[NI技术]借助-LabVIEW、-CompactRIO-和Compact视-觉系统来升级火箭热-点火试验设备.doc

NI技术借助 LabVIEW、 CompactRIO 和Compact视 觉系统来升级火箭热 点火试验设备选择NI来为 该数据系统进行升 级，是由于该公司以 提供可靠的硬件和持 续的客户支持而享有 盛誉，而且该公司的 产品也成功地应用于 整个航天航空工 业。- Victoria Lowe, The Challenge:在高纬度环境下实时 控制和测量火箭发动 机热点火试验。The Solution:使用NI CompactRIO 硬件和 LabVIEW Real-Time 模块来控制火箭的运 行以及采集、记录和 发布温度、压力、推 力数据；在远程控制 中心使用 LabVIEW来分 析和显示这些数据； 同时使用 LabVIEW和 NI Compact视觉 系统来实时、密切地 监测真空舱的温 度。图1：真空设备Author (s):Victoria Lowe - AMPAC In- Space Propulsion (ISP)总部设在 白金汉郡的韦斯科特 创业园 (Westcott Venture Park)，是英国 设计、制造和测试用 于卫星推进系统的液 体火箭发动机的最重 要机构。AMPAC-ISP 于1945年由英国 政府建立，具有悠久 的历史，在航空航天 和国防工业中享有盛 名。 的一个独特之 处在于其用于在真空 环境下点火20N推 力单组元推进剂和双 组元推进剂火箭发动 机的设备。火箭热点火试验设备 的升级需求我们多年来一直在韦 斯科为全球的客户提 供热点火试验，现在 是时候更新这些试验 设备。由于客户日益 增长的需求，我们还 需要提升该系统，以 确保在我们在火箭发 动机市场的持续竞争 力。更高的精度、更 高的可靠性和更快速 的数据转换是三个主 要的开发需求。为了获得更好的热点 火试验结果，数字数 据采集系统是需要升 级的基本系统之一， 因而我们联系了 NI，寻求意见及协 助。我们选择NI来 为该数据系统进行升 级是由于该公司以提 供可靠的硬件和持续 的客户支持而享有盛 誉，而且该公司的产 品也成功地应用于整 个航天航空工业。而 且合作公司的长期持 续发展对我们来说也 很重要，因为这关系 着旧采集系统的维护 问题。仪器控制和数据采集热点火试验，顾名思 义就是火箭发动机处 于运行状态或使用推 进剂点火时进行 的试验。我们通常在 直径为2米的真空舱 中使用两级蒸汽喷射 器真空发动机进行测 试。测试间本身可以 模拟160000 英尺（48768 米）的海拔高度，以 仿真近太空环境条 件。每次点火的持续 时间在脉冲模式的 0.001秒和稳定 状态（连续）模式的 几个小时之间。在测试过程中，我们 必须记录大量数据。 这包括使用热电偶读 取温度值、使用压力 传感器读取压力值以 及使用测压元件读取 推力值。我们将所采 集的数据进行解读， 从而确定发动机的性 能和监测测试设备和 测试环境条件。在点火过程中，我们 还必须控制推进剂进 入发动机的量，并将 该区域的入口压力维 持在5-24 bar（73- 348 psi）。 由于发动机反应时间 相对较短，数据采集 的精度和速度至关重 要，而且实时数据采 集对于监测和控制这 种具有潜在危险的试 验也是必不可少的。 通常情况，数据采集 速率在脉冲模式点火 下大约为4 kHz，在稳态点火 下为1kHz。取决 于所执行的测试，我 们采用20-30个 数据信道。为了满足数据采集的 要求，我们选择了 NI CompactRIO系统作为硬件的核心 部分。它可兼容所有 现有的测量仪器，因 此我们使用它来接 收、处理和暂时储存 所有原始信息，之后 再将这些信息发送给 测试工程师。然后， 我们在远程控制室内 使用LabVIEW软件对数据进行解 读，并以数字和图形 方式显示数据。我们在韦斯科特进行 的很多测试都是使用 相同的设备装置，但 将嵌入式现场可编程 门阵列（FPGA） 集成至 CompactRIO 系统后，我们可以灵 活地开发硬件来满足 不断变化的需求。这 也适用于热插拔模 块，必要时我们可以 在整个测试过程中更 换硬件和设备。由于 测试设备需要安装在 非绝缘建筑内的真空 设备旁边，因而该设 备必须能够在恶劣的 环境下工作。 CompactRIO 系统具有较宽的工作 温度范围，可以满足 这一要求。即时可视的温度监测在热点火试验过程 中，我们还必须密切 监测火箭发动机的温 度，以确保该温度不 会达到材料的最高温 度限制值。这一点对 于燃烧室尤其重要， 因为燃烧室温度可超 过1200。室壁 可能会融化，而且可 能会发生爆炸。我们 还监测了火箭喷嘴的 温度分布，以确保尾 气的相对集中，避免 产生热点以及维持推 力效率。作为系统连续开发的 一部分，我们希望把 光学温度成像也纳入 客户数据集内。我们 将使用数字温度传感 相机和 Compact视觉 系统来密切、即时地 监测这些温度和更准 确地记录数据。1/5经验证的成功经过一系列成功试 验，升级后的控制和 数据采集系统证明是 非常可靠和准确，并 能够提供即时有用的 数据集。这提高了客 户满意度，并使得 AMPAC-ISP 能够在业务上继续保 持竞争力。基于在高 海拔设备所取得的成 功和数据采集系统硬 件的可靠性，我们也 将该仪器装置应用于 海平面试验站点，最 近我们在该站点上测 试和采集用于 11,100 N （1.1吨推力）发 动机的数据。Author Information:Victoria Lowe2/53/5图1：真空设备图2：测试工程师正 在控制试验设备和监 测来自控制室的数据图3：使用热成像摄 像机监测发动机的当 前温度4/5图4：在海平面试验 站点测试 11,100N推力 发动机的点火LegalThis case study (this case study) was developed by a National Instruments (NI) customer. THIS CASE STUDY IS PROVID