液体火箭发动机试验中,推进剂流量是评价发动机性能参数比推力和混合比的关键参数,测准发动机工作过程的流量参数至关重要。液体火箭发动机由于用途的不同,其推进剂流量从轨姿控发动机的每秒毫克级到主动力发动机的每秒上千千克级,推进剂种类有液体(低温、常温、有毒)、凝胶、气体等,流量测量传感器大多处于高温(低温)、振动、腐蚀等恶劣环境条件下。所以,为了提高发动机试验流量参数的测量准确性,必须根据发动机介质类型、流量大小、试验特点等各种因素,针对性设计测量系统,选择高性能的传感器,研究校准方式、信号调理技术和数据分析方法。本文从流量参数测量系统设计要点、传感器选型及安装工艺、现场校准技术、信号调理技术、抗干扰措施、数据处理等方面论述液体火箭发动机试验流量参数测量关键技术。

一个先进、可靠的发动机试验测量系统是参数测准、测全的前提条件。流量参数测量系统设计输入条件主要有:测量不确定度、推进剂类型、发动机工作模式、流量范围、传感器安装的环境条件、测量通道数、采样速率、数据提供形式等。设计重点考虑以下因素:①根据测量不确定度对测量各环节进行误差分配; ②综合测量不确定度、量程、推进剂类型、数据获得可靠性、现场条件和安装方式等选择合适的传感器; ③确定校准方式(首选现场原位校准方式),设计校准装置; ④确定传感器冗余测量手段; ⑤根据传感器输出信号类型、幅值大小、波形形状、采样速率等,设计信号调理器和数据采集装置; ⑥提出数据分析要求,规定数据提供方法。

上述因素中,研究校准方式与建立现场校准装置、研制信号调理器是其中的关键环节。

液体火箭发动机试验中应用最多的是涡轮流量计和质量流量计。涡轮流量计的优点是响应快、流阻小、重复性好、环境适应性强。不足是精度一般,口径10 mm以上的多数涡轮流量计水校准精度一般达到0.5%,口径1～4 mm涡轮流量计水校准精度仅达到1%～2%。质量流量计优点是精度和可靠性高、范围宽、介质适应性强,缺点是流阻大、易受振动干扰、有一定的滞后性。由于发动机试验现场恶劣的环境及安装条件与计量校准时不同,加之推进剂特性和温度的影响,涡轮流量计使用计量水校准系数时存在一定的系统误差。当推进剂为液氧、液氢等低温介质时,误差较大。质量流量计在发动机试验现场使用时,如果安装位置距发动机较近,易受到推进剂管路传递的振动干扰及介质脉动影响,当干扰信号频率和流量计测量使用的频率较近时,测量数据严重失真。

流量传感器选择主要考虑精度、流阻、现场安装条件、输出信号类型、可靠性等因素。推荐常温推进剂采用质量流量计+涡轮流量计的方式进行测量; 低温推进剂使用分节式电容液面计平均流量测量装置+低温涡轮流量计的方式进行测量,发挥分节式电容液面计平均流量测量精度高、低温涡轮流量计可同时获得瞬时和平均流量的特点; 气体流量使用质量流量计或气体涡轮流量计进行测量; 凝胶推进剂使用质量流量计进行测量; 轨姿控发动机小推力(小流量)试验系统使用质量流量计或高精度天平测量。

流量计正确的安装工艺是保证测量精度的前提条件之一。涡轮流量计安装时应注意:①上、下游安装一段与流量计口径相同的直管段,前直管段长应不小于通径的20倍,后直管段不小于5倍; ②安装坡度一般小于2°。质量流量计安装时应注意:①尽可能远离发动机可靠安装,制作支架,在连接法兰上固定; ②试验过程受到的振动大小应不影响测量数据的准确性和稳定性,建议在连接管路上安装波纹管或金属软管减小发动机振动对质量流量计的影响; ③一般测量液体介质时弯管朝下垂直安装,靠近流量计处设置高点排气装置,测量气体时应安装在气体流场比较稳定的管路上,必要时设置缓冲器,对气体进行稳流; ④安装好后选择合适的时间常数,并按4～20 mA对系统进行校准。

另外:①流量计安装后应注意安装应力的影响,别特是用于低温介质测量的流量计第一次使用时,应进行预冷处理; ②使用涡轮流量计时,用于管路介质测温的传感器应安装在主管路流量计附近管路的侧下方。推荐常温介质选用铠装封闭式A级铂电阻传感器,插入深度1/3～1/2管径。低温介质安装两只不同插入深度(1/4～1/2管径)的铠装裸露式热敏电阻传感器,测量窄温区分层温度,求平均值。同时安装一只封闭式A级铂电阻传感器,用于预冷全过程温度监示。介质温度测量误差一般应小于0.4°。

火箭发动机试验中,涡轮流量计使用环境、安装形式、测量介质的粘度、密度、温度等和计量校准时存在差异,导致测量数据存在一定系统偏差。研究测量参数校准技术,实现现场(原位)校准,是提高参数测量精度的最有效途径。航天标准QJ1794中规定,流量测量不确定度不大于1%时,其传感器必须在现场用真实推进剂进行校准; 大于1%时可在计量部门实验室校准。根据实际经验,发动机试验用涡轮流量计(精度0.5%)测量流量时,当要求常温推进剂流量测量不确定度不大于0.7%,低温液氧、液氢流量不大于1%时,应建立现场校准装置,对涡轮流量计进行真实介质原位校准,才可能达到要求的测量不确定度。 液体火箭发动机试验现场流量校准装置一般按常温推进剂和低温推进剂分别设计。在满足测量不确定度要求前提下,多数常温推进剂流量测量现场校准装置可采用质量流量计和涡轮流量计串联的方式进行现场原位校准,校准原理如图1所示。

图1 常温推进剂流量计现场校准原理图
Fig.1 Field calibration principle of flow-meter for normal temperature propellant

质量流量计对涡轮流量计的校准方法和计量单位校准基本相同,利用推进剂贮箱和推进剂回收箱之间放液进行校准。流量基准为质量流量计,质量流量计同时获得质量流量和密度,质量流量除以密度得到体积流量,通过体积流量和涡轮流量计输出频率之间的对应关系,用最小二乘法求出涡轮流量计在现场安装条件下真实介质的斜率与截距(或仪表系数)。通过改变贮箱压力获得不同校准点流量值。涡轮流量计经过现场原位校准后,提供的数据测量不确定度一般优于0.7%。在额定工况流量值附近校准,测量不确定度可优于0.5%。

低温介质(如液氧、液氢)发动机试验一般不用低温质量流量计测量流量,原因是低温质量流量计对于火箭发动机试验这样短时间工作方式的流量测量重复性、稳定性较差。小型低温介质发动机试验由于介质容器较小,现场校准装置可采用称重法方式进行。中、大型发动机试验系统由于介质容器巨大,不适合称重法对涡轮流量计进行原位校准。采用测量介质容器标准体积和密度的方法对涡轮流量计进行现场原位校准,校准原理图如图2所示。

图2 低温介质现场校准原理示意图
Fig.2 Principle diagram of field calibration for cryogenic medium

校准原理如下:①对低温介质容器进行计量标定,获得体积和高度的对应关系,并进行容器材料低温系数和使用压力体积修正。同时,对容器内安装的液面计等其他设备占用体积进行修正; ②在标定过的容器中安装分节式电容液面计。低温介质放液时,对液位高度变化信号进行调理、记录和处理,查表、插值求出容器某时间段内流出的介质体积,同时,实时测量容器介质流出区域压力和温度计算密度,获得该时间段标准平均质量流量; ③在同一时间段内,测量涡轮流量计附近压力和温度计算密度,求出涡轮流量计测量的质量流量。由于同一时间段内从容器流出的低温介质质量等于流过主管道涡轮流量计的介质质量,即:获得涡轮流量计的标准体积流量同时获得了体积流量对应的频率。选择4～6校准点,每个校准点重复2～3次。用最小二乘法对涡轮流量计的体积流量和对应的输出频率值拟合,求出现场真实介质条件下的涡轮流量计的斜率和截距值,实现对涡轮流量计现场原位校准。

需要注意的是,以分节式电容液面计为核心组成的低温介质平均流量测量装置必须按相关标准进行测量不确定度评定。按照目前技术水平,容器内低温介质温度测量误差控制在±0.4K以内,容器容积检定不确定度在0.1%(含容器低温压力、温度修正)以内,低温介质平均流量测量装置测量不确定度优于0.5%,用该装置对涡轮流量计进行现场原位校准后,低温介质流量测量不确定度优于0.7%。

液体火箭发动机试验过程中流量测量面临着非常复杂的恶劣环境,试验中为了完整、准确地获得发动机流量数据,除选择高可靠性、适合现场环境条件的传感器、测量设备外,还要研究测量工艺方法。特别是研究传感器安装工艺、现场校准、信号调理、抗干扰措施、数据综合分析及测量数据提供方法等技术,确保测量各个环节引入的误差在预估范围内。只有这样,才能保证提供的数据准确有效,反应发动机的固有质量,为发动机性能评判断提供准确可靠的依据。