姿轨控发动机试验多阀光学同步测试方法 ①

毛安元，王 勇，杨 斌，蔡 迪， 潘科玮，陈晓龙，牛 禄

(1.上海理工大学颗粒与两相流测量研究所/上海市动力工程多相流动与传热重点实验室，上海 200093； 2.上海航天动力技术研究所，上海 201109)

0 引言

姿轨控发动机(Divert and Attitude Control Motor,DACM)主要用于运载火箭末级、导弹弹头和各类航天器的姿态控制[1-4]。在姿轨控发动机中，燃气阀通过调节燃气发生器产生高温燃气的启闭及流量来实现对飞行器的轨道与姿态控制，是飞行器高精度目标控制的关键，燃气阀的启闭动态响应特性直接影响到导弹姿态控制和轨道控制效果[5-8]。因此，有效准确获得燃气阀启闭响应特性对提高控制精度具有重要意义[9-10]。

目前，姿轨控发动机燃气阀研究主要在燃气阀内流场分布，主要借助数值模拟来分析燃气阀启闭状态下的流场分布和压力分布[11-13]。燃气阀的启闭动态响应特性主要用阀门启闭响应时间来表征，目前主要基于压力传感器测量燃气阀腔体压力或利用推力传感器测量推力分析得到[14]。北京理工大学任法璞采用敲击法与模态试验法开展了推力测试台动态性能研究，并采用双模态阻尼补偿与仿真优化的方法对推力测试台动态性能进行改进[15]。然而这些常规接触式测量方法需要对燃气阀进行特殊加工或工装实现，仅用于燃气阀单阀性能演示与验证，无法用于集成化的姿轨控发动机试验。对此，武强等提出利用激光照射单个燃气阀羽流并分析其透射光强变化情况来确定燃气阀启闭响应特性的光学测量方法。这种光学测量方法具有快速响应、非接触式、对流场无干扰等优势，使得姿轨控发动机集成试验多阀启闭特性同步测试成为可能[16]。

本文在此基础上研制六通道光学测量系统，利用激光同时照射六燃气阀羽流，开展六通道姿轨发动机燃气阀响应特性同步测量冷态试验，根据各燃气阀透射光强信号波动规律获得启闭响应特性，可为验证燃气阀响应特性以及高精度控制提供实时数据支撑。

1 测量原理与装置

如图1所示，当一束激光经过喷管周期启闭喷出的羽流时，因这些羽流中存在颗粒或密度变化，激光将发生周期散射或偏折，导致激光光强出现周期波动，通过分析燃气阀启闭控制信号与透射光强信号阶跃点的关系可确定燃气阀启闭响应时间。

由于燃气阀周期性启闭会引起的透射信号波动频率相应发生变化，因此可对该信号进行带通滤波处理。原始透射光强信号xn，通过带通滤波器得到带通滤波后信号yn：

yn=hn×xn

(1)

式中hn为带通滤波响应函数。

图1 测量原理示意图

由此可得如图2所示的典型单个周期控制信号、探测光强信号随时间变化曲线和对探测信号滤波得到的滤波曲线。

图2 典型数据分析

燃气阀开启控制时刻为t1，燃气阀关闭控制时刻为t2，根据滤波信号阶跃变化特征点获得探测器探测到气流实际喷出引起光强波动时刻为t01，探测到无气流引起波动时刻为t02，可认为t01和t02之间为燃气阀开启状态。因此，可确定姿轨控发动机燃气阀启闭响应时间分别为

topen=t01-t1

(1)

tclose=t02-t2

(2)

基于上述原理搭建姿轨控发动机燃气阀多阀响应特性同步测量冷态试验测试系统如图3所示。该姿轨控发动机具有6个燃气阀，在每个燃气阀出口处安装测量段。测量段中，激光器与探测器对应安装，激光器发出激光，经羽流由对应的探测器接收。燃气阀电磁铁作动由控制器发出的不同频率方波信号控制。6路探测器信号及控制器同步控制信号接入数据采集系统采集记录。

图3 测量装置与系统

6个燃气阀对应6路频率不同的控制信号，当控制信号输入时，各个燃气阀工作开始周期性作动，此时氮气羽流经阀门喷出，激光器发出激光经氮气羽流发生信号衰减，探测装置接收发生信号衰减变化的信号并将其传输给采集卡和计算机完成6阀数据的采集和存储。该实验装置相比单阀实验装置可同步探测6路不同频率的衰减信号，同步获得6路不同频率下的燃气阀启闭动态响应特性。

2 实验结果与分析

2.1 典型数据处理与分析

利用上述燃气阀六通道光学测量系统测量姿轨控发动机冷态试验多阀响应特性，同时获得了冷态试验过程6个燃气阀羽流光学响应信号。典型单周期透射光强信号与相应的控制信号如图4所示，可见透射光强信号在燃气阀闭合状态下波动较小，当燃气阀开启，喷管气流导致光强发生较大波动；当燃气阀关闭，透射光强信号又恢复到初始状态，并且这一特征具有一致性和重复性。

因此，对透射光强信号进行带通滤波，滤波后的信号有明显的阶跃点，以此为特征点，根据前述测量原理，可获得燃气阀启闭响应时间。以图4信号为例，控制信号上升沿时刻为1030.45 ms，燃气阀接受该控制信号进行作动，气流喷出，相应的透射光强信号发生变化，阶跃点对应时刻为1035.23 ms，由此可获得燃气阀开启响应时间为4.78 ms。控制信号下降沿时刻为1080.19 ms，燃气阀接受该控制信号关闭，相应的透射光强恢复到初始状态，阶跃点对应时刻为1084.22 ms，由此可获得燃气阀关闭响应时间为4.03 ms。因此，通过这一测量与数据分析方法，可有效同步获得6个燃气阀启闭响应时间。

图4 典型实验信号及其处理

2.2 单阀多频率试验结果分析

不同频率控制下，燃气阀相应的启闭响应特性也不同。试验时序采用7个不同频率的控制时间序列，分别是5、20、10、5、10、20、50 Hz。取测量段1信号对应的5、10、20、50 Hz频率透射光强信号分析，如图5所示。

由图5可见，当信号频率为5、10、20 Hz时，探测信号周期变化明显，可根据上述方法准确确定燃气阀启闭特征点；当控制频率为50 Hz时，对应的透射光强信号周期变化较弱，燃气阀接收关闭信号后透射光强无法恢复到初始状态，由此可判断在50 Hz控制频率下，由于燃气阀电磁铁作动较快，燃气还未完全关闭时，电磁铁就接收到开启信号打开燃气阀，因此可根据透射光强信号是否恢复到原始信号来判断燃气阀是否完全关闭。

(a)5 Hz (b)10 Hz

(c)20 Hz (d)50 Hz

2.3 多阀多频率试验结果分析

试验同步获得了6个燃气阀启闭响应数据，取10 Hz控制频率时间序列测量段1和段4的透射光强信号进行分析，如图6所示。在该控制频率时间序列中，测量段1和段4对应燃气阀控制频率均为10 Hz，但交替启闭作动。因此，在图6中可见，控制信号发出后，测量段1和测量段2获得的透射光强信号成交替规律，验证了燃气阀在该控制时序下的启闭效果。

表1 单阀多频率响应特性

(a) 测量段1的10 Hz 实验结果 (b) 测量段4的10 Hz 实验结果

基于上述方法，对2个测量段6个周期的透射光强信号进行带通滤波，分析燃气阀启闭响应特征点，从而得到相应的启闭响应时间，如表2所示，测量段1和段4的燃气阀启闭动态响应时间不同。

由于启闭响应时间是燃气阀的固有特性，对于不同的燃气阀，若要保证控制精度，必须对每个燃气阀进行启闭响应测试，在设计控制信号时，应将燃气阀启闭响应时间考虑，才能保证控制精度。

表2 测量段1和段4响应特性

3 结论

(1) 该试验基于光学方法研制的用于姿轨控发动机冷态试验测试的六通道光学非接触式测量系统，获得了冷态试验过程6个燃气阀羽流光学响应信号，通过对信号进行带通滤波分析，可同步获得了多个燃气阀的启闭响应时间，验证燃气阀启闭响应规律，并且实验测量标准误差小于0.30 ms，可为姿轨控发动机试验提供有效准确的快速非接触式测量方法。

(2) 燃气阀在5、10、20 Hz控制频率下透射光强重复性较好，可以通过带通滤波获得阶跃变化特征点，从而得到燃气阀启闭响应时间；但在50 Hz控制频率下，由于燃气阀电磁铁作动较快，燃气阀未完全闭合，因此无法获得燃气阀启闭阶跃变化特征点。