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作者:
Victoria Lowe - Ampac-ISP
AMPAC In-Space Propulsion (ISP)總部設在白金漢郡的韋斯科特創業園(Westcott Venture Park)，是英國設計、制造和測試用于衛星推進系統的液體火箭發動機的最重要機構。 AMPAC-ISP于1945年由英國政府建立，具有悠久的歷史，在航空航天和國防工業中享有盛名。 AMPAC-ISP的一個獨特之處在于其用于在真空環境下點火20N推力單組元推進劑和雙組元推進劑火箭發動機的設備。
火箭熱點火試驗設備的升級需求
我們多年來一直在韋斯科為全球的客戶提供熱點火試驗，現在是時候更新這些試驗設備。由于客戶日益增長的需求，我們還需要提升該系統，以確保在我們在火箭發動機市場的持續競爭力。更高的精度、更高的可靠性和更快速的數據轉換是三個主要的開發需求。
為了獲得更好的熱點火試驗結果，數字數據采集系統是需要升級的基本系統之一，因而我們聯系了NI，尋求意見及協助。我們選擇NI來為該數據系統進行升級是由于該公司以提供可靠的硬件和持續的客戶支持而享有盛譽，而且該公司的產品也成功地應用于整個航天航空工業。而且合作公司的長期持續發展對我們來說也很重要，因為這關系著舊采集系統的維護問題。
儀器控制和數據采集
熱點火試驗，顧名思義就是火箭發動機處于運行狀態或使用推進劑‘點火’時進行的試驗。我們通常在直徑為2米的真空艙中使用兩級蒸汽噴射器真空發動機進行測試。測試間本身可以模擬>160000英尺（>48768米）的海拔高度，以仿真近太空環境條件。每次點火的持續時間在脈沖模式的0.001秒和穩定狀態（連續）模式的幾個小時之間。
在測試過程中，我們必須記錄大量數據。這包括使用熱電偶讀取溫度值、使用壓力傳感器讀取壓力值以及使用測壓元件讀取推力值。我們將所采集的數據進行解讀，從而確定發動機的性能和監測測試設備和測試環境條件。
在點火過程中，我們還必須控制推進劑進入發動機的量，并將該區域的入口壓力維持在5-24 bar（73-348 psi）。由于發動機反應時間相對較短，數據采集的精度和速度至關重要，而且實時數據采集對于監測和控制這種具有潛在危險的試驗也是必不可少的。通常情況，數據采集速率在脈沖模式點火下大約為4 kHz，在穩態點火下為1kHz。取決于所執行的測試，我們采用20-30個數據信道。
為了滿足數據采集的要求，我們選擇了NI CompactRIO系統作為硬件的核心部分。它可兼容所有現有的測量儀器，因此我們使用它來接收、處理和暫時儲存所有原始信息，之后再將這些信息發送給測試工程師。然后，我們在遠程控制室內使用LabVIEW軟件對數據進行解讀，并以數字和圖形方式顯示數據。
我們在韋斯科特進行的很多測試都是使用相同的設備裝置，但將嵌入式現場可編程門陣列（FPGA）集成至CompactRIO系統后，我們可以靈活地開發硬件來滿足不斷變化的需求。這也適用于熱插拔模塊，必要時我們可以在整個測試過程中更換硬件和設備。由于測試設備需要安裝在非絕緣建筑內的真空設備旁邊，因而該設備必須能夠在惡劣的環境下工作。 CompactRIO系統具有較寬的工作溫度范圍，可以滿足這一要求。
即時可視的溫度監測
在熱點火試驗過程中，我們還必須密切監測火箭發動機的溫度，以確保該溫度不會達到材料的最高溫度限制值。這一點對于燃燒室尤其重要，因為燃燒室溫度可超過1200℃。室壁可能會融化，而且可能會發生爆炸。我們還監測了火箭噴嘴的溫度分布，以確保尾氣的相對集中，避免產生熱點以及維持推力效率。
作為系統連續開發的一部分，我們希望把光學溫度成像也納入客戶數據集內。我們將使用數字溫度傳感相機和Compact視覺系統來密切、即時地監測這些溫度和更準確地記錄數據。
經驗證的成功
經過一系列成功試驗，升級后的控制和數據采集系統證明是非常可靠和準確，并能夠提供即時有用的數據集。這提高了客戶滿意度，并使得AMPAC-ISP能夠在業務上繼續保持競爭力。基于在高海拔設備所取得的成功和數據采集系統硬件的可靠性，我們也將該儀器裝置應用于海平面試驗站點，最近我們在該站點上測試和采集用于11,100 N（1.1噸推力）發動機的數據。
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