航天运载液体主动力计量测试技术发展与展望

      动力是航天发展的基石。航天六院经过60余年的发展，研制了以75吨级四氧化二氮 / 偏二甲肼发动机、120吨级液氧煤油发动机和50吨级液氢液氧发动机为代表的航天运载液体主动力，支撑了国家重大航天工程的实施，奠定了我国航天大国的地位。

      液体火箭发动机系统结构复杂、功率密度高、载荷环境复杂恶劣，对其运行状态判断和性能可靠性评估均有赖于准确有效的计量校准测试。特别是在现役型号发射任务量激增、使用环境愈发复杂，新研型号技术指标高、研制周期短的新形势下，先进的计量测试手段、设备和数据应用将起到至关重要的作用。

      本文分析了液体主动力计量测试技术特点、现状及存在问题，对先进计量测试技术的需求与发展进行了展望。

一、液体主动力计量测试技术特点
      由于液体主动力装备及场景环境的特殊性，计量测试有其独特的技术特点，主要包括：

１．计量测试贯穿全研制流程全生命周期
      发动机技术指标和参数极端、内外运行机理机制复杂，决定了其研制及使用过程均须依靠测试来确认或预测对指标的满足情况，见图1。

图1液体主动力全周期测试流程

２．参数种类多、量值极端、范围宽
      被测参数包括力、力矩、转速、位移、压力、温度、流量、应变、压力脉动、振动、热流、声压、电压、电流、组分浓度、裂纹等数十种。
参数量值极端且范围宽，液氧煤油补燃循环发动机，压力、温度、流量等参数范围分别为：真空~90MPa；（90~3700）K；（0~1000）kg/s。

3. 动态参数宽频高极值
      发动机能量释放剧烈、过渡过程易产生高极值冲击，如某型发动机点火压力冲击达20MPa、振动冲击达5000g。同时，涡轮泵、燃烧组件等工作可对全系统产生超0~20kHz 的宽频激励。

4. 结构、载荷环境复杂恶劣
      发动机结构及内外部介质、流、 热、 力 载 荷 环 境 复 杂 恶 劣（如某型发动机泵振动 RMS 值达 300g、推力室喉部热流密度达40MW/m2）。此外，还存在箭台差异、天地差异等。以上因素都给发动机全面精确可靠计量测试与数据分析带来很大困难。

二、液体主动力计量测试技术现状
      多年以来，经过多行业的努力，我国液体主动力计量测试技术取得了较大的发展。研制了适应强振动环境的低温压力、高温压力、高温脉动压力、低温振动等特种传感器。研制了低温超大流量计、高转速大功率水力测功器等特种测试装置和发动电性能综合测试、极性测试等专用测试设备。开展了发动机推力动态原位校准、低温流量测量原位校准等校准系统。开展了基于光学的热力组件喷雾燃烧、泵汽蚀过程测试等研究工作。

      但是，与发达国家相比，与动力发展对计量测试技术的需求相比，我国液体主动力计量测试仍存在体系规划弱、技术基础弱、数据应用弱的问题。具体表现为：行业计量测试体系及标准建设刚刚起步，对计量测试技术发展的统筹规范作用尚未形成；核心器件性能、集成封装工艺等基础较弱，制约计量测试精度、能力提升；数据管理与应用水平较低，未充分发挥计量测试数据的价值和作用。

三、液体主动力计量测试技术发展与展望
      随着液体主动力向大推力、高性能、高可靠、重复使用、智能控制、便捷使用维护等方向发展，对计量测试技术提出了高时空分辨率、精细化、多功能多信息、高度综合化和自动化等更高要求。

1. 高可靠高精度快响应测试
      一直以来，发动机极端力热环境是影响计量测试可靠性、精度和响应特性提升的重要原因。为此，一方面需优化和完善传感器精度补偿方法、计量校准方法和封装安装工艺，提升计量测试精度，重点是低温流量、压力、应变测量等；另一方面，通过研究传感新理论、新材料、新结构、新工艺等，提升传感器固有可靠性，拓宽适用范围，包括宽温区高精度位移测量、快响应高温温度测量、全频段高精度脉动压力、振动测量、多余度传感测试等。

2. 传感器小 / 微型化、集成化
      MEMS（ 微机电系统）技术的发展， 为传感器小型、 微型化创造了条件。美 国 Silicon Microstructure Inc. 公司开发了一系列低价位、线性度 0.1%~0.65%的硅微压力传感器，敏感元件体积为微米量级，是传统传感器的几十、几百分之一。

      传感器集成化包括传感测试各环节功能的集成和多敏感元件多物理量测量的集成等两个方面。美国Honeywell公司的ST-3000系列智能传感器（芯片尺寸3mm4mm2mm）， 在同一芯片上制成 CPU、EPROM 及静压、压差、温度三种敏感元件，同时测量三种物理参数）。

      传感器小 / 微型化、集成化为液体主动力计量测试由单点向局域或全域覆盖转变提供了解决途径。

3. 无损检测
      针对液体火箭发动机使用维护和检测评估的需求，无损检测的内容包括发动机关键形貌（接口尺寸、间隙等）、结构损伤（裂纹、腐蚀等）、内腔介质成分、关键组件功能状态完好性（自动器运动副配合间隙、涡轮泵转动灵活性等）。无损检测的发展重点是原位在线、高灵敏、高稳定。原位在线主要是实现发动机实际复杂环境场景下便携式自动化检测；高灵敏检测主要指对于微泄漏、微损伤的测试，可用于早期故障的检测与诊断；高稳定则要求检测具备耐候性，受环境影响小，测量值稳定可靠。

图2 基于中红外QCL的内腔痕量气体检测

4. 计量测试系统化
      传统发动机计量测试基本是在发动机产品各阶段各状态各场景下单独考虑的，后续须向系统化转变，包括横向、纵向两个维度。横向系统化指测试与控制诊断融合、跨型号平台系统通用化等。纵向系统化指全寿命周期集成一体化，实现发动机从生产到使用各阶段计量测试系统的一致性。计量测试系统化一方面是液体主动力研发体系的需要，另一方面也是实现发动机智能控制与健康管理的基础。
需要注意的是，新兴的数字化技术，包括虚拟试验、数字孪生等也为计量测试系统化提供了新的解决思路。

5. 先进 / 特种计量测试技术
      液体火箭发动机因结构载荷环境的限制，可测试性较差，常规的计量测量手段和方法远不能满足发动机高覆盖性、精细化测试的需求。为此，需发展先进、特种计量测试技术，重点是解决发动机复杂过程或行为的计量测试，如发动机结构特性、热力组件雾化燃烧、涡轮泵间隙、泵汽蚀、运动副摩擦磨损等。近年来，已得到较好应用效果的包括燃烧光学测试诊断、基于数字图像的位移应变测量、多普勒激光器高g 值冲击测量、声表面波（SAW）无线无源传感器等。

图 3　羽流成分光谱测量

6. 计量测试标准化
      计量测试技术发展到一定程度必须进行标准化予以规范才能进一步发展，否则通用化、模块化、系列化均无从谈起。计量测试标准化的内容应涵盖计量测试技术的各个方面和环节，目标建立统一的液体火箭发动机计量测试体系结构，制定统一的标准和规范，研制通用的可编程仪器和测试模块，采用统一的软硬件接口标准。

四、结束语
      航天运载液体主动力计量测试技术涉及领域广泛、发展前景广阔，且军民融合、标准通用趋向明显，需统筹国内优势力量，共同谋划、协同攻关，推动计量测试技术成体系发展，促进液体主动力技术水平提升。