变推力发动机高模试验真空压力测量技术研究

2013-10-15窦双庆

火箭推进 2013年3期

窦双庆

（西安航天动力试验技术研究所，陕西西安710100）

0 引言

高空模拟试验是在地面条件下制造高空环境，将发动机或组合件置于此环境中，研究发动机在高空环境下的实际工作性能。发动机高空模拟热试车中，真空压力是判断试验点火的重要参数，在以往开展的54 km高空试验中，点火前的真空度要求为40 Pa，而随后承担的变推力发动机高空模拟试验中，要求点火高度76 km，对应的真空度为2.2 Pa，原有的真空压力计已无法全程监测真空压力的变化过程，同时从提升试验系统的综合能力来看，有必要开展高真空度下压力测量的技术研究。

1 传感器安装技术

1.1 真空计的选择

76 km高空模拟试验环境对应的真空压力下限是2.2 Pa，这个范围的真空测量通常是采用两个或两个以上不同原理的真空计来满足实际测量的需要，从常规大气压到2 Pa真空度选用了电阻真空计和电容薄膜真空计。电阻真空计是利用压强与弹性金属丝阻值的关系测量真空，电容薄膜真空计是利用压强与金属薄膜之间电容量的变化测量真空，适宜在腐蚀性气体环境中重复使用。

近代真空技术提供了多种真空压力测量方法，最高可以测量到10～14 Pa的压力，但是任何一种方法都有一定的测量范围，没有哪一种可以覆盖从大气压至10～14 Pa的压力。在发动机高空模拟试验中，选择适合量程的真空计可以使测量区域相互衔接，更好地监测真空变化过程。型号发动机试验系统中选择了100 kPa，1 kPa和200 Pa量程的真空计，100 kPa真空计监测抽吸过程中大气压至2 kPa左右压力变化过程，1 kPa真空计主要监测抽吸过程的真空压力，200 Pa真空计主要监测点火前和点火过程中的高真空压力。这样分段测量，可保证各区间内真空压力测量数据的准确性。3种类型的测量传感器在现场校准时，按实际测量区间范围进行校准。

1.2 传感器安装工艺

真空压力传感器用于被测点压力测量，多数通过接管嘴或引压管安装，引压管工艺接口的设计对测量结果有很大影响，包括引压管的开口面与气流方向对测量结果也有很大影响，如图1中所示，当管路中有气体流动时，A，D接法的引压管开口面与气流方向垂直，动压基本不产生作用，B，C，E测出的压力则受气流方向的影响。常规安装方式是真空计与被测点的位置越近越好，引压管开口应与气流方向垂直或直接插入到被测系统，且引压管应尽量粗、短、直，这样才能正确地测量出被测部位的实际压力，通常采用图1中A或D的安装方法，以读取接近于靠近中心部位或容器壁处的压力。

传统引压管采用的是M14×37°内锥形式工艺接口，其内径最小处仅为6 mm，且引压管在多次转接或存在弯管情况下，真空计无法在短时间内与被测真空环境达到动平衡，必然引起测量上的偏差。为配合高真空压力的准确测量，真空计接口采用了KF16压嘴法兰连接形式，压嘴法兰结构见图2，压嘴内径为17.2 mm，法兰面之间采取铝制支架+橡胶密封圈密封，法兰对接面外侧使用卡箍固定，KF16压嘴直接焊接在被测管路上，或者采用DN40的集气管转接，以保证真空计与被测气体的动态平衡。

1.3 真空计安装位置选择

真空计测量的结果与其在真空系统中的安装位置也有着密切的关系。高空试验系统是由多个容器串联组成的，用机械泵连接到图3所示的串联容器进行抽吸，设从容器流出的气体量为Q，抽吸速率为S，机械泵进口处压强为p。

图3中各个真空计的压力P1，P2，P3，P4要视与泵入口间的流导C1，C2，C3，C4而定，依据气体量恒定关系有：

式中：Q为容器流出的气体量，L；S为机械泵的抽吸速率，L/s；p为机械泵进口处压强；P1，P2，P3，P4为各个真空计的压力，MPa；C1，C2，C3，C4分别为P1，P2，P3，P4点至泵入口间的流导，L/s。

由（1）式可以得出：

在抽真空系统中，一般存在 S＞＞C1，S＞＞C2，S＞＞C3，则：

即容器内与管道上的真空压力与流导成反比，若管道直径一定，则真空压力与到泵口的距离成正比，安装在抽吸泵口附近的真空计测得的压力要低于远离泵口测得的压力，同时由于真空计一般都安装在容器的外壁上，测量到的压力也略高于距抽吸泵口附近和容器中心（发动机附近）的实际压力。

在实际应用中管道直径和走向有变化，串联容器的体积也不完全相同，诸多因素决定了容器和管道内的压力不是处处相同的。因此，应在容器和管道上布置一定数量的真空计，以监测真空系统工作的压力变化过程，一般容积在100 m3以下，建议模拟环境中至少安装真空计4个、抽吸管路安装2个，按照图1中A或D方式安装。某试验系统真空舱测点分布示意见图4，分别在舱体顶部的前、中、后及抽吸管道上共设置7个真空测点。真空舱壁及管道上设置的真空计类型、测量范围及用途见表1。

表1 真空舱壁及管道上真空计类型、量程、位置及用途Tab.1 Type,scale,location and application of vacuum gage on vacuum chamber wall and pipe

2 数据采集系统配置

2.1 数据采集系统

某型号高空模拟试验系统真空压力测量采用P6000太平洋数据采集系统，系统模块化结构，可以记录静态和动态数据。其中真空压力测量配置的6013模块为8通道高性能信号放大及16位AD采集板，可以提供±12 V或±15 V的直流电源，提供4阶低通Butterworth滤波器，放大器倍数1～5 000程控可设，每个通道都可提供过压保护。

电容薄膜真空计工作模式为±15 V/DC电源激励、10 V/DC输出，由1#，2#的P6000采集系统6013板同时记录，1#P6000系统的6013板提供±15 V电源激励，传感器的并联输出信号至1#，2#的P6000采集系统；电阻式真空计工作模式为220 V/AC电源激励、二次表头输出5 V/DC信号，由1#采集记录系统完成采集、记录。真空计电源激励、信号输出及设备连接图见图5。

2.2 真空计现场校准

电阻真空计及显示仪表经过二级校验，作为现场标定的标准真空计使用，采用GJC-120抽真空仪及电阻真空计对1#，2#并记的Pzk2，Pzk3电容薄膜真空计进行现场标定，系统组成见图6，标定档位按被测真空参数要求确定，档位以电阻真空计的表头显示为基准，校验一遍6档，校验时GJC-120抽真空仪抽至校验档值附近停泵，通过微调进气阀至预定数值，由1#，2#采集系统同时记录标定数据，全部档位标定结束后，对标定数据进行线性拟合得出a和b的值，以便试车中准确地记录电容薄膜真空计真空参数。

现场校准数据采用最小二乘法拟合出校准直线方程：

式中：y为校准时施加的标准值；x为测量系统输出值。

校准线的系数a和b用下式算出：

式中：xi为校准时测量系统的记录值，yi为校准时每一档所加的标准值；r为两变量之间的相关系数。

电容薄膜真空计Pzk2，Pzk3量程为200 Pa，为准确判断2 Pa真空度，特在1.0～3.5 Pa范围内进行试前现场标定，表2是Pzk2，Pzk3真空计试前并记标定的数据结果。

从表2中可以看出：1#，2#采集系统标定结果一致，现场标定的数据结果真实、有效。

3 真空压力测量系统应用

按照图4设置的Pzk1～Pzk7测点对某推力室76 km热试验的真空舱压进行了分段测量，图7为一组真空舱抽吸过程压力变化曲线，图8为发动机点火过程中的真空压力数据曲线。图7中舱压Pzk7，Pzk1～Pzk3随时间呈现出指数衰减的趋势，符合密闭容器真空获得的规律。选择的各种真空计使得从大气压至2.2 Pa分段测量区间良好地衔接，有效地监视了抽吸过程中真空压力变化。图7（c）曲线显示真空舱压在热点火前为2.2 Pa，满足发动机76 km高空点火要求。管道上Pzk2测点较Pzk3靠近机械泵组，故曲线上Pzk2点的真空压力较Pzk3点略低，符合容器舱压分布不均匀的现象。图8中舱压Pzk2～Pzk5的起伏与发动机工作、间歇同步。多个真空压力测点间的数据差异也反映了热点火过程中舱压分布并不均匀的状况。

表2 200 Pa电容薄膜真空计试前标定的数据结果Tab.2 Calibration results of diaphragm type condenser vacuum gage of 200 Pa

从几次真空系统调试和热试车结果来看，通过文中介绍的方法，采用不同类型的真空计进行测量，可以准确地反映出真空舱试前抽吸及热点火过程中的压力变化，为产品在76 km热点火试验提供判断依据，解决了热试车中高真空压力准确测量的问题，在真空压力试验测量技术研究方面取得了进步，适用于今后发动机高空模拟试验中高真空压力的测量。