计量服务产业经典案例:突破火箭发动机喷注器环小孔测量技术瓶颈
来源:   发布日期:2018-12-14   查看次数:80 次
 

 项目背景

 

航天发动机作为运载火箭、导弹武器的“心脏”,同航空发动机一样,被誉为“工业皇冠上的明珠”,代表着当今世界先进制造领域的顶尖技术,其设计制造难度大、门槛高,甚至于美国也需要从俄罗斯进口火箭发动机。火箭发动机是航天发动机家族中研发生产历史最为悠久、也是当前推力最大的发动机,其中推力室喷注器是发动机实现动力功能的最关键部件,主要用于组织推进剂的分布、雾化和混合,并保证推进剂在燃烧室中按设计要求的混合比稳定地燃烧。因此,喷注器环小孔的加工精度及测量数据的准确性,对推力室的燃烧稳定性有至关重要的影响,直接决定着一台发动机的整体性能,甚至影响动力试车试验和飞行的成败。

 

 问题导向

 

常规火箭发动机喷注器结构上,有上千个中心对称、环状分布的喷注孔,且与端面呈特定倾斜角度,加工工艺复杂;当喷注器环小孔相错度偏大时形成的两股射流的撞击点会发生错位,对雾化锥的对称性及液滴的均匀性构成不利影响,最终导致较高的燃烧振荡,从而产生较大的推力室振动,严重的会造成发动机薄弱部位的破坏,影响发动机工作的可靠性。喷注器环小孔具有孔径小、几何精度要求高、空间结构复杂、数量多等四大特点,喷注器环小孔数量多达2706个,直径小(最小0.7mm),而且全部为两两相交的斜孔,不仅加工工艺复杂、难度大,其公差检测的难度也极大。


目前,火箭发动机喷注器环小孔产品检测中,主要通过常规方法测量,即使用工装、销棒、高度尺等传统量具进行一致性、符合性检测。这种传统方法的问题在于,一是喷注器环小孔的检测效率低,周期较长,严重影响交付进度,至少需要10个工作日以上,无法满足高密度生产交付需求;二是传统检测只能定性测试,数据单一,无法满足统计分析要求;三是传统检测无法进行全参数的精确测量,夹角、撞击高度、相错度等关键参数无法准确测量,无法满足型号关键重要参数检测全覆盖的质量要求。


 技术研究

 

(一)推进过程


为解决火箭发动机研制生产中喷注器环小孔的精密、快速测量难题,国家运载火箭产业计量中心(以下简称“中心”)作为火箭运载产业的计量测试技术攻关机构,首先以“先进激光精密测量技术创新团队”为核心,作为核心技术的攻关团队;其次中心团队充分调研了国内外火箭发动机喷注器环小孔结构测量技术研究现状;然后在近年来国家科技部重大科学仪器设备开发专项、国家质量技术基础、中英国际合作课题等项目技术研究积累的基础上,提出了“基于模型的全自动光学智能测量”的技术方案;最后中心团队规划了“测得准、测得快、分析得快、可溯源”四步走的研究思路。


(二)技术攻关


中心先进激光精密测量技术创新团队突破了多项关键技术研究。一是突破了基于激光编码、多位置平差优化算法的高精度标定关键技术,实现了机器人、自定位转台等多传感系统全参数精密标定及数据融合,进而实现了喷注器环小孔复杂结构多参数的准确测量;二是突破了基于多维度模型的测量要素识别定位及路径规划技术,实现了快速测量;三是实现了基于海量坐标点云数据的多参数分析算法,开发了基于模型驱动的三维点云处理分析专用软件,实现了喷注器环小孔结构参数的自动化、快速分析;四是研究测量系统的校准溯源方法,并研制了专用校准器,解决测量系统校准溯源、数据可信的问题。中心团队通过将高精度激光扫描传感器、自定位转台、工业机器人整合成一个测量系统,实现了自动化测量,为实现高效快速测量搭好了硬件平台。


 服务效果

 

中心先进激光精密测量技术创新团队在5个月的时间内,一是团队研制出了一套火箭发动机喷注器环小孔自动化扫描测量系统,实现火箭发动机喷注孔环小孔复杂结构孔径、夹角、撞击高度、相错度、倒角等参数的全自动测量分析。二是团队进行了测量结果比对,通过与火箭发动机厂通力合作,与传统手工测量结果进行比对分析,从设计要求、工艺需求、测量效率等多方面进行了多轮次优化改进。三是团队进行了试验验证,采用多套喷注器环样品,进行了测量方法的验证试验,并进行了重复性、稳定性测量实验。试验数据表明系统具有较好的测量重复性、稳定性,最终测量系统实现了测量准确度、测量效率上的重大突破。经过实验验证,测量单套发动机喷注器环小孔时间由10天压缩到 2.5小时以内,而且孔径、夹角、撞击高度、相错度等关键技术指标测量结果和手工检测验证结果一致性在95%以上,解决了喷注器复杂结构参数的快速、高效准确测量问题,为型号发动机研制生产中工艺提升找到了可行的解决方法。

本文选自《计量服务产业经典案例20例》

 

国家市场监督管理总局计量司 组编

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