飛機渦輪機和火箭發(fā)動機功率大、溫度高、噪音大，需要極其靈敏的測量技術(shù)。它們還有一個共同點：在恒定均勻的火焰上運行時效率最高。專業(yè)測量技術(shù)有助于航空航天工程師改進燃燒室和燃料噴射器。在瑞士，兩個雄心勃勃的學生組織利用迭代壓力測量來開發(fā)和制造效率顯著提高的下一代火箭發(fā)動機。

觀看液體火箭。

EPFL 火箭隊的學生們在觀看經(jīng)過大量火箭發(fā)動機測試后發(fā)射的液體火箭。

01、每一個成功的航空航天項目都是數(shù)年研發(fā)和無數(shù)次測試的結(jié)果。與航空航天技術(shù)的先驅(qū)們相比，今天的工程師們擁有巨大的優(yōu)勢，因為現(xiàn)代化的測試設備可以更深入地了解測試的最微小細節(jié),所獲得的數(shù)據(jù)能夠讓人深入了解物理事件，并顯著提高飛機或航天器的效率和功能。

02、在發(fā)動機領(lǐng)域，細致的洞察力會對研發(fā)工作產(chǎn)生重大影響。在燃燒室和點火室內(nèi)部，常見的不穩(wěn)定性會導致推力輸出的振蕩--這是一種不希望出現(xiàn)的效果。在火箭中，燃燒不穩(wěn)定性可能導致故障，甚至對發(fā)動機造成嚴重損壞。在噴氣發(fā)動機中，這些不穩(wěn)定性也會發(fā)生，并導致效率低下、振動和燃料消耗增加。因此，優(yōu)化燃燒室以防止這些不穩(wěn)定性，在減少排放方面大有可為。具有耐高溫性能的壓電壓力傳感器可以對這兩種應用中的不穩(wěn)定性進行密切監(jiān)測。

03、在瑞士，兩個雄心勃勃的學生團隊組織展示了如何做到這一點：來自蘇黎世聯(lián)邦理工學院（ETH）的 ARIS 和洛桑聯(lián)邦理工學院火箭隊（EPFL Rocket Team）用自己研發(fā)和制造的火箭進行了一場真正的星際競賽。他們以進入軌道為目標，在每年的國際比賽中展示自己的進步。在這一年中，這些充滿熱情的工程師們投入大量時間，甚至利用周末時間進行測試和數(shù)據(jù)評估，以改進他們的火箭發(fā)動機。專業(yè)測量設備在這些測試中發(fā)揮著不可或缺的作用。作為動態(tài)測量專家，奇石樂為這兩個團隊提供專業(yè)知識、高端壓電傳感器以及電纜、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和分析軟件等設備。

▲對燃燒室壓力的監(jiān)測為 ARIS 火箭發(fā)動機團隊提供了改進燃燒過程所需的洞察力

ARIS 測試其混合火箭--測量燃燒的動態(tài)壓力

除了小型衛(wèi)星、火箭回收系統(tǒng)和小型水下機器人之外，ARIS目前還在研究兩種不同的火箭發(fā)動機--雙液火箭發(fā)動機“普羅米修斯”和混合火箭發(fā)動機 “ASTREA”。在這兩種發(fā)動機中，學生們使用壓力傳感器來監(jiān)測和減少燃燒的不穩(wěn)定性。

在 ASTREA 的燃燒室中，固體聚合物燃料與液體氧化劑發(fā)生反應，氧化劑以細霧形式噴入。噴射壓力是火箭發(fā)動機獲得持續(xù)燃燒推力的關(guān)鍵參數(shù)。年輕的工程師們對氧化劑噴射器和燃燒之間的關(guān)系了解得越多，就越能更好地控制它?！拔覀冊谘趸瘎┻M入燃燒室的噴射器歧管腔內(nèi)放置了一個壓力傳感器。另一個放在測試噴嘴上，用于測量燃燒室的壓力?！盇STREA 混合火箭發(fā)動機團隊的硬件和軟件工程師馬蒂厄-桑多斯（Mathieu Sandoz）解釋說，“由于傳感器的位置，這種測試裝置的要求非常高：設備需要承受非常高的溫度。奇石樂為團隊提供了耐溫壓力傳感器 601CAA，這種傳感器專門設計用于高熱沖擊下的動態(tài)壓力測量。盡管如此，學生團隊還是采取了一切預防措施，確保寶貴的測量設備不會受到燃燒過程中高溫的傷害，并在首次測試中使用了一個假傳感器。為了避免直接接觸高溫氣體，我們通過通道安裝的方式安裝傳感器。此外，我們還按照奇石樂的建議，創(chuàng)建了一個通道聲學模型，以確定固有頻率并評估其對測量的影響。這一步驟非常重要，因為在這種情況下，通道的固有頻率會對燃燒室內(nèi)的測量產(chǎn)生影響?！?/p>

“壓電傳感器的高數(shù)據(jù)采集頻率使我們能夠深入了解發(fā)動機的動態(tài)特性”

▲傳感器必須能夠承受火箭發(fā)動機測試期間的極端條件

Florent Gaspoz，EPFL 火箭隊推進組組長

壓電傳感器特別適合在高溫的惡劣環(huán)境中進行動態(tài)和準靜態(tài)壓力測量。除了堅固耐用之外，它們還具有特別高的采樣頻率，可以對燃燒室內(nèi)的聲學情況進行詳細分析，并為學生們提供有關(guān)燃燒穩(wěn)定性的寶貴見解。“傳感器為我們的壓力測量提供了高采樣率。通過這些數(shù)據(jù)，我們能夠在整個測試過程中檢測到三種不同的燃燒不穩(wěn)定性。例如，我們診斷出了預燃燒室的不穩(wěn)定性，在收集到的數(shù)據(jù)的幫助下，我們能夠確定這些不穩(wěn)定性是導致發(fā)動機故障的原因。在找到問題原因后，我們迅速實施了解決方案。這使我們能夠繼續(xù)進行點火活動，而不會耽擱太多時間?！?Sandoz說到。

洛桑聯(lián)邦理工學院（EPFL）

測試雙液火箭發(fā)動機--平衡之舉

與混合燃料和固體燃料發(fā)動機相比，雙液發(fā)動機同時使用液體燃料和液體氧化劑。由于這種發(fā)動機效率更高，因此也是大多數(shù)商業(yè)火箭使用的發(fā)動機類型。不過，雙液火箭的研發(fā)在某些方面更具挑戰(zhàn)性：燃料輸送系統(tǒng)的壓力必須達到完美的平衡，以獲得恒定均勻的火焰。

不僅 ARIS 不斷進行測試以找到這種平衡，洛桑 EPFL 火箭小組也在該研究所的試驗臺上反復測試其火箭發(fā)動機，試驗臺的核心部分由 10 個來自奇石樂的耐高溫壓電傳感器組成。三個壓力傳感器測量燃燒室的壓力，另外兩個傳感器監(jiān)測乙醇和氧化劑噴射器的壓力。三個稱重傳感器測量推力板后面的力，額外的壓力傳感器和稱重傳感器監(jiān)測兩個油箱的狀態(tài)。測試臺在全功率運行時，每秒可產(chǎn)生 87MB 的測試數(shù)據(jù)，這一點也不足為奇。奇石樂公司的 KiStudio Lab 軟件包（包括 jBEAM 后處理軟件）對數(shù)據(jù)進行記錄和分析。迄今為止，團隊已在測試臺上進行了 250 多次雙液發(fā)動機測試。

▲EPFL 火箭小組花費大量時間改進火箭，特別是通過監(jiān)測燃燒室壓力

EPFL 火箭團隊推進組組長 Florent Gaspoz 解釋了為什么測量是工程設計過程的關(guān)鍵：壓電傳感器的高數(shù)據(jù)采集頻率使我們能夠深入了解發(fā)動機的動態(tài)特性?！袄?，今年夏天，我們在點燃發(fā)動機時遇到困難，無法找出問題的根源。這時，我們放大了數(shù)據(jù)，進行了真正的仔細觀察。我們發(fā)現(xiàn)，燃燒室的振蕩比噴油器的振蕩早得多。我們立即知道了如何解決這個問題，但如果沒有測量結(jié)果，我們可能找不到點火失敗的原因。幾個月后，問題再次出現(xiàn)。團隊毫不猶豫地檢查了數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)這次是氧化劑出了問題。能夠查看如此詳細的數(shù)據(jù)并從中得出結(jié)論，這真是一次奇妙的經(jīng)歷?！盕lorent Gaspoz 笑著補充道。

對整個航空航天工業(yè)產(chǎn)生影響的測量技術(shù)

奇石樂銷售專家 Reinhard Bosshard 為學生們提供了正確安裝測量鏈的技術(shù)支持。他很高興測量為學生們的項目提供了有價值的見解，并幫助他們學習?！拔覍W生們的創(chuàng)新熱情感到驚訝。他們將從自己制定測試策略、解釋測試數(shù)據(jù)和得出結(jié)論中學到很多東西--這些不僅是航天工業(yè)的重要技能，也是許多其他工程領(lǐng)域的重要技能。例如，在飛機渦輪測試中，同樣的測試會帶來非常有價值的結(jié)果?！?/p>

對于 ARIS 和 EPFL 火箭隊來說，其他挑戰(zhàn)才是第一位的，比如贏得下一屆歐洲火箭挑戰(zhàn)賽（EUROC）。在這里，這兩個瑞士團隊既是競爭者，同時也是合作者。雖然每個團隊都在用自己的火箭進行比賽，但在需要時，兩個團隊會互相幫助，并共享大型設備，例如發(fā)射軌道。歸根結(jié)底，最重要的是對航空航天工程的熱情，以及設計越來越高效的研究火箭以實現(xiàn)終極夢想的經(jīng)驗：抵達星空。