控動力系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，其啟閉動態(tài)特性直接影響飛行器姿軌控制效果[1-3]。在姿軌控動力系統(tǒng)中，燃氣發(fā)生器產(chǎn)生高溫燃氣，通過多個燃氣閥及推力控制裝置來實現(xiàn)飛行器的換軌姿控[4-7]。燃氣閥啟閉響應(yīng)時間是其中重要的參數(shù)之一[8-9]。目前，燃氣閥啟閉響應(yīng)時間通?；趬毫Α⑼屏Φ葏?shù)測量分析確定[10-12]，這些接觸式測量方法存在如下問題：測壓通道充排氣帶來的誤差；需要開孔安裝傳感器；只能用于單閥，集成樣機受空間位置限制；供氣管路對推力測量的干擾。因此，上述方法，已無法適應(yīng)近年來高動態(tài)姿軌控發(fā)動機的發(fā)展，給樣機的設(shè)計、驗證與控制都帶來了難度。

本文提出利用激光照射燃氣閥羽流，通過分析其透射光強變化情況來確定燃氣閥響應(yīng)特性的光學(xué)測量方法，并基于該方法搭建固體姿軌控發(fā)動機燃氣閥單閥冷態(tài)測試試驗臺，開展燃氣閥啟閉響應(yīng)時間測量，并研究不同工作壓強對燃氣閥響應(yīng)時間的影響。

1 測量原理與裝置

當(dāng)激光光束入射到噴管羽流時，由于顆粒或者氣體折射率變化將向空間四周散射，透射光強將瞬時發(fā)生變化，而光強的變化很大程度可表征燃氣閥的工作狀態(tài)，由此提出利用激光照射燃氣閥羽流，通過分析其光強變化情況來確定燃氣閥響應(yīng)特性的光學(xué)測量方法。測量原理如圖1所示，在燃氣閥羽流設(shè)置激光器與光電探測器，激光入射羽流，由于顆?；驓饬髟斐傻恼凵渎首兓鹜干涔鈴姲l(fā)生改變，利用光強變化情況表征燃氣閥羽流狀態(tài)，從而分析確定燃氣閥啟閉響應(yīng)時間。這一光學(xué)測量方法具有結(jié)構(gòu)簡單、時間響應(yīng)極快等優(yōu)勢。

圖1 測量原理示意圖Fig.1 Schematic of measurement

如圖2所示，當(dāng)燃氣閥啟動控制信號t01時刻發(fā)出，燃氣閥響應(yīng)后透射光強發(fā)生變化，至t1時刻波動趨于穩(wěn)定，認為流場穩(wěn)定建立；燃氣閥關(guān)閉控制信號t02時刻發(fā)出，燃氣閥響應(yīng)，t2時刻透射光信號波動；t3時透射光強趨于穩(wěn)定。因此，可根據(jù)光強信號分析得到燃氣閥響應(yīng)時刻特征點：t1和t2時刻分別為燃氣閥啟、閉響應(yīng)特征點，t3時刻為燃氣閥完全關(guān)閉響應(yīng)時刻特征點。由此結(jié)合控制信號可確定燃氣閥啟、閉響應(yīng)時間及完全關(guān)閉特征時間:

t啟=t1-t01

(1)

t閉=t2-t02

(2)

t完全關(guān)閉=t3-t02

(3)

圖2 典型數(shù)據(jù)分析Fig.2 Typical data of measurement

2 實驗系統(tǒng)與裝置

燃氣閥單閥冷態(tài)測試試驗臺如圖3所示。燃氣閥安裝于實驗臺架上，利用氮氣充填腔體，保持一定工作壓強，利用壓強傳感器測量閥體內(nèi)壓強，同時在實驗臺架上設(shè)置推力傳感器測量氮氣經(jīng)燃氣閥噴管噴出產(chǎn)生的推力，燃氣閥由電磁閥控制產(chǎn)生高頻作動。實驗采用的電磁閥在控制信號低電平開啟，高電平關(guān)閉。在噴管出口處安裝光學(xué)測量裝置，激光器發(fā)出激光，經(jīng)噴管出口羽流區(qū)后由探測器接收，并利用數(shù)據(jù)采集卡采集，傳輸至計算機存儲及處理。

圖3 測試系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of test system

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 典型數(shù)據(jù)處理與分析

利用上述燃氣閥單閥冷態(tài)測試試驗臺，開展了7.0 MPa工作壓強燃氣閥啟閉響應(yīng)時間測量實驗，獲得單閥冷態(tài)多次連續(xù)實驗數(shù)據(jù)，其中數(shù)據(jù)采集頻率為100 kHz。以圖4所示4.38～4.56 s時間段實驗數(shù)據(jù)為例，對透射光強信號進行帶通濾波處理獲得的信號進行分析，實驗開始后4.407 69 s時刻發(fā)出電磁閥開啟控制信號，帶通濾波后的光強信號在一定時間后發(fā)生較為劇烈的波動后進入穩(wěn)定段，以進入穩(wěn)定段的時刻4.411 54 s作為燃氣閥開啟響應(yīng)時間特征點，可確定該燃氣閥開啟響應(yīng)時間為3.85 ms；實驗在4.507 69 s時刻發(fā)出燃氣閥關(guān)閉控制信號，帶通濾波后的光強信號在4.518 82 s時刻由穩(wěn)定段發(fā)生劇烈起伏變化且信號衰減較低，以該時刻電磁閥關(guān)閉響應(yīng)時間特征點，可確定該燃氣閥關(guān)閉響應(yīng)時間為11.13 ms；帶通濾波后的光強信號在4.527 26 s時刻轉(zhuǎn)變?yōu)轭愃迫細忾y開啟前的光強信號，以該時刻作為燃氣閥完全關(guān)閉響應(yīng)時間特征點，可確定該燃氣閥完全關(guān)閉響應(yīng)時間為19.57 ms。因此，利用帶通濾波對透射光強信號進行處理，可有效確定燃氣閥啟閉特征點，從而得到燃氣閥啟閉響應(yīng)時間。

3.2 連續(xù)多次重復(fù)測量結(jié)果與分析

對連續(xù)多次高頻作動信號進行分析，上述特征點重復(fù)性較好，利用這些特征點的選取可有效實現(xiàn)燃氣閥啟閉響應(yīng)時間測量。對單次燃氣閥實驗數(shù)據(jù)進行處理，獲得9組電磁閥響應(yīng)時間測量結(jié)果如表1所示，可分析燃氣閥啟動響應(yīng)時間、關(guān)閉響應(yīng)時間、完全關(guān)閉響應(yīng)時間分別為(3.85±0.04)、(10.97±0.07)、(20.45±0.3) ms。由此可知，燃氣閥響應(yīng)時間測量結(jié)果重復(fù)性較好，利用該方法及其特征點的選取對于燃氣閥響應(yīng)時間測量有效。

圖4 典型測量信號Fig.4 Typical signal of detector

序號開啟響應(yīng)時間關(guān)閉響應(yīng)時間完全關(guān)閉響應(yīng)時間13．7110．7120．8523．7010．9319．6033．8511．1319．5743．9011．2621．9853．7511．2619．3863．8211．0220．6273．8910．6619．4784．0010．8721．9294．0010．9220．65平均響應(yīng)時間3．8510．9720．45不確定度0．040．070．3

3.3 不同工作壓強電磁閥時間響應(yīng)測量

如圖5所示，為燃氣閥在5.0、7.0 MPa兩種不同工作壓強的透射光強信號。

對比可知，當(dāng)工作壓強較低(5.0 MPa)時，透射光強的穩(wěn)定性較差；當(dāng)工作壓強較高(7.0 MPa)時，透射光強的穩(wěn)定性較好，這與羽流流動情況吻合。因此，該光學(xué)測量方法獲得的透射光強信號可有效的顯示燃氣閥噴管羽流的流動情況。

雖然在壓強較低(5.0 MPa)時透射光強波動規(guī)律與較高壓力(7.0 MPa)不同，但信號帶通濾波后仍然存在相似特征點，仍然可分析得到燃氣閥啟閉響應(yīng)時間。兩種工作壓強下燃氣閥啟閉響應(yīng)時間結(jié)果如表2所示，可知當(dāng)燃氣閥工作壓強提升，燃氣閥開啟響應(yīng)時間由7.86 ms縮短至3.69 ms，關(guān)閉響應(yīng)時間由7.53 ms增加至10.84 ms，完全關(guān)閉響應(yīng)時間由16.97 ms增加至19.47 ms。因此，該光學(xué)測量方法能有效獲得不同工作壓強下燃氣閥啟閉響應(yīng)時間。

(a)5.0 MPa

(b) 7.0 MPa圖5 不同工作壓強下響應(yīng)曲線Fig.5 Signal curves in different working pressure

壓強/MPa開啟響應(yīng)時間關(guān)閉響應(yīng)時間完全關(guān)閉響應(yīng)時間5．07．867．5316．977．03．6910．8419．47

3.4 典型壓強與推力參數(shù)結(jié)果對比分析與討論

燃氣閥單閥冷態(tài)測試試驗典型壓強與推力變化如圖6所示，該試驗采用電磁閥在控制信號高電平開啟，低電平關(guān)閉。根據(jù)壓強與推力信號作為目標(biāo)參數(shù)分析，得到燃氣響應(yīng)時間結(jié)果如表3所示，可知以推力作為目標(biāo)參數(shù)優(yōu)于以壓強作為目標(biāo)參數(shù)分析，這是壓強傳感器測量管路帶來的壓強響應(yīng)延時導(dǎo)致。由于該試驗燃氣閥工作壓力為6.0 MPa，未與光學(xué)測量試驗同步測試，燃氣閥啟閉響應(yīng)時間測量無法比較，但仍然可以驗證光學(xué)測量方法的測量有效性。應(yīng)用光學(xué)非接觸式測量方法可有效消除接觸式測量產(chǎn)生的干擾與測量偏差，這為后續(xù)發(fā)動機集成演示試驗提供了一種易于實現(xiàn)的測量方案。

圖6 典型壓強和推力參數(shù)曲線Fig.6 Typical pressure and thrust curves of gas valve

目標(biāo)參數(shù)開啟響應(yīng)時間關(guān)閉響應(yīng)時間壓強7．4313．82推力6．2411．31

4 結(jié)論

(1)提出的利用激光照射燃氣閥羽流，通過分析其光強變化情況來確定燃氣閥響應(yīng)特性的光學(xué)測量方法，并利用帶通濾波方式，通過選取合適的頻率閾值可有效分辨燃氣閥啟閉狀態(tài)，通過燃氣閥單閥冷態(tài)試驗結(jié)果可知，該方法可有效顯示羽流的流動情況，實現(xiàn)燃氣閥啟閉響應(yīng)時間的測量，且多次測量重復(fù)性較好。

(2)相對于目前通過壓強、推力等參數(shù)測試確定燃氣閥響應(yīng)時間來說，提出的光學(xué)測量方法具有時間響應(yīng)快、可有效消除接觸式測量產(chǎn)生的干擾與測量偏差等優(yōu)勢，為后續(xù)發(fā)電機集成演示試驗提供了一種易于實現(xiàn)的測量方案。

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