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

觀看液體火箭。

EPFL 火箭隊(duì)的學(xué)生們?cè)谟^看經(jīng)過大量火箭發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試后發(fā)射的液體火箭。

01、每一個(gè)成功的航空航天項(xiàng)目都是數(shù)年研發(fā)和無數(shù)次測(cè)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(shì)，因?yàn)楝F(xiàn)代化的測(cè)試設(shè)備可以更深入地了解測(cè)試的最微小細(xì)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(jī)或航天器的效率和功能。

02、在發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，細(xì)致的洞察力會(huì)對(duì)研發(fā)工作產(chǎn)生重大影響。在燃燒室和點(diǎn)火室內(nèi)部，常見的不穩(wěn)定性會(huì)導(dǎo)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(dǎo)致故障，甚至對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成嚴(yán)重?fù)p壞。在噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)中，這些不穩(wěn)定性也會(huì)發(fā)生，并導(dǎo)致效率低下、振動(dòng)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(duì)這兩種應(yīng)用中的不穩(wěn)定性進(jìn)行密切監(jiān)測(cè)。

03、在瑞士，兩個(gè)雄心勃勃的學(xué)生團(tuán)隊(duì)組織展示了如何做到這一點(diǎn)：來自蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH）的 ARIS 和洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院火箭隊(duì)（EPFL Rocket Team）用自己研發(fā)和制造的火箭進(jìn)行了一場(chǎng)真正的星際競(jìng)賽。他們以進(jìn)入軌道為目標(biāo)，在每年的國(guó)際比賽中展示自己的進(jìn)步。在這一年中，這些充滿熱情的工程師們投入大量時(shí)間，甚至利用周末時(shí)間進(jìn)行測(cè)試和數(shù)據(jù)評(píng)估，以改進(jìn)他們的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。專業(yè)測(cè)量設(shè)備在這些測(cè)試中發(fā)揮著不可或缺的作用。作為動(dòng)態(tài)測(cè)量專家，奇石樂為這兩個(gè)團(tuán)隊(duì)提供專業(yè)知識(shí)、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(shè)備。

▲對(duì)燃燒室壓力的監(jiān)測(cè)為 ARIS 火箭發(fā)動(dòng)機(jī)團(tuán)隊(duì)提供了改進(jìn)燃燒過程所需的洞察力

ARIS 測(cè)試其混合火箭--測(cè)量燃燒的動(dòng)態(tài)壓力

除了小型衛(wèi)星、火箭回收系統(tǒng)和小型水下機(jī)器人之外，ARIS目前還在研究?jī)煞N不同的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)--雙液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)“普羅米修斯”和混合火箭發(fā)動(dòng)機(jī) “ASTREA”。在這兩種發(fā)動(dòng)機(jī)中，學(xué)生們使用壓力傳感器來監(jiān)測(cè)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(yīng)，氧化劑以細(xì)霧形式噴入。噴射壓力是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)獲得持續(xù)燃燒推力的關(guān)鍵參數(shù)。年輕的工程師們對(duì)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?cè)谘趸瘎┻M(jìn)入燃燒室的噴射器歧管腔內(nèi)放置了一個(gè)壓力傳感器。另一個(gè)放在測(cè)試噴嘴上，用于測(cè)量燃燒室的壓力?！盇STREA 混合火箭發(fā)動(dòng)機(jī)團(tuán)隊(duì)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(cè)試裝置的要求非常高：設(shè)備需要承受非常高的溫度。奇石樂為團(tuán)隊(duì)提供了耐溫壓力傳感器 601CAA，這種傳感器專門設(shè)計(jì)用于高熱沖擊下的動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量。盡管如此，學(xué)生團(tuán)隊(duì)還是采取了一切預(yù)防措施，確保寶貴的測(cè)量設(shè)備不會(huì)受到燃燒過程中高溫的傷害，并在首次測(cè)試中使用了一個(gè)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(gè)通道聲學(xué)模型，以確定固有頻率并評(píng)估其對(duì)測(cè)量的影響。這一步驟非常重要，因?yàn)樵谶@種情況下，通道的固有頻率會(huì)對(duì)燃燒室內(nèi)的測(cè)量產(chǎn)生影響。”

“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(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性”

▲傳感器必須能夠承受火箭發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試期間的極端條件

Florent Gaspoz，EPFL 火箭隊(duì)推進(jìn)組組長(zhǎng)

壓電傳感器特別適合在高溫的惡劣環(huán)境中進(jìn)行動(dòng)態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)壓力測(cè)量。除了堅(jiān)固耐用之外，它們還具有特別高的采樣頻率，可以對(duì)燃燒室內(nèi)的聲學(xué)情況進(jìn)行詳細(xì)分析，并為學(xué)生們提供有關(guān)燃燒穩(wěn)定性的寶貴見解?！皞鞲衅鳛槲覀兊膲毫y(cè)量提供了高采樣率。通過這些數(shù)據(jù)，我們能夠在整個(gè)測(cè)試過程中檢測(cè)到三種不同的燃燒不穩(wěn)定性。例如，我們?cè)\斷出了預(yù)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(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)故障的原因。在找到問題原因后，我們迅速實(shí)施了解決方案。這使我們能夠繼續(xù)進(jìn)行點(diǎn)火活動(dòng)，而不會(huì)耽擱太多時(shí)間?！?Sandoz說到。

洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）

測(cè)試雙液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)--平衡之舉

與混合燃料和固體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)相比，雙液發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)使用液體燃料和液體氧化劑。由于這種發(fā)動(dòng)機(jī)效率更高，因此也是大多數(shù)商業(yè)火箭使用的發(fā)動(dòng)機(jī)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(dá)到完美的平衡，以獲得恒定均勻的火焰。

不僅 ARIS 不斷進(jìn)行測(cè)試以找到這種平衡，洛桑 EPFL 火箭小組也在該研究所的試驗(yàn)臺(tái)上反復(fù)測(cè)試其火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，試驗(yàn)臺(tái)的核心部分由 10 個(gè)來自奇石樂的耐高溫壓電傳感器組成。三個(gè)壓力傳感器測(cè)量燃燒室的壓力，另外兩個(gè)傳感器監(jiān)測(cè)乙醇和氧化劑噴射器的壓力。三個(gè)稱重傳感器測(cè)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(cè)兩個(gè)油箱的狀態(tài)。測(cè)試臺(tái)在全功率運(yùn)行時(shí)，每秒可產(chǎn)生 87MB 的測(cè)試數(shù)據(jù)，這一點(diǎn)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和分析。迄今為止，團(tuán)隊(duì)已在測(cè)試臺(tái)上進(jìn)行了 250 多次雙液發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試。

▲EPFL 火箭小組花費(fèi)大量時(shí)間改進(jìn)火箭，特別是通過監(jiān)測(cè)燃燒室壓力

EPFL 火箭團(tuán)隊(duì)推進(jìn)組組長(zhǎng) Florent Gaspoz 解釋了為什么測(cè)量是工程設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性。“例如，今年夏天，我們?cè)邳c(diǎn)燃發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)遇到困難，無法找出問題的根源。這時(shí)，我們放大了數(shù)據(jù)，進(jìn)行了真正的仔細(xì)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(gè)問題，但如果沒有測(cè)量結(jié)果，我們可能找不到點(diǎn)火失敗的原因。幾個(gè)月后，問題再次出現(xiàn)。團(tuán)隊(duì)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(xì)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(bǔ)充道。

對(duì)整個(gè)航空航天工業(yè)產(chǎn)生影響的測(cè)量技術(shù)

奇石樂銷售專家 Reinhard Bosshard 為學(xué)生們提供了正確安裝測(cè)量鏈的技術(shù)支持。他很高興測(cè)量為學(xué)生們的項(xiàng)目提供了有價(jià)值的見解，并幫助他們學(xué)習(xí)。“我對(duì)學(xué)生們的創(chuàng)新熱情感到驚訝。他們將從自己制定測(cè)試策略、解釋測(cè)試數(shù)據(jù)和得出結(jié)論中學(xué)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(jī)渦輪測(cè)試中，同樣的測(cè)試會(huì)帶來非常有價(jià)值的結(jié)果?！?/p>

對(duì)于 ARIS 和 EPFL 火箭隊(duì)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(gè)瑞士團(tuán)隊(duì)既是競(jìng)爭(zhēng)者，同時(shí)也是合作者。雖然每個(gè)團(tuán)隊(duì)都在用自己的火箭進(jìn)行比賽，但在需要時(shí)，兩個(gè)團(tuán)隊(duì)會(huì)互相幫助，并共享大型設(shè)備，例如發(fā)射軌道。歸根結(jié)底，最重要的是對(duì)航空航天工程的熱情，以及設(shè)計(jì)越來越高效的研究火箭以實(shí)現(xiàn)終極夢(mèng)想的經(jīng)驗(yàn)：抵達(dá)星空。