新一代运载火箭动力系统出厂测试数字化应用研究

2015-03-05航天一院天津航天长征火箭制造有限公司赵海龙毛尊富何志超

电子世界 2015年17期

航天一院天津航天长征火箭制造有限公司赵海龙徐寅毛尊富陈刚何志超

航天一院天津航天长征火箭制造有限公司赵海龙徐寅毛尊富陈刚何志超

【摘要】为了保证新一代运载火箭(CZ-5)的高可靠性，出厂测试期间要求进行动力系统测试。运载火箭出厂测试各系统均在向数字化信息化的发展，但是动力系统还是保持着传统的操作模式。因此在动力系统出厂测试实现数字化，将会对测试任务的顺利进行有很好的推动作用。本文先对出厂测试进行阐述，然后对比成熟型号动力测试的区别，突出表现了新一代运载火箭动力系统测试数字化应用的需求，最后指出了一种使用PLC作为控制器，Visual Studio作为上位机编写从而实现了动力系统测试数字化，智能化的应用方法。

【关键词】运载火箭；动力系统；数字化；PLC

引言

由于在新一代运载火箭CZ-5动力系统出厂测试所面临着与已有成熟型号所不同的工作情况，为了实现可以更加高效的、科技含量较高的测试目的，本文提出一种基于传统测试手段，实现动力系统测试人员能够和其他测试系统一样在测试后端就能够基本完成测试内容的新型数字化测试方法。

1 出厂测试概述

新一代运载火箭CZ-5出厂测试是在火箭总装完成后进行，被誉为总装工作质量保证最后一道防线，目的就是验证电气系统箭上和地面各设备状态的正确性；验证电气系统箭上和地面各设备接口是否协调、匹配；验证电气系统箭上、地面软件正确性；考核全箭电气系统测试流程和地面数据处理程序的正确性，具体流程如图1所示。新一代运载火箭CZ-5出厂测试是由控制系统、测量系统、动力系统和总体网系统等组成，动力系统测试是运载火箭出厂测试中重要组成部分，为了保证运载火箭在飞行期间能够保证安全的动力输出，它分为单元测试、分系统测试、匹配测试、总检查等内容对箭体各项技术参数进行测试。以下已CZ-5芯一级动力试车箭为例对各个测试内容进行说明。

单元测试主要完成对重要部段以及重点设备的测试。比如YF-77发动机单元测试、蓄压器单元测试等。

分系统测试及气封吹除引射测试在动力系统测试中占有很大比重，主要对舱段吹除、氦引射、氮气气封、氦气气封、氢加管吹除、氢排管吹除、氧加管吹除以及氧箱排气阀、液氧加泄阀、液氧回流控制阀、氢箱排气阀、液氢加泄阀、液氢回流控制阀控制气气封的供气压力、流量，以及单向阀工作情况进行检查测试。

动力系统匹配测试主要完成动力系统时序单步测试和氢箱自生增压匹配测试。动力系统时序单步测试主要检查控制系统、动力测控系统对增压输送系统、YF-77发动机的电磁阀的控制通路、时序，考核动力系统控制电磁阀与被控阀门的匹配性。芯一级氢箱采用三路压力传感器通过控制系统附加控制器控制并联冗余的电磁阀进行增压控制，氢箱自生增压匹配测试主要包括不带气下的模拟增压压力测试，以及带气下的动力-控制-测量匹配测试。在动力系统带气状态下氢箱自生增压匹配测试主要进行控制系统附加控制器与测量系统压力信号传输、信号处理和增压电磁阀控制逻辑的检测。氢箱自生增压匹配测试过程的模拟压力如图2所示。

图1　出厂测试流程

图2　芯一级氢箱自生增压测试压力（模拟）

2 新型号与成熟型号动力系统出厂测试对比

2.1 成熟型号动力系统出厂测试现状

我国航天运载技术经过五十多年的发展，先后成功研制了长征一号、长征二号、长征三号、长征四号等系列运载火箭。成熟型号运载火箭如：长三系列、长二系列由于都是成熟的型号具体参数如表1所示，无论从总装还是测试基本上能够熟练完成，动力系统测试内容在总装期间也基本完成，未完成的测试项目在测试期间也是很少的。比如长三甲三级需要进行发动机单元测试、常温氦气瓶增压、冷氦气瓶增压等所需人员和使用工时如表2所示。所以现役成熟型号动力系统在使用较少人员应用传统操作模式下能够高效的满足测试任务。

表1　CZ-3和CZ-2系列成熟火箭参数

表2　CZ-3A芯三级测试所需人员和工时

2.2 新型号动力系统出厂测试现状

CZ-5是我国新一代大型运载火箭，基于50t液氢/液氧发动机，主体芯级火箭采用5m直径模块，助推器采用3.35m直径模块和2.25m直径模块。其现有型号参数如表3所示。

表3　CZ-5系列火箭主要参数

从以上运载火箭参数可以看出，新一代运载火箭从芯级箭体半径到助推箭体半径都远远大于现有火箭，因此在动力系统出厂测试期间就需要使用更长、更多的地面管路为测试项目提供气源，并且在测试期间控制系统和测量系统上电测试时会有微波辐射，但是动力系统测试人员却要在离辐射源很近的地方操作，这样就为测试任务带来了更多的硬件上的限制和不安全因素，为了使动力系统出厂测试不会成为所有测试系统中工作量庞大但是效率不高的测试系统，需要对现有测试方式进行向数字化、信息化、智能化转变。

3 动力系统数字化应用方法

3.1 总体结构

为了在出厂测试使用的配气台能够远程控制，并且能够在电脑显示器上实时监测动力系统出厂测试的各个传感器所对应的数据，因此对现有手动配气台进行技术改进。该套数字化改进设备由硬件结构以及上位机软件两部分组成，上位机软件通过TCP/IP协议与控制单元以及外系统联系，具体结构如图3所示。

图3　数字化设备总体结构

3.2 硬件结构

硬件结构中利用已有的配气台进行改造作为我们这套数字化设备的配气台。将各路管路上并联加入开关两路控制电磁阀已取代手动开关手阀，保证打开关闭的准确性，同时为了消除电磁阀产生的反向电压使用电路如图4所示。

图4　电磁阀消反峰电路

控制单元作为该套设备的核心结构，主要包括控制模块、电源模块、数据采集、数据存储、数据传输以及传感器等组成，如图5所示。控制模块使用工业西门子PLC控制继电器，使用自身的CPU完成程序存储和数据处理；数据采集使用美国NI公司PXI多通道数据采集板卡；数据传输产用以太网或光纤传输；传感器位于配气台各个管路中和箭体上，通过数采模块将数据输送到PLC控制器中；电源模块为各个模块提供电源33V和28V可调电压。