火箭混动发动机性能测试

2022-07-21浏览次数:156

火箭混动发动机性能测试

By Nik Mohorko, CEO, Spacelink Institute, Slovenia


Spacelink 研究所是一个由年轻工程师组成的团队,他们渴望在斯洛文尼亚发展太空计划。我们的团队正在建造一枚火箭,计划发射到地球大气层和外层空间的边界100公里高度。为测试和验证混合发动机马达,我们使用 Dewesoft软硬件系统在运行期间进行了一系列测量。


Spacelink SL-2火箭发动机运行测试

自人类把第一颗人造卫星送入轨道和第一批人员登上月球表面,已经过去了50多年。但是只有在过去的十年里,人们才能负担得起进入太空的费用,以至于我们有能力发射商业火箭。
然而,这仍然是通过大型发射器实现的,这些发射器的时间表局限大,周转时间长,限制了空间利用和探索的真正潜力。

混合动力推进发动机设计

作为一种替代办法,最近在混合火箭推进领域取得了很大进展,大大降低了飞行器的复杂性,可用于生产小型、简单和廉价的小卫星发射器。
混合动力通常包括液体或气体氧化剂和固体燃料。混合动力的主要好处是降低维护和开发成本以及便于储存和运输。混合动力火箭发动机常用的燃料是聚合物——例如橡胶,通常与液氧结合作为氧化剂。由于其强大的氧化能力,有机材料可以迅速燃烧,而材料,如石油或木炭,甚至有爆炸的可能。
这个项目测试的是为斯特拉1号火箭准备的发动机,在开发,校准和测试中,我们使用了Dewesoft 的硬件和软件进行数据采集。SL-2由石蜡燃料和液氧提供动力,推力为4千牛顿,设计用于将一枚80公斤重的火箭推送到10公里的高度,进一步验证了这项开发技术的概念。
通过对所有工作参数的全面测量和分析,我们能够从每台发动机的静态试验中获得尽可能多的信息,从而减少了所需的试验总数。

斯特拉1号火箭

斯特拉1号将是 Spacelink 的第一枚火箭,由 SL-2发动机推进,达到10公里的高度。它配备两级回收系统,包括一个减速伞和一个主降落伞。
与军用火箭和运载宇航员的大型火箭相比,Stella 1是被动稳定的,这意味着垂直飞行是靠固定鳍来保证的。这些只有在一定速度下才有效,这意味着火箭需要在飞行的第一个1米被制导。为此,我们设计和制造了一个由三脚架底座和一个塔组成的发射台。
火箭技术是一个复杂的话题,涉及到高温高压、振动、加速度和流体动力学。精确的性能测量是这种系统优化和故障排除必不可少的。

Spacelink 公司

Spacelink 研究所是一个由年轻工程师组成的团队,他们渴望在斯洛文尼亚发展太空计划。我们的团队正在建造一枚火箭,计划发射到地球大气层和外层空间的边界100公里高度。
微型卫星技术大量的开发工作,提升了微型和超小型卫星的产量。这些设备的质量从不到1公斤到几百公斤不等。目前,发送卫星到最终轨道、发射频率和日程安排局限大,不灵活。在 Spacelink,我们相信可通过开发基于混合火箭推进的小型和高性能火箭,改变有效载荷发射进入轨道的方式。
在燃烧室上测量推力和推力偏差
SL-2火箭发动机

SL-2型混合动力火箭推进系统

开发发射装置,通常从地面开发和测试推进系统开始。在我们的案例中,我们从 SL-2火箭发动机开始,这是稍后将用于混合火箭推进系统的全尺寸火箭的缩小版本。尽管如此,它仍然装备着各种各样的传感器,并被设计用来提供尽可能多的信息。
发动机由三个主要部分组成:
▶  底部是水平的燃烧室,
▶  中间有一个液氧罐,
▶  顶部有一个加压罐

在氧化罐之间,有一个带有闭环调节系统的阀门,从顶部氧化罐吸入高压空气,并以40巴的较低恒压输入氧化剂氧化罐。
当氧化剂罐下面的主电磁阀打开时,液氧通过喷嘴进入,分散成细小的液滴。在燃烧室中,液滴与熔融的石蜡混合并发生反应。这会产生超过3000 ° c 的过热气体产品,当通过主喷嘴时,气体产品会被加速到超音速。快速移动的气体产生推力和震耳欲聋的噪音。
我们需要一种方法来测量 SL-2在远程测试位置的主要性能参数,并且能够实时观察它们,以防测试需要中止或手动更改。
对于某些测量物理量,我们只需要知道最大/最小值,例如,腔室壁面的温度,而其他量随着高频率变化而变化,例如燃烧室的压力。同样重要的是,不同传感器的数据是同步的,这样我们可以发现引起发动机行为异常的原因,如容器压力增加导致的氧化剂水平读数变化。
整个测试过程由我们的飞行计算机及其机载软件控制。它包括向容器注入液氧,冷却管道,给系统加压,5秒钟的燃烧时间,排空剩余的氧化剂,最后升温。在测试过程中,我们主要集中分析了电机运行时的5秒钟。

性能测试设置

我们的测量装置包括两个 Dewesoft DAQ 系统,一个 SIRIUS 和一个 KRYPTON,同步连接来提供充足通道。这些设备通过100米的以太网电缆连接到一台笔记本电脑上。测试需要采集一系列的物理参数,因此需要各类传感器。

压力传感器

压力的测量方法有电容法、光学法、压电法等。这个案例里,使用一个工业压阻传感器。集成的基于微处理器的放大器检测陶瓷传感器的电阻变化,并将它们转换成标准的4-20ma 电流输出。传感器通过外部50欧姆 DSI 电流分流器连接到 SIRIUS DAQ 系统。
热电偶

热电偶是简单的温度传感器,由两个不同的电导体组成,形成一个电结。他们产生一个温度相关的电压,该电压由 DAQ 设备采集并转换成温度。它具有成本低、互换性好、测量范围宽、热量低等优点,广泛应用于各行各业。
应变计

应变计是用来测量物体的应变的装置。它们通常用粘合剂粘在表面上,与表面一起变形,从而改变应变计的电阻。通过适当的校准,它们可以有效地用于测量力,因此通常用于称重传感器、力传感器。
电容式液位传感器

为了测量液氧在罐体灌装和电机运行期间的液位,我们开发了一种电容液位传感器,可以在低温,氧化环境下工作。它由两个同心不锈钢管组成,浸没在液态氧中。处理器将液位的上升或下降记录为电容的变化,并将其转换为 PWM 信号。然后用 Dewesoft 超级计数器技术对这个信号进行分析,以确定占空比,并将其转换为液位。
发动机性能测试分析

全面分析火箭发动机的关键性能参数,测量数据提供了基础。

推力分析

为了测量推力和推力偏差,燃烧室安装在测量台上。四根金属梁的每一侧都安装了一个应变计,提供了四个半桥结构。
推力测量板

所有四个通道连接到 Dewesoft Sirius的内置桥路放大器,加在一起得出总推力。
这种结构还可以测量侧向力,如果系统启动,这可用来确定喷管的不对中或推力矢量控制系统特性。
从采集数据中,可得到两个最重要的参数:
▶  额定推力之前的时间: 这对获得火箭较高初始加速度很重要
▶  总冲量——这个参数与火箭最终达到的高度有关
x 数采软件上推力测量的截图[ n ]

燃烧室压力分析

其中一个压力传感器直接连接到燃烧室,用于监测内部压力。其目的是观察燃烧不稳定性(振荡) ,燃油效率和潜在的问题,如喷嘴阻塞。这个案例中,我们注意到两个不同的燃烧不稳定性,一个是低频,一个是高频,这是由于燃烧室的声学特性。
Dewesoft x 软件燃烧室压力测量[ bar ]

压力调节分析

液氧罐采用外置高压罐加压。为实现氧化剂恒压,我们开发了一个主动调节系统。它采用电动阀,压力传感器,和一个 PID 控制器。压力传感器与 Sirius 平行连接,用于采集数据进行后期分析。
Dewesoft x 数采软件上液氧罐测量截图[巴]

燃烧室热管理

为确定热绝缘的有效性,沿燃烧室外表面安装了4个 k 型热电偶并与 Dewesoft 数采连接。确认热传导的滞后性,在电机运行期间和几分钟后监测温度。我们的结论是,现有的内部绝缘工作完美,因为壁温从来没有上升到40 ° c 以上。
Dewesoft x 软件显示燃烧室的外部温度截图

测试结论

影响火箭发动机性能的因素很多。必须经过多次测试进行测量和优化,以实现飞行器稳定、可靠和高效地工作。此外,工业研发中,我们相信数据采集是可靠并且必要的。由于我们的测量是在现场进行的,所以硬件的坚固性和适应性是非常重要的。
本案例下,Dewesoft 的硬件和软件不仅体现了可靠性,而且非常灵活,简单匹配和设置,我们可以使用几乎任何传感器。如果我们的团队成员熟悉了 Dewesoft 软件,会发现他具备丰富的功能同时,仍然兼具简单易用。