動力是航天發(fā)展的基石。航天六院經(jīng)過60余年的發(fā)展，研制了以75噸級四氧化二氮 / 偏二甲肼發(fā)動機、120噸級液氧煤油發(fā)動機和50噸級液氫液氧發(fā)動機為代表的航天運載液體主動力，支撐了國家重大航天工程的實施，奠定了我國航天大國的地位。

      液體火箭發(fā)動機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功率密度高、載荷環(huán)境復(fù)雜惡劣，對其運行狀態(tài)判斷和性能可靠性評估均有賴于準(zhǔn)確有效的計量校準(zhǔn)測試。特別是在現(xiàn)役型號發(fā)射任務(wù)量激增、使用環(huán)境愈發(fā)復(fù)雜，新研型號技術(shù)指標(biāo)高、研制周期短的新形勢下，先進的計量測試手段、設(shè)備和數(shù)據(jù)應(yīng)用將起到至關(guān)重要的作用。

      本文分析了液體主動力計量測試技術(shù)特點、現(xiàn)狀及存在問題，對先進計量測試技術(shù)的需求與發(fā)展進行了展望。

一、液體主動力計量測試技術(shù)特點
      由于液體主動力裝備及場景環(huán)境的特殊性，計量測試有其獨特的技術(shù)特點，主要包括：

１．計量測試貫穿全研制流程全生命周期
      發(fā)動機技術(shù)指標(biāo)和參數(shù)極端、內(nèi)外運行機理機制復(fù)雜，決定了其研制及使用過程均須依靠測試來確認(rèn)或預(yù)測對指標(biāo)的滿足情況，見圖1。

圖1液體主動力全周期測試流程

２．參數(shù)種類多、量值極端、范圍寬
      被測參數(shù)包括力、力矩、轉(zhuǎn)速、位移、壓力、溫度、流量、應(yīng)變、壓力脈動、振動、熱流、聲壓、電壓、電流、組分濃度、裂紋等數(shù)十種。
參數(shù)量值極端且范圍寬，液氧煤油補燃循環(huán)發(fā)動機，壓力、溫度、流量等參數(shù)范圍分別為：真空~90MPa；（90~3700）K；（0~1000）kg/s。

3. 動態(tài)參數(shù)寬頻高極值
      發(fā)動機能量釋放劇烈、過渡過程易產(chǎn)生高極值沖擊，如某型發(fā)動機點火壓力沖擊達20MPa、振動沖擊達5000g。同時，渦輪泵、燃燒組件等工作可對全系統(tǒng)產(chǎn)生超0~20kHz 的寬頻激勵。

4. 結(jié)構(gòu)、載荷環(huán)境復(fù)雜惡劣
      發(fā)動機結(jié)構(gòu)及內(nèi)外部介質(zhì)、流、 熱、 力 載 荷 環(huán) 境 復(fù) 雜 惡 劣（如某型發(fā)動機泵振動 RMS 值達 300g、推力室喉部熱流密度達40MW/m2）。此外，還存在箭臺差異、天地差異等。以上因素都給發(fā)動機全面精確可靠計量測試與數(shù)據(jù)分析帶來很大困難。

二、液體主動力計量測試技術(shù)現(xiàn)狀
      多年以來，經(jīng)過多行業(yè)的努力，我國液體主動力計量測試技術(shù)取得了較大的發(fā)展。研制了適應(yīng)強振動環(huán)境的低溫壓力、高溫壓力、高溫脈動壓力、低溫振動等特種傳感器。研制了低溫超大流量計、高轉(zhuǎn)速大功率水力測功器等特種測試裝置和發(fā)動電性能綜合測試、極性測試等專用測試設(shè)備。開展了發(fā)動機推力動態(tài)原位校準(zhǔn)、低溫流量測量原位校準(zhǔn)等校準(zhǔn)系統(tǒng)。開展了基于光學(xué)的熱力組件噴霧燃燒、泵汽蝕過程測試等研究工作。

      但是，與發(fā)達國家相比，與動力發(fā)展對計量測試技術(shù)的需求相比，我國液體主動力計量測試仍存在體系規(guī)劃弱、技術(shù)基礎(chǔ)弱、數(shù)據(jù)應(yīng)用弱的問題。具體表現(xiàn)為：行業(yè)計量測試體系及標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)剛剛起步，對計量測試技術(shù)發(fā)展的統(tǒng)籌規(guī)范作用尚未形成；核心器件性能、集成封裝工藝等基礎(chǔ)較弱，制約計量測試精度、能力提升；數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用水平較低，未充分發(fā)揮計量測試數(shù)據(jù)的價值和作用。

三、液體主動力計量測試技術(shù)發(fā)展與展望
      隨著液體主動力向大推力、高性能、高可靠、重復(fù)使用、智能控制、便捷使用維護等方向發(fā)展，對計量測試技術(shù)提出了高時空分辨率、精細(xì)化、多功能多信息、高度綜合化和自動化等更高要求。

1. 高可靠高精度快響應(yīng)測試
      一直以來，發(fā)動機極端力熱環(huán)境是影響計量測試可靠性、精度和響應(yīng)特性提升的重要原因。為此，一方面需優(yōu)化和完善傳感器精度補償方法、計量校準(zhǔn)方法和封裝安裝工藝，提升計量測試精度，重點是低溫流量、壓力、應(yīng)變測量等；另一方面，通過研究傳感新理論、新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝等，提升傳感器固有可靠性，拓寬適用范圍，包括寬溫區(qū)高精度位移測量、快響應(yīng)高溫溫度測量、全頻段高精度脈動壓力、振動測量、多余度傳感測試等。

2. 傳感器小 / 微型化、集成化
      MEMS（ 微機電系統(tǒng)）技術(shù)的發(fā)展， 為傳感器小型、 微型化創(chuàng)造了條件。美 國 Silicon Microstructure Inc. 公司開發(fā)了一系列低價位、線性度 0.1%~0.65%的硅微壓力傳感器，敏感元件體積為微米量級，是傳統(tǒng)傳感器的幾十、幾百分之一。

      傳感器集成化包括傳感測試各環(huán)節(jié)功能的集成和多敏感元件多物理量測量的集成等兩個方面。美國Honeywell公司的ST-3000系列智能傳感器（芯片尺寸3mm4mm2mm）， 在同一芯片上制成 CPU、EPROM 及靜壓、壓差、溫度三種敏感元件，同時測量三種物理參數(shù)）。

      傳感器小 / 微型化、集成化為液體主動力計量測試由單點向局域或全域覆蓋轉(zhuǎn)變提供了解決途徑。

3. 無損檢測
      針對液體火箭發(fā)動機使用維護和檢測評估的需求，無損檢測的內(nèi)容包括發(fā)動機關(guān)鍵形貌（接口尺寸、間隙等）、結(jié)構(gòu)損傷（裂紋、腐蝕等）、內(nèi)腔介質(zhì)成分、關(guān)鍵組件功能狀態(tài)完好性（自動器運動副配合間隙、渦輪泵轉(zhuǎn)動靈活性等）。無損檢測的發(fā)展重點是原位在線、高靈敏、高穩(wěn)定。原位在線主要是實現(xiàn)發(fā)動機實際復(fù)雜環(huán)境場景下便攜式自動化檢測；高靈敏檢測主要指對于微泄漏、微損傷的測試，可用于早期故障的檢測與診斷；高穩(wěn)定則要求檢測具備耐候性，受環(huán)境影響小，測量值穩(wěn)定可靠。

圖2 基于中紅外QCL的內(nèi)腔痕量氣體檢測

4. 計量測試系統(tǒng)化
      傳統(tǒng)發(fā)動機計量測試基本是在發(fā)動機產(chǎn)品各階段各狀態(tài)各場景下單獨考慮的，后續(xù)須向系統(tǒng)化轉(zhuǎn)變，包括橫向、縱向兩個維度。橫向系統(tǒng)化指測試與控制診斷融合、跨型號平臺系統(tǒng)通用化等?？v向系統(tǒng)化指全壽命周期集成一體化，實現(xiàn)發(fā)動機從生產(chǎn)到使用各階段計量測試系統(tǒng)的一致性。計量測試系統(tǒng)化一方面是液體主動力研發(fā)體系的需要，另一方面也是實現(xiàn)發(fā)動機智能控制與健康管理的基礎(chǔ)。
需要注意的是，新興的數(shù)字化技術(shù)，包括虛擬試驗、數(shù)字孿生等也為計量測試系統(tǒng)化提供了新的解決思路。

5. 先進 / 特種計量測試技術(shù)
      液體火箭發(fā)動機因結(jié)構(gòu)載荷環(huán)境的限制，可測試性較差，常規(guī)的計量測量手段和方法遠(yuǎn)不能滿足發(fā)動機高覆蓋性、精細(xì)化測試的需求。為此，需發(fā)展先進、特種計量測試技術(shù)，重點是解決發(fā)動機復(fù)雜過程或行為的計量測試，如發(fā)動機結(jié)構(gòu)特性、熱力組件霧化燃燒、渦輪泵間隙、泵汽蝕、運動副摩擦磨損等。近年來，已得到較好應(yīng)用效果的包括燃燒光學(xué)測試診斷、基于數(shù)字圖像的位移應(yīng)變測量、多普勒激光器高g 值沖擊測量、聲表面波（SAW）無線無源傳感器等。

圖 3　羽流成分光譜測量

6. 計量測試標(biāo)準(zhǔn)化
      計量測試技術(shù)發(fā)展到一定程度必須進行標(biāo)準(zhǔn)化予以規(guī)范才能進一步發(fā)展，否則通用化、模塊化、系列化均無從談起。計量測試標(biāo)準(zhǔn)化的內(nèi)容應(yīng)涵蓋計量測試技術(shù)的各個方面和環(huán)節(jié)，目標(biāo)建立統(tǒng)一的液體火箭發(fā)動機計量測試體系結(jié)構(gòu)，制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，研制通用的可編程儀器和測試模塊，采用統(tǒng)一的軟硬件接口標(biāo)準(zhǔn)。

四、結(jié)束語
      航天運載液體主動力計量測試技術(shù)涉及領(lǐng)域廣泛、發(fā)展前景廣闊，且軍民融合、標(biāo)準(zhǔn)通用趨向明顯，需統(tǒng)籌國內(nèi)優(yōu)勢力量，共同謀劃、協(xié)同攻關(guān)，推動計量測試技術(shù)成體系發(fā)展，促進液體主動力技術(shù)水平提升。