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数据记录仪在航空和航天领域的应用(下)

ESCORT-3016B数据记录仪在航空和航天领域的应用(下)  
        数据记录仪最大的作用是将试验所需测得的数据准确记录下来,以便进行试验分析时为研究人员提供可靠准确的理论依据,当然还需要功能强大的数据分析软件。上篇为大家介绍了ESCORT-3016B在航空方面的实际应用,今天同样举例介绍其在航天领域的数据记录应用。
        中国是较早开展航天技术的国家之一,也是世界上第三个独立开展载人航天的国家。而且我国的运载火箭技术位于世界领先地位。1970年我国使用长征一号火箭成功发射东方红卫星,到目前为止我国共研制了12种不同类型的长征系列火箭,能发射近地轨道、地球静止轨道和太阳同步轨道的卫星。从1992年开始,我国开始了自主研发载人航天计划。从神州六号首次将我国宇航员送入天空后,中国的航天事业正在发生飞跃式的发展,在大力发展空间探测技术的同时,我国已经制定嫦娥奔月工程。
为落实太空蓝图,中国已着手研制运载能力更强的新一代火箭,新型火箭采用没有污染的液氧煤油和液氢为推进剂,载重可达到二十吨,是神六载重(八吨)的两倍多,足以将各类航天器射入距地球四十万公里的月球上去。目前,新一代运载火箭多项关键技术取得重要突破,位于古城西安的航天科技集团第六研究院对120吨级推力的液氧/煤油发动机和50吨级推力的氢氧发动机研制进展顺利。下图所示就是120吨级推力的液氧/煤油发动机。 
        1、  航天发动机测试
           上图所示的新型发动机,由西安航天发动机厂负责研制成功。一般在航天发动机的研制过程中,需要不断地对发动机的稳定性、震动影响、各部位受热情况、燃料供给、发动机工作状态等方面进行测试实验,从而改进成现在我们所看到的产品。这就需要对每次试验的项目都进行数据记录,以便能够真实模拟试验情况,从而发现问题所在。由于运载火箭一般在十几秒钟之内就可以超越第一宇宙速度,从而冲出地球,故关于发动机的常规测试时间通常控制在180S左右。比如,对一台航天发动机做性能测试时,需要了解机器不同部位的震动情况和受热,可以使用通用板对振动情况做监测,使用多路板对温度变化做监测。这样在试验中通过ESCORT-3016B将所需数据记录下来,待试验完成后将得到的数据进行分析和处理,就可以有效判断出受测发动机的性能状况。
        2、  运载火箭的组装和调试
          到目前为止,我国有两次事故是由于星箭协调原因而造成卫星发射失败。而这两次事故均因火箭在组装过程出现纰漏所致。火箭本身是由数以千计的零部件组成,只要有一个部件安装不当或者没有仔细调试,就可能使火箭无法升空。组装过程注重仔细认真,才能确保每个部件在正确的位置。调试过程关系到各个部件的协调问题,只要步调不一致,就传送给火箭一个错误的指令。所以在对火箭整体调试过程中,对各个部件都要进行认真的测试,并且需要将相关数据记录下来,例如多级捆绑式运载火箭中,各级火箭的喷发时间控制(确保一级燃烧完成后次级准时喷发),各级的脱离设计可靠性(确保多级火箭的各级在燃烧完成后自动脱落)等,在组装后都需要进行必要的调试,同时可以使用ESCORT-3016B将整个调试过程中各级火箭的动作配合过程做数据记录,完成调试后还可以利用存储的数据做模拟仿真,确保安装无误。
        3、  燃料测试
          根据推进剂的不同,火箭使用的燃料有液体与固体两种。现代火箭使用的基本都是液体燃料。液体燃料火箭引擎用的燃料有:
    - 液态氢和液态氧(用在穿梭机里)
    - 汽油和液态氧(用在哥狄早期的火箭)
    - 煤油和液态氧(用在阿波罗号的第一次加速器)
    - 酒精和液态氧(用在德国V2 号火箭)
          我国最新研制的航天发动机就是采用液氢和液氧为燃料的煤油发动机。液氢与液氧的混合比例不同,产生的燃烧效果不同,若比例失调还可能发生爆炸。所以,设计液氢和液氧的填充比例,需要反复试验燃料的混合情况,并且需要对一液氢液氧喷发到燃烧室后各自的浓度、燃烧情况、热量的多少等方面做全面的测试,此时就需要使用ESCORT-3016B对相关数据的记录工作,这样在试验结束后就根据ESCORT-3016B存储下来的数据进行试验还原和分析,有效判断试验的可靠性。
        4、  生命保障系统测试
          早期我国运载火箭基本用来发射卫星。自从载人航天计划实施以来,针对宇航员所处环境,比如留轨舱、轨道舱、推进舱、返回舱等宇宙飞船系统就需要从新研制。如何确保宇航员的生命安全是火箭中生命保障系统的关键。另外,生命保障系统还包括宇航员的太空服、相应的生理处理系统(卫生处理系统)等。总之,与宇航员息息相关的设备都划在生命保障系统中。
          比如宇航服,在外太空由于没有大气层的过滤和保温,温度一般在零下100摄氏度左右,并且充满各类辐射线,宇航服需要保证在飞船系统没有全部启动时宇航员的生命体征正常,就需要在地面模拟各种可能发生的情况,测试宇航服的保障性能,为了便于改进设计,需要对服装不同部位进行测试和数据记录。测试宇航服最重要的是宇航服关节阻尼力矩测试,宇航员在身着宇航服的情况下,保证正常活动不受限制。目前我国宇航服由哈工大负责测试,航服关节阻尼力机器人测试系统。在这个测试的过程中,可以将机器人各部位的传感器接入到ESCORT-3016B,通过电脑控制机器人的运动,将此时传感器得到的信号记录到ESCORT-3016B中,完成指定动作后,将ESCORT-3016B记录的数据提取到计算机中分析,就能够对航天服的关节阻尼情况作出正确判断。
         5、  航天器表面测试
          运载火箭携带卫星或宇宙飞船冲破大气层摆脱地球引力,高速运行时会与大气层发生大量的摩擦,普通金属材料如钛合金、铝合金在摩擦一段时间就会燃烧,对航天器本身产生影响。目前通用的方法是在航天器表面加涂一层吸热快能够自然脱落的材料,比如复合式的陶瓷,在温度达到一定程度后这种陶瓷就携带热量自动剥离,保证航天器正常运行。但在航天器上升阶段中的大量热量产生过程时间比较短暂,如何保证陶瓷在正确的时间脱落是较为复杂的问题。所以会对航天器表面材料做相关的测试,添加不同材质以确保火箭正常运行。
        6、  逃逸系统测试
          火箭的逃逸系统由逃逸塔、上部整流罩、栅格翼及其释放装置、上支撑机构、下支撑机构和灭火装置组成。逃逸系统作用是在火箭起飞前900秒到起飞后160秒时间内,也就是飞行高度在0~110千米的区间,万一火箭发生故障,它可以拽着轨道舱和返回舱与火箭分离,并降落在安全地带,帮助飞船上的航天员脱离险境。逃逸系统中最重要的是逃逸塔,宇航员与此塔返回地面。如何保证逃逸塔能够在数千米的高空滑翔到地面,救生伞的可靠性和塔本身的坚固性很重要,在对逃逸塔做验证性试验时,再塔内固定ESCORT-3016B并通过它对塔内设备缓冲能力、塔外侧抗撞击能力等参数做数据记录,之后通过实验数据分析出逃逸塔的可靠程度,从而进行下一步改进和设计。
          逃逸系统本身是一个完整的飞行器系统,具有逃逸发动机。这种发动机与其他航空航天发动机不同,需要在非常快速地开启到工作状态,对于逃逸发动机的测试,就可以使用ESCORT-3016B数据记录仪记录相关数据从而掌握整个发动机的性能。另外对于整个逃逸系统的可靠性测试也非常重要,各个部件间必须高度地协调,确保逃逸系统在火箭发生意外情况能够安全营救宇航员,使损失降到最低。所以在逃逸系统的调试过程中,同样能够ESCORT-3016B记录、监测相关的数据情况。
 
          以上简单举例叙述了在航空航天领域对数据记录有需求的地方,这个行业本身的特点决定了相关产品的研发和调试过程对各个部件都需要详细的数据记录,以确保所有工作准确无误。另外由于行业的重要性,该行业还有许许多多的地方有数据记录的应用空间,在这里我就不一一指出。

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