Tên lửa & Thiết bị bay<br />
<br />
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐO ĐA NĂNG<br />
ĐỘNG LỰC SỬ DỤNG TRONG THỬ NGHIỆM<br />
ĐỘNG CƠ TÊN LỬA<br />
Phạm Nhật Quang*, Đào Mộng Lâm<br />
Tóm tắt: Bài báo trình bày phương pháp nghiên cứu, chế tạo hệ thống đo đa<br />
năng sử dụng trong thử nghiệm động cơ tên lửa. Sử dụng phương pháp tính toán<br />
thiết kế, xây dựng được hệ thống đo và kiểm tra bằng thực nghiệm. Kết quả nghiên<br />
cứu được sử dụng đo các tham số lực đẩy, áp suất các loại động cơ tên lửa đảm<br />
bảo độ chính xác cao.<br />
Từ khóa: Hệ thống thử nghiệm vũ khí; Hệ thống đo đa năng động lực tên lửa.<br />
<br />
1. MỞ ĐẦU<br />
Thử nghiệm động cơ tên lửa để đánh giá, so sánh các chỉ tiêu giữa thực tế và lý<br />
thuyết cần phải đạt. Thiết bị đo của các hãng như Dewetron, Dasim , v.v. có nhiều<br />
kênh đầu vào, sử dụng đa dạng các cảm biến đo của các hãng như: Kyowa, Zemic,<br />
Gantner, HBM, Hansford. Hệ thống đo được chế tạo đưới dạng tích hợp như một<br />
máy tính với các mô đun xử lý, card giao tiếp, phần mềm [1], [3] .Các hệ đo này<br />
được sử dụng nhiều trong các trung tâm kiểm định, phòng thí nghiệm, thử nghiệm<br />
ít có sự di chuyển thiết bị đo, không có nhiều rủi ro trong quá trình thử nghiệm.<br />
Quá trình thử nghiệm động cơ tên lửa gồm nhiều đợt khác nhau, với các rủi ro<br />
như: cháy nổ động cơ, đầu đo bị quá tải và nhiều nguyên nhân dẫn đến mất an toàn<br />
khác. Thiết bị đo phải cơ động trong quá trình triển khai, hoạt động ổn định, chính<br />
xác, dễ dàng phân tích, đánh giá dữ liệu, có khả năng xuất kết quả đo ngay sau khi<br />
thử nghiệm. Khi xảy ra hỏng hóc, có thể xác định, xử lý kịp thời, nhanh chóng.<br />
Bài báo trình bày phương pháp nghiên cứu, chế tạo hệ thống đo đa năng sử<br />
dụng trong thử nghiệm động cơ tên lửa [2], [4]. Hệ thống gồm bốn kênh đo với đầu<br />
vào là các cảm biến lực đẩy, áp suất, ngoài ra còn có thể xác định được thời gian<br />
điểm hỏa, thời gian tên lửa rời bệ (ví dụ thời điểm vũ khí FMV dời bệ khi bắn thử<br />
nghiệm, thời gian điểm hỏa động cơ tên lửa,…). Hệ thống đo sau khi chế tạo sẽ<br />
được hiệu chỉnh đồng bộ với các cảm biến lực đẩy, áp suất trong phòng thí nghiệm<br />
và được hiệu chuẩn, kiểm định để đảm bảo độ tin cậy, độ chính xác, đáp ứng được<br />
các yêu cầu về thử nghiệm.<br />
Hệ thống đo được sử dụng các cảm biến lực có đầu vào đến 15 kN, với 02 đầu<br />
vào cảm biến áp suất đến 500 bar, thời gian hoạt động của động cơ đo được từ mili<br />
giây (ms) do đó hoàn toàn sử dụng được trong thử nghiệm hầu hết các loại động cơ<br />
tên lửa. Hệ số khuếch đại được hiệu chỉnh với từng cảm biến đảm bảo độ chính xác<br />
của phép đo. Hệ thống đo được phát triển và tùy chỉnh theo từng thành phần cấu<br />
thành, do đó khi xảy ra lỗi hoặc hỏng hóc, rất dễ dàng kiểm tra, xác định và khắc<br />
phục trong thời gian ngắn nhất. Với việc sử dụng card ADC 1616HS-BNC nhỏ gọn<br />
kết nối với máy tính xách tay qua cổng USB, phần mềm dễ dàng cấu hình, thiết lập<br />
các giao diện điều khiển và hiển thị phù hợp với từng loại động cơ tên lửa. Kết quả<br />
đo được phân tích dưới dạng đồ thị, hiển thị các thông số cần thiết (tổng xung, giá<br />
<br />
<br />
<br />
172 P. N. Quang, Đ. M. Lâm, “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống đo … động cơ tên lửa.”<br />
Nghiên cứu khoa học công nghệ<br />
<br />
trị cực đại, giá trị trung bình, thời gian của từng giai đoạn hoạt động của động cơ<br />
tên lửa,…), kết quả này được lưu trữ hoặc in ấn ngay sau khi thử nghiệm.<br />
2. NỘI DUNG<br />
2.1. Cấu trúc hệ thống đo đa năng động lực tên lửa<br />
Hệ thống đo đa năng sử dụng trong thử nghiệm tên lửa có cấu trúc như trên<br />
hình vẽ;<br />
CẢM BIẾN CAB 1-200m CH 0<br />
CDV-F<br />
ĐO LỰC<br />
<br />
CẢM BIẾN CAB 2-200m CDV-AS 1 CH 1<br />
ÁP SUẤT 1 CARD<br />
ADC USB-<br />
MÁY TÍNH<br />
CẢM BIẾN CAB 3-200m CH 2 1616HS-<br />
CDV-AS 2 BNC<br />
ÁP SUẤT 2<br />
<br />
BỘ PHẬN CAB CH 3<br />
TRIGER<br />
ĐIỂM HỎA4<br />
ĐỘNG CƠ TÊN LỬA ĐIỀU KHIỂN ĐO<br />
<br />
Hình 1. Sơ đồ hệ thống đo đa năng động lực tên lửa.<br />
Hình 1 là sơ đồ hệ thống đo đa năng động lực tên lửa với 04 kênh đo (01 kênh<br />
lực đẩy động cơ, 02 kênh áp suất buồng đốt, 01 kênh xác định thời gian điểm hỏa).<br />
Các cảm biến đo lực đẩy, áp suất được thiết kế, chế tạo theo đặc trưng của hệ bậc<br />
hai, phù hợp với động cơ tên lửa cần thử nghiệm [1]. Cáp đo chuyên dụng khoảng<br />
200 mét (CAB) được sử dụng đồng bộ với các đầu đo, loại bọc kim chống nhiễu và<br />
đảm bảo các yêu cầu về nội trở, độ bền cơ học. Các loại cáp được thử nghiệm đồng<br />
bộ về độ ổn định, chính xác, khối lượng cuộn cáp để đảm bảo quá trình triển khai<br />
ngoài hiện trường và trong suốt quá trình đo;<br />
Bộ phận xử lý tín hiệu (CDV): Được cấu hình phù hợp với từng loại cảm biến<br />
khác nhau (hệ số khuếch đại, bộ lọc nhiễu, điện áp nuôi cầu,…). Các CDV được<br />
cấu hình riêng cho các cảm biến đầu vào về hệ số khuếch đại, tần số bộ lọc, nguồn<br />
nuôi cầu đo, sơ đồ kết nối đầu vào. Card ADC 16 bit (USB-1616 HS-BNC), với<br />
khả năng cấu hình tần số lấy mẫu cao, phù hợp với cả những loại động cơ phóng<br />
với thời gian hoạt động mỡ mili giây (ms), giúp nâng cao đáng kể độ chính xác của<br />
các tham số đo được. Ngoài ra việc sử dụng cùng với máy tính xách tay để hiển thị<br />
kết quả, hệ thống đo tương đối nhỏ gọn, khả năng cơ động cao.<br />
2.2. Các cảm biến sử dụng trong hệ thống đo đa năng động lực tên lửa<br />
Các cảm biến lực đẩy và áp suất sử dụng trong hệ thống đo động lực tên lửa có<br />
cấu trúc phần tử nhạy cảm là hình trụ đặc [6], [7]. Các cảm biến này được gá trên<br />
giá đo, tiếp xúc với đối tượng đo là động cơ tên lửa theo những nguyên tắc nhất<br />
định. Cảm biến là phẩn tử hệ bậc hai, hoạt động theo nguyên lý biến dạng đàn hồi.<br />
Phương trình tổng quát dưới dạng:<br />
F – kx - cx’ = mx” (1)<br />
<br />
<br />
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san TĐH, 04 - 2019 173<br />
Tên lửa & Thiết bị bay<br />
<br />
hay là mx” + cx’ + kx = F (2)<br />
Biểu diễn dưới dạng phương trình vi phân bậc 2:<br />
m d 2 x c dx 1<br />
2<br />
x F (3)<br />
k dt k dt k<br />
c Nsm 1<br />
Với: k / m (rad/sec); [ ]<br />
2 k m Ns<br />
m<br />
Phương trình vi phân bậc hai dưới dạng chuẩn là:<br />
1 d 2 x 2 dx 1<br />
2 2<br />
x F (4)<br />
n dt n dt k<br />
1<br />
Hàm truyền: G(s) (5)<br />
1 2 2<br />
s s 1<br />
2n n<br />
Trong đó: F (Lực tác động); x (dịch chuyển tính từ trạng thái bền vững ban<br />
đầu); F (độ lệch lực F); x (độ lệch của dịch chuyển); ω (tần số tự nhiên không<br />
tắt); ξ (hệ số tắt dần); 1/k (độ nhạy);<br />
Phần tử nhạy cảm của cảm biến được thiết kế dưới dạng hình trụ đặc (thuần<br />
kéo hoặc thuần nén) với mạch cầu đủ (full bridge) [9], [10] với 2 tem đo và 2 tem<br />
bù trừ nhiệt độ [3].<br />
4F<br />
Giá trị biến dạng dọc: d (6)<br />
Es 2<br />
4F <br />
Giá trị biến dạng ngang: n (7)<br />
Es 2<br />
Với là hằng số poisson của vật liệu<br />
Độ nhạy của cảm biến được tính theo công thức:<br />
UR 4F 4F <br />
S 0,5g( d n ) 0,5g 2<br />
2 <br />
[mV/V] (8)<br />
UN Es Es <br />
R1 R2<br />
<br />
UR<br />
R4 R3<br />
R3 R1<br />
<br />
R2 R 4<br />
UN<br />
<br />
<br />
Hình 2. Vị trí các tem đo và cầu Wheatstone trên phần tử nhạy cảm.<br />
<br />
<br />
174 P. N. Quang, Đ. M. Lâm, “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống đo … động cơ tên lửa.”<br />
Nghiên cứu khoa học công nghệ<br />
<br />
Mạch cầu được cấp nguồn nuôi thông qua cáp truyền tín hiệu theo các chế độ<br />
(từ các CDV), tín hiệu đầu ra được CDV khuếch đại phù hợp với dải đo sử dụng.<br />
2.3. Nghiên cứu, xây dựng phần cứng của hệ thống<br />
2.3.1. Tính toán hệ số khuếch đại cho bộ gia công tín hiệu<br />
Công thức (8) cho ta thấy điện áp đầu ra UR của cầu đo khi có tải cỡ mV,<br />
sử dụng CDV-700A để khuếch tại tín hiệu đo để bộ thu thập tín hiệu có thể nhận<br />
biết và xử lý. Với khả năng số khuếch đại tín hiệu một chiều đầu vào lên đến<br />
10000 lần tín hiệu đầu vào, độ chính xác điện áp hiển thị là 4 chữ số, có lựa chọn<br />
tần số bộ lọc thông thấp, hoàn toàn phù hợp khi sử dụng với các cảm biên đo lực<br />
đẩy, áp suất động cơ tên lửa. Hệ số được chọn theo công thức:<br />
U = K Đ ∗ U , suy ra: Đ = (9)<br />
UICmin ≤ UIC ≤ UICmax; Với UICmin = - 10 V; UICmax=+10 V;<br />
KKĐ ≤ 10000;<br />
Với UIC: Điện áp đầu vào USB1616 HS; KKĐ: Hệ số khuếch đại<br />
UICmax; UIcmin: Điện áp lớn nhất, nhỏ nhất mà USB 1616 HS có thể nhận biết;<br />
Bảng 1. Chế độ chọn điện áp nuôi cầu cho bộ gia công tín hiệu.<br />
Chọn điện áp nuôi cầu Wheastone Chế độ khuếch<br />
Công tắc số<br />
1V 2V 4V 10 V đại DC<br />
1 OFF ON OFF ON OFF<br />
2 OFF OFF ON ON OFF<br />
3 OFF OFF OFF OFF ON<br />
Điện áp nuôi cầu được chọn dựa trên cách bố trí cầu Wheastone trên phần<br />
tử nhạy cảm. Đối với các cảm biến sử dụng trong thử nghiệm động cơ tên lửa cầu<br />
Wheastone được nuôi bởi điện áp một chiều 4 V, tần số bộ lọc thông thấp được<br />
chọn 1 kHz, hoặc 10 kHz tùy thuộc vào thời gian cháy của từng loại động cơ tên<br />
lửa;<br />
Tín hiệu một chiều sau khi được gia công xử lý được kết nối với bộ USB-<br />
1616HS-BNC với các thông số như:<br />
+ 16 đầu vào tương tự dạng vi sai, dải điện áp đầu vào từ ±100mV đến ±<br />
10V;<br />
+ Tần số lấy mẫu 1MS/s, bộ chuyển đổi A/D 16 bít;<br />
+ 16 đầu vào ra số, 4 bộ đếm, 2 timer,...<br />
+ Hoạt động đồng bộ được với phần mềm DasyLab<br />
Các đầu vào/ra như trên hình vẽ:<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 3. Các thành phần ở mặt trước và sau của card.<br />
<br />
<br />
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san TĐH, 04 - 2019 175<br />
Tên lửa & Thiết bị bay<br />
<br />
Các đầu vào từ CH0-CH15 kiểu vi sai; đầu kết nối máy tính qua cổng USB,<br />
được nuôi bởi điện áp một chiều (6-16 VDC, dòng cực đại 1 A), các đầu ra số<br />
(DIVICE I/0);<br />
Sơ đồ khối chức năng của USB-1616HS-BNC như trên hình 4:<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 4. Sơ đồ khối chức năng của card.<br />
2.3.2. Xây dựng phần mềm điều khiển và hiển thị đo lường<br />
Card USB-1616HS-BNC được cấu hình trong phần mềm kết nối và được<br />
kết nối với máy tính qua cổng USB, giao diện điều khiển và hiển thị quá trình đo<br />
được viết trên phần mềm DasyLab, quá trình thu thập, xử lý và hiển thị kết quả<br />
như trên hình vẽ:<br />
<br />
Chỉnh Vẽ biểu đồ Lưu<br />
Lọc Nội<br />
“0” cho đường cong số liệu<br />
Đọc A/D nhiễu suy<br />
hệ<br />
cao tần Hiển thị số<br />
thống<br />
<br />
Hình 5. Quá trình xử lý tín hiệu đo.<br />
Giao diện worksheet của chương trình như trên hình vẽ:<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 6. Chương trình thu thập dữ liệu dạng worksheet.<br />
2.4. Kết nối hệ thống đo và một số kết quả thử nghiệm<br />
Sử dụng 01 cảm biến đo lực đẩy động cơ tên lửa; 02 cảm biến đo áp suất<br />
dải đo đến 500 bar;<br />
Cáp đo chuyên dụng CAB 1 ÷ CAB 3, dài 200 mét; Cáp nối BNC 01 mét;<br />
CDV 700A, nguồn nuôi cầu 4 V, với hệ số G=200; Bộ lọc thông thấp LPT<br />
= 1k. Card ADC USB-1616HS-BNC.<br />
<br />
<br />
176 P. N. Quang, Đ. M. Lâm, “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống đo … động cơ tên lửa.”<br />
Nghiên cứu khoa học công nghệ<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Cảm biến đo lực đẩy Cảm biến đo áp suất Cáp đo CDV Card A/D<br />
<br />
<br />
Hình 7. Một số thiết bị chính của hệ thống đo đa năng.<br />
Hệ thống đo được hiệu chỉnh trong phòng thí nghiệm với máy chuẩn lực<br />
WP300 và máy tạo áp suất chuẩn. Một số kết quả như trong bảng 2.<br />
Bảng 2. Một số kết quả thử nghiệm.<br />
Thử nghiệm với máy tạo lực chuẩn Thử nghiệm với máy tạo áp suất<br />
WP300 chuẩn<br />
<br />
Fđặt F đo được (N) Pđặt P đo được (bar)<br />
TT TT<br />
(N) Lần 1 Lần 2 Lần 3 (bar) Lần 1 Lần 2 Lần 3<br />
1 0 0,0 0,0 0,0 1 0 0,0 0,0 0,0<br />
2 2000 2011 2008 2002 2 100 100,5 100,9 100,1<br />
3 4000 4006 4009 4011 3 200 203,3 205,5 201,3<br />
4 6000 6004 6001 6008 4 300 306,8 308,9 305,8<br />
5 8000 8015 8012 8007 5 400 404,1 405,2 403,9<br />
6 10000 10017 10022 10025 6 500 509,2 510,4 5011,9<br />
<br />
Sau khi hiệu chuẩn, kiểm định hệ thống đo được sử dụng để đo lực đẩy, áp<br />
suất cho một số loại động cơ tên lửa đạt kết quả tốt (ví dụ như trên hình 8).<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 8. Hệ thống đo được sử dụng trong thí nghiệm thực tế.<br />
Kết quả đo được phân tích theo từng kênh:<br />
<br />
<br />
<br />
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san TĐH, 04 - 2019 177<br />
Tên lửa & Thiết bị bay<br />
HÖ THèNG §O §A N¡NG §éC LùC T£N LöA<br />
§å THÞ lùc ®Èy §éNG C¥ T£N LöA §å THÞ ¸p suÊt 1 §å THÞ ¸p suÊt 2<br />
N bar bar<br />
<br />
100 100<br />
12500<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
10000<br />
75 75<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
7500<br />
<br />
<br />
50 50<br />
<br />
<br />
<br />
5000<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
25 25<br />
2500<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
0 0 0<br />
<br />
2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5<br />
LUC DAY s AP SUAT 1 s AP SUAT 2 s<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 9. Đường cong lực đẩy và áp suất trên từng kênh đo.<br />
Có thể hiển thị đồng thời các đường cong để so sánh như trên hình 10.<br />
<br />
HÖ THèNG §O §A N¡NG §éC LùC T£N LöA<br />
<br />
§å THÞ lùc ®Èy §éNG C¥ T£N LöA<br />
N<br />
12500<br />
10000<br />
7500<br />
5000<br />
2500<br />
0<br />
2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5<br />
LUC DAY s<br />
<br />
§å THÞ ¸p suÊt 1<br />
bar<br />
100<br />
75<br />
50<br />
25<br />
0<br />
2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5<br />
AP SUAT 1 s<br />
<br />
§å THÞ ¸p suÊt 2<br />
bar<br />
100<br />
75<br />
50<br />
25<br />
0<br />
2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5<br />
AP SUAT 2 s<br />
<br />
SET 0 START STOP<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 10. Đường cong lực đẩy, áp suất trên cùng một Layout.<br />
3. KẾT LUẬN<br />
Xuất phát từ những nhu cầu thực tế trong thử nghiệm vũ khí nói chung và<br />
động cơ tên lửa nói riêng để phát triển và hiện đại hóa phương tiện đo dùng trong<br />
thử nghiệm. Bài báo đã nghiên cứu, chế tạo hệ thống đo đa năng sử dụng trong thử<br />
nghiệm để đo các tham số lực đẩy, áp suất động cơ tên lửa. Hệ thống được chế tạo<br />
hoàn chỉnh, đồng bộ từ các cảm biến, bộ xử lý đến hiển thị các kết quả đo được và<br />
đã được ứng dụng trong thực tế thử nghiệm đạt kết quả tốt.<br />
<br />
<br />
178 P. N. Quang, Đ. M. Lâm, “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống đo … động cơ tên lửa.”<br />
Nghiên cứu khoa học công nghệ<br />
<br />
TÀI LIỆU THAM KHẢO<br />
[1]. Đào Mộng Lâm, Phạm Quang Minh, Phạm Nhật Quang, Đo lường các tham<br />
số động cơ phản lực với phần mềm DasyLab. NXB QĐND, 2010.<br />
[2]. Đào Mộng Lâm, Báo cáo tổng hợp đề tài cấp Nhà nước, Nghiên cứu thiết kế,<br />
chế tạo các cảm biến đo và hệ thống đo các thông số động lực học của thiết<br />
bị bay, Viện KH&CNQS, 2011.<br />
[3]. Phan Bá, Đào Mộng Lâm, Sen- xơ và kỹ đo lường, NXB Quân đội nhân dân<br />
2001.<br />
[4]. Đào Mộng Lâm, Lê Vĩnh Hà, Phạm Quang Minh, Phạm Nhật Quang, Cảm<br />
biến áp điện và các hệ thống đo lường động học vũ khí, NXB QĐND, 2015;<br />
[5]. To Jane, Nicola and Julia,“Measurement and Instrumentation Principles” ,<br />
Reed Educational and Professional Publishing Ltd, 2001.<br />
[6]. Alan S. Morris Reza Langari, “Measurement and Instrumentation Theory<br />
and Application ” Joe Hayton, 2016.<br />
[7]. Chen, Weinong WSong, Bo, “Split Hopkinson (Kolsky) bar: design, testing<br />
and applications” Springer Science & Business Media, 2010.<br />
[8]. Dharma Prakash Agrawal, “Embedded Sensor Systems”, Springer,<br />
Singapore, 2017.<br />
[9]. Arno Lenk, Rüdiger G. Ballas, Roland Werthschützky, Günther Pfeifer,<br />
“Microtechnology and mems”, Verlag Berlin Heidelberg, 2011.<br />
[10]. Ptak, Pawel, “Application of computer programmes in research projects and<br />
teaching”, Proceedings of the International Scientific Conference. Volume<br />
III, 2017.<br />
<br />
ABSTRACT<br />
RESEARCH DESIGN, MANUFACTURING MULTI-MEASUREMENT<br />
SYSTEM FOR USING THE ROCKET ENGINE TESTING<br />
The paper presents the method of researching and manufacturing multipurpose<br />
measuring system used in testing rocket engines. Using design calculation method,<br />
build a measuring and testing system by experiment. Research results are used to<br />
measure thrust and pressure parameters of rocket engines to ensure high accuracy.<br />
Keyword: Testing system of weapons; Multi-function rocket measuring system.<br />
<br />
<br />
Nhận bài ngày 15 tháng 01 năm 2019<br />
Hoàn thiện ngày 08 tháng 3 năm 2019<br />
Chấp nhận đăng ngày 15 tháng 3 năm 2019<br />
<br />
Địa chỉ: Viện Khoa học và Công nghệ quân sự.<br />
*<br />
Email: quangnhatbkhn@gmail.com.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san TĐH, 04 - 2019 179<br />