火箭发动机测试：学生团队利用奇石乐传感器改进发动机

飞机涡轮机和火箭发动机功率大、温度高、噪音大，需要极其灵敏的测量技术。它们还有一个共同点：在恒定均匀的火焰上运行时效率最高。专业测量技术有助于航空航天工程师改进燃烧室和燃料喷射器。在瑞士，两个雄心勃勃的学生组织利用迭代压力测量来开发和制造效率显著提高的下一代火箭发动机。

观看液体火箭。

EPFL 火箭队的学生们在观看经过大量火箭发动机测试后发射的液体火箭。

01、每一个成功的航空航天项目都是数年研发和无数次测试的结果。与航空航天技术的先驱们相比，今天的工程师们拥有巨大的优势，因为现代化的测试设备可以更深入地了解测试的最微小细节,所获得的数据能够让人深入了解物理事件，并显著提高飞机或航天器的效率和功能。

02、在发动机领域，细致的洞察力会对研发工作产生重大影响。在燃烧室和点火室内部，常见的不稳定性会导致推力输出的振荡--这是一种不希望出现的效果。在火箭中，燃烧不稳定性可能导致故障，甚至对发动机造成严重损坏。在喷气发动机中，这些不稳定性也会发生，并导致效率低下、振动和燃料消耗增加。因此，优化燃烧室以防止这些不稳定性，在减少排放方面大有可为。具有耐高温性能的压电压力传感器可以对这两种应用中的不稳定性进行密切监测。

03、在瑞士，两个雄心勃勃的学生团队组织展示了如何做到这一点：来自苏黎世联邦理工学院（ETH）的 ARIS 和洛桑联邦理工学院火箭队（EPFL Rocket Team）用自己研发和制造的火箭进行了一场真正的星际竞赛。他们以进入轨道为目标，在每年的国际比赛中展示自己的进步。在这一年中，这些充满热情的工程师们投入大量时间，甚至利用周末时间进行测试和数据评估，以改进他们的火箭发动机。专业测量设备在这些测试中发挥着不可或缺的作用。作为动态测量专家，奇石乐为这两个团队提供专业知识、高端压电传感器以及电缆、数据采集系统和分析软件等设备。

▲对燃烧室压力的监测为 ARIS 火箭发动机团队提供了改进燃烧过程所需的洞察力

ARIS 测试其混合火箭--测量燃烧的动态压力

除了小型卫星、火箭回收系统和小型水下机器人之外，ARIS目前还在研究两种不同的火箭发动机--双液火箭发动机“普罗米修斯”和混合火箭发动机 “ASTREA”。在这两种发动机中，学生们使用压力传感器来监测和减少燃烧的不稳定性。

在 ASTREA 的燃烧室中，固体聚合物燃料与液体氧化剂发生反应，氧化剂以细雾形式喷入。喷射压力是火箭发动机获得持续燃烧推力的关键参数。年轻的工程师们对氧化剂喷射器和燃烧之间的关系了解得越多，就越能更好地控制它。“我们在氧化剂进入燃烧室的喷射器歧管腔内放置了一个压力传感器。另一个放在测试喷嘴上，用于测量燃烧室的压力。”ASTREA 混合火箭发动机团队的硬件和软件工程师马蒂厄-桑多斯（Mathieu Sandoz）解释说，“由于传感器的位置，这种测试装置的要求非常高：设备需要承受非常高的温度。奇石乐为团队提供了耐温压力传感器 601CAA，这种传感器专门设计用于高热冲击下的动态压力测量。尽管如此，学生团队还是采取了一切预防措施，确保宝贵的测量设备不会受到燃烧过程中高温的伤害，并在首次测试中使用了一个假传感器。为了避免直接接触高温气体，我们通过通道安装的方式安装传感器。此外，我们还按照奇石乐的建议，创建了一个通道声学模型，以确定固有频率并评估其对测量的影响。这一步骤非常重要，因为在这种情况下，通道的固有频率会对燃烧室内的测量产生影响。”

“压电传感器的高数据采集频率使我们能够深入了解发动机的动态特性”

▲传感器必须能够承受火箭发动机测试期间的极端条件

Florent Gaspoz，EPFL 火箭队推进组组长

压电传感器特别适合在高温的恶劣环境中进行动态和准静态压力测量。除了坚固耐用之外，它们还具有特别高的采样频率，可以对燃烧室内的声学情况进行详细分析，并为学生们提供有关燃烧稳定性的宝贵见解。“传感器为我们的压力测量提供了高采样率。通过这些数据，我们能够在整个测试过程中检测到三种不同的燃烧不稳定性。例如，我们诊断出了预燃烧室的不稳定性，在收集到的数据的帮助下，我们能够确定这些不稳定性是导致发动机故障的原因。在找到问题原因后，我们迅速实施了解决方案。这使我们能够继续进行点火活动，而不会耽搁太多时间。” Sandoz说到。

洛桑联邦理工学院（EPFL）

测试双液火箭发动机--平衡之举

与混合燃料和固体燃料发动机相比，双液发动机同时使用液体燃料和液体氧化剂。由于这种发动机效率更高，因此也是大多数商业火箭使用的发动机类型。不过，双液火箭的研发在某些方面更具挑战性：燃料输送系统的压力必须达到完美的平衡，以获得恒定均匀的火焰。

不仅 ARIS 不断进行测试以找到这种平衡，洛桑 EPFL 火箭小组也在该研究所的试验台上反复测试其火箭发动机，试验台的核心部分由 10 个来自奇石乐的耐高温压电传感器组成。三个压力传感器测量燃烧室的压力，另外两个传感器监测乙醇和氧化剂喷射器的压力。三个称重传感器测量推力板后面的力，额外的压力传感器和称重传感器监测两个油箱的状态。测试台在全功率运行时，每秒可产生 87MB 的测试数据，这一点也不足为奇。奇石乐公司的 KiStudio Lab 软件包（包括 jBEAM 后处理软件）对数据进行记录和分析。迄今为止，团队已在测试台上进行了 250 多次双液发动机测试。

▲EPFL 火箭小组花费大量时间改进火箭，特别是通过监测燃烧室压力

EPFL 火箭团队推进组组长 Florent Gaspoz 解释了为什么测量是工程设计过程的关键：压电传感器的高数据采集频率使我们能够深入了解发动机的动态特性。“例如，今年夏天，我们在点燃发动机时遇到困难，无法找出问题的根源。这时，我们放大了数据，进行了真正的仔细观察。我们发现，燃烧室的振荡比喷油器的振荡早得多。我们立即知道了如何解决这个问题，但如果没有测量结果，我们可能找不到点火失败的原因。几个月后，问题再次出现。团队毫不犹豫地检查了数据，发现这次是氧化剂出了问题。能够查看如此详细的数据并从中得出结论，这真是一次奇妙的经历。”Florent Gaspoz 笑着补充道。

对整个航空航天工业产生影响的测量技术

奇石乐销售专家 Reinhard Bosshard 为学生们提供了正确安装测量链的技术支持。他很高兴测量为学生们的项目提供了有价值的见解，并帮助他们学习。“我对学生们的创新热情感到惊讶。他们将从自己制定测试策略、解释测试数据和得出结论中学到很多东西--这些不仅是航天工业的重要技能，也是许多其他工程领域的重要技能。例如，在飞机涡轮测试中，同样的测试会带来非常有价值的结果。”

对于 ARIS 和 EPFL 火箭队来说，其他挑战才是第一位的，比如赢得下一届欧洲火箭挑战赛（EUROC）。在这里，这两个瑞士团队既是竞争者，同时也是合作者。虽然每个团队都在用自己的火箭进行比赛，但在需要时，两个团队会互相帮助，并共享大型设备，例如发射轨道。归根结底，最重要的是对航空航天工程的热情，以及设计越来越高效的研究火箭以实现终极梦想的经验：抵达星空。