液體火箭發(fā)動機的研制是一項異于常規(guī)產(chǎn)品的復雜任務，其中試驗環(huán)節(jié)貫穿始終，是研制過程中的重要環(huán)節(jié)和最后一道關口。試驗是檢驗發(fā)動機設計方案的可行性、生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定性和工作可靠性的主要手段。通過試驗，可以全面評估發(fā)動機的性能、可靠性,為即將交付的飛行發(fā)動機提供嚴格的質(zhì)量檢驗，確�；鸺l(fā)動機滿足高標準的飛行要求。
液體火箭發(fā)動機試驗系統(tǒng)主要由試驗臺主體、推進劑供應系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)（吊裝、供電、消防、通信、推進劑儲存運輸、氣體生產(chǎn)、分析化驗）等組成。其中，控制系統(tǒng)是試驗系統(tǒng)的大腦和總指揮。控制系統(tǒng)的作用是按預先確定的試驗程序發(fā)出指令信號，指揮試驗系統(tǒng)及發(fā)動機上的各種控制組件準時、正確、可靠地工作，調(diào)節(jié)發(fā)動機入口壓力、推進劑流量等參數(shù)，以滿足發(fā)動機正常工作的需求。一旦發(fā)動機或試驗系統(tǒng)出現(xiàn)異常或故障趨勢，控制系統(tǒng)能及時、準確地進行診斷，啟動緊急預案，防止?jié)撛诘臑碾y性故障發(fā)生。測量系統(tǒng)是試驗系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，負責準確、可靠、完整地采集發(fā)動機試驗過程中的各項參數(shù)及試驗系統(tǒng)的狀態(tài)信息。通過實時反映發(fā)動機及試驗系統(tǒng)的實際狀態(tài)，測量系統(tǒng)為試驗指揮人員提供準確、可靠的判斷依據(jù)。當采集到的關鍵性能參數(shù)出現(xiàn)異常時，測量系統(tǒng)能按給定的診斷準則進行實時判斷，并做出相應決策。試驗獲得的大量參數(shù)信息為發(fā)動機的設計改進、結構優(yōu)化、材料升級以及發(fā)動機性能和可靠性的提升與評估、交付驗收等方面提供了數(shù)據(jù)支撐。
本書主要介紹液體火箭發(fā)動機試驗測量系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的結構組成、工作原理、設計技術，以及應用軟件的開發(fā)、調(diào)試驗證方法、工程應用經(jīng)驗等內(nèi)容。全書分為14章，第1章概論，主要介紹發(fā)動機試驗的目的、類型與特點，測控系統(tǒng)的作用、特點與組成，測控系統(tǒng)架構，控制模式，測量參數(shù)分類，測控系統(tǒng)發(fā)展歷程與發(fā)展趨勢。第2章試驗對測控系統(tǒng)的要求，主要介紹試驗對測控系統(tǒng)的總體要求，試驗對控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)的要求。第3章推力測量技術，主要介紹推力測量系統(tǒng)設計、穩(wěn)態(tài)推力測量技術、負推力修正技術、動態(tài)推力測量技術、多分推力測量技術、推力測量不確定度評估。第4章壓力測量技術，主要介紹壓力測量系統(tǒng)設計，穩(wěn)態(tài)壓力、高低溫條件下壓力、真空壓力測量技術，現(xiàn)場校準、數(shù)據(jù)處理技術，壓力測量系統(tǒng)不確定度評估。第5章流量、轉(zhuǎn)速測量技術，主要介紹流量、轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)結構組成與功能，渦輪流量計研制與安裝技術，信號調(diào)理與抗干擾技術，數(shù)據(jù)采集、原位校準、介質(zhì)密度獲取、數(shù)據(jù)處理與分析等技術，流量測量不確定度評定。第6章溫度測量技術，主要介紹溫度測量系統(tǒng)設計，熱電偶、熱電阻測量技術，現(xiàn)場校準技術，溫度數(shù)據(jù)處理方法，溫度測量不確定度評定。第7章動態(tài)參數(shù)測量技術，主要介紹動態(tài)參數(shù)測量系統(tǒng)組成、系統(tǒng)設計要求、校準方法、動態(tài)參數(shù)測量與數(shù)據(jù)處理方法、動態(tài)參數(shù)測量系統(tǒng)不確定度評定。第8章其他參數(shù)測量技術，主要介紹熱流、光纖、紅外溫度測量技術，機器視覺圖像檢測技術，氣體流場測量技術，高速空間運動軌跡測試技術。第9章發(fā)動機試驗控制技術，主要介紹控制系統(tǒng)架構、控制方法及工作過程，控制對象分類，控制系統(tǒng)硬件技術，控制時序自動判讀技術，發(fā)動機試驗控制技術典型應用。第10章試驗狀態(tài)監(jiān)控技術，主要介紹閉環(huán)控制技術、發(fā)動機故障診斷技術、姿控動力系統(tǒng)仿真顯示技術、試驗系統(tǒng)健康監(jiān)測技術。第11章伺服控制技術，主要介紹伺服機構、地面伺服控制系統(tǒng)、模擬伺服機構控制、數(shù)字總線伺服機構控制。第12章應用軟件設計，主要介紹應用軟件組成與特點、應用軟件設計方法、常用應用軟件設計要點、應用軟件設計舉例。第13章試驗數(shù)據(jù)分析技術，主要介紹數(shù)據(jù)分析方法，數(shù)據(jù)修正、數(shù)據(jù)評估技術。第14章試驗系統(tǒng)測試技術，主要介紹測控系統(tǒng)測試內(nèi)容、測試方法、試驗測控系統(tǒng)維護方法。
本書由韓明、趙萬明、趙政社等15位長期從事液體火箭發(fā)動機試驗測控系統(tǒng)設計與試驗，具有豐富工程實踐經(jīng)驗，完成多個試驗測控系統(tǒng)設計的專業(yè)技術人員共同撰寫。其中，韓明確定全書的主題思想與架構、目錄及章節(jié)主要論述內(nèi)容，負責組織撰寫人員對各章節(jié)內(nèi)容進行多次審查修改并最終定稿。本書第1章、第2章由韓明、趙萬明撰寫；第3章由冷海峰、劉麗寧撰寫；第4章由趙政社撰寫；第5章由趙萬明撰寫；第6章由李正兵撰寫；第7章由陳海峰撰寫；第8章由劉英元、李志勛、唐云龍撰寫；第9章由郭立、李志勛、朱丹波、呂欣撰寫；第10章由韓明、朱丹波、唐云龍、呂欣、鄺奇撰寫；第11章由鄺奇、郭立撰寫；第12章由唐云龍、朱丹波、呂欣、鄺奇撰寫；第13章由劉麗寧撰寫；第14章由單琳、趙政社撰寫。李斌研究員對本書的撰寫工作進行了指導，史超研究員參與了本書架構與目錄的討論并提出修改意見。劉強、鐘偉、杜晨昕負責圖書的出版管理工作。
目前，液體火箭發(fā)動機試驗技術方面的專著很少，專注于試驗測控技術的書籍更少。本書主要介紹發(fā)動機試驗測量與控制方面的系統(tǒng)設計技術、系統(tǒng)安裝與調(diào)試技術、工程應用經(jīng)驗和近年發(fā)展的測控新技術，對基礎理論介紹較少。書中部分理論計算引用了公開發(fā)表的參考文獻，部分計算數(shù)據(jù)、試驗測控系統(tǒng)調(diào)試驗證方法等是作者長期實踐經(jīng)驗的積累、凝練、總結和單位內(nèi)部歸檔資料的精華（參考文獻中未列出）。本書將一線專家在液體動力試驗測控技術研究領域的豐富經(jīng)驗進行了提煉、歸納，旨在為從事液體火箭發(fā)動機試驗、航天靶場發(fā)射、大型工程試驗測控系統(tǒng)設計的專業(yè)技術人員提供理論指導和實踐經(jīng)驗參考。同時，對于工程測量與控制領域的年輕技術人員來說，這也是一本助力其快速成長的寶貴資料，有助于我國未來打造出功能完善、技術先進、可靠性高的液體火箭發(fā)動機試驗測控系統(tǒng)。作者在書中還列舉了長期穩(wěn)定運行的應用實例，提升了其參考價值。本書所述內(nèi)容通俗易懂，專業(yè)性和通用性兼顧，適合發(fā)動機試驗、靶場發(fā)射、工程試驗與測試等測控系統(tǒng)設計與試驗人員閱讀，同時也可供高校從事火箭發(fā)動機設計理論和測控理論教學的教師和相關專業(yè)的學生及大型工程試驗測控技術人員和航天愛好者參考。
參與本書撰寫的15位作者都是長期在液體火箭發(fā)動機試驗一線工作的專家，完成了許多液體火箭發(fā)動機試驗測控系統(tǒng)設計和試驗任務。我們在完成繁重的科研任務之余，傾注心血撰寫了本書。在此，對參與本書策劃、撰寫、修改、出版等工作的所有人員表示衷心的感謝。本書的出版得到了航天科技圖書出版基金的資助和中國宇航出版社的大力支持，在此深表感謝！
由于作者水平有限，書中難免存在疏漏和不妥之處，懇請廣大讀者批評指正。
韓明
2023年9月于西安
第1章概論1
1.1發(fā)動機試驗的目的、類型與特點1
1.2測控系統(tǒng)的作用、特點與組成2
1.2.1測控系統(tǒng)的作用與特點2
1.2.2控制方式與系統(tǒng)組成3
1.2.3測量系統(tǒng)組成與功能7
1.3控制架構與模式11
1.3.1控制系統(tǒng)架構12
1.3.2控制模式13
1.4測量系統(tǒng)架構與參數(shù)分類15
1.4.1測量系統(tǒng)架構15
1.4.2測量參數(shù)分類17
1.5測控系統(tǒng)發(fā)展歷程與發(fā)展趨勢18
1.5.1控制系統(tǒng)發(fā)展歷程與不足18
1.5.2測量系統(tǒng)發(fā)展歷程與不足20
1.5.3測控技術發(fā)展趨勢23
參考文獻26
第2章試驗對測控系統(tǒng)的要求27
2.1試驗對測控系統(tǒng)的總體要求27
2.2試驗對控制系統(tǒng)的要求28
2.2.1控制功能、能力與指標要求28
2.2.2控制模式、架構與可靠性要求30
2.2.3控制軟件要求33
2.3試驗對測量系統(tǒng)的要求35
2.3.1對參數(shù)測量的基本要求35
2.3.2測量系統(tǒng)專用要求37
2.3.3對關鍵參數(shù)測量要求39
2.3.4對測量參數(shù)數(shù)據(jù)處理分析要求42
2.3.5對測量軟件要求44
參考文獻48
第3章推力測量技術49
3.1推力測量系統(tǒng)設計49
3.1.1測量系統(tǒng)結構原理與組成49
3.1.2測量系統(tǒng)指標要求52
3.2穩(wěn)態(tài)推力測量技術52
3.2.1試車架設計技術52
3.2.2原位校準系統(tǒng)54
3.2.3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)56
3.2.4推力測量精度影響因素分析56
3.3負推力修正技術60
3.3.1負推力修正分析60
3.3.2負推力修正62
3.4動態(tài)推力測量技術65
3.4.1系統(tǒng)設計65
3.4.2靜態(tài)原位校準系統(tǒng)設計68
3.4.3壓電式力傳感器校準方法71
3.4.4基于電動缸的自動加載技術72
3.4.5動態(tài)標定系統(tǒng)設計73
3.4.6動態(tài)數(shù)據(jù)分析80
3.5多分推力測量技術85
3.5.1多分力推力架設計技術86
3.5.2多分力校準技術96
3.5.3解耦技術99
3.5.4多分力測量系統(tǒng)熱試車驗證100
3.6不確定度評估101
3.6.1不確定度的來源分析101
3.6.2不確定度評估方法102
參考文獻105
第4章壓力測量技術106
4.1系統(tǒng)設計106
4.1.1需求分析106
4.1.2系統(tǒng)組成及原理107
4.1.3系統(tǒng)設計108
4.2穩(wěn)態(tài)壓力測量112
4.2.1常用的壓力傳感器112
4.2.2壓力傳感器安裝工藝116
4.2.3信號調(diào)理技術117
4.3高低溫條件下壓力測量121
4.3.1高溫壓力測量121
4.3.2低溫壓力測量122
4.4真空壓力測量124
4.4.1真空計的分類 124
4.4.2真空計的選型和安裝 125
4.4.3真空環(huán)境對壓力傳感器的影響126
4.5現(xiàn)場校準技術127
4.5.1電量校準127
4.5.2靜態(tài)物理量校準128
4.6數(shù)據(jù)處理132
4.6.1處理方法132
4.6.2數(shù)據(jù)分析與確認134
4.7測量系統(tǒng)不確定度評估135
4.7.1穩(wěn)態(tài)壓力測量系統(tǒng)不確定度評定136
4.7.2低溫壓力校準裝置測量不確定度評定140
參考文獻143
第5章流量、轉(zhuǎn)速測量技術144
5.1測量系統(tǒng)結構組成與功能144
5.1.1結構組成144
5.1.2主要功能145
5.2流量計研制與安裝技術146
5.2.1流量計測量原理146
5.2.2渦輪流量計研制148
5.2.3流量計選型150
5.2.4流量計安裝技術154
5.3信號調(diào)理與抗干擾技術156
5.3.1頻率信號調(diào)理器設計156
5.3.2抗干擾技術 163
5.4數(shù)據(jù)采集技術166
5.4.1采集原理與采集速率166
5.4.2采樣誤差分析169
5.5原位校準技術170
5.5.1常溫推進劑流量校準技術170
5.5.2低溫推進劑流量校準技術173
5.6密度獲取技術179
5.6.1常溫推進劑密度獲取技術179
5.6.2低溫推進劑密度獲取技術180
5.7數(shù)據(jù)處理、分析技術182
5.7.1數(shù)據(jù)處理182
5.7.2數(shù)據(jù)分析與確認185
5.7.3數(shù)據(jù)提供方法187
5.8流量測量不確定度評定188
5.8.1低溫流量校準裝置不確定度評定188
5.8.2姿軌控發(fā)動機穩(wěn)態(tài)流量校準裝置不確定度評定193
5.8.3渦輪流量計流量測量不確定度評定195
參考文獻203
第6章溫度測量技術204
6.1溫度測量系統(tǒng)設計204
6.1.1溫度測量基礎204
6.1.2溫度測量系統(tǒng)原理與組成205
6.1.3主要部件選型與設計207
6.2熱電偶測量技術208
6.2.1熱電偶測溫原理208
6.2.2熱電偶種類209
6.2.3熱電偶測溫系統(tǒng)組成210
6.2.4熱電偶補償與安裝技術212
6.3熱電阻測量技術214
6.3.1熱電阻測溫原理214
6.3.2熱敏電阻測溫原理215
6.3.3熱電阻測溫系統(tǒng)組成216
6.3.4熱電阻測試技術218
6.4溫度測量現(xiàn)場校準技術221
6.4.1熱電偶通道校準221
6.4.2鉑電阻通道校準222
6.4.3熱敏電阻通道校準222
6.4.4溫度變送器通道校準223
6.5溫度數(shù)據(jù)處理方法224
6.5.1熱電偶數(shù)據(jù)處理224
6.5.2鉑電阻數(shù)據(jù)處理225
6.5.3熱敏電阻數(shù)據(jù)處理225
6.5.4溫度變換器參數(shù)數(shù)據(jù)處理226
6.6溫度測量不確定度評定226
6.6.1溫度的量值傳遞與溯源226
6.6.2溫度測量不確定度分量組成227
6.6.3溫度測量不確定度A類評定229
6.6.4溫度測量不確定度B類評定231
6.6.5溫度測量不確定度評定232
參考文獻235
第7章動態(tài)參數(shù)測量技術236
7.1系統(tǒng)組成236
7.1.1傳感器237
7.1.2信調(diào)器與數(shù)據(jù)采集239
7.1.3實時顯示及數(shù)據(jù)處理239
7.2系統(tǒng)設計要求240
7.3校準方法241
7.3.1實驗室計量校準241
7.3.2現(xiàn)場校準242
7.4動態(tài)參數(shù)測量方法243
7.4.1采集系統(tǒng)設置243
7.4.2脈動壓力測量245
7.4.3噪聲測量247
7.4.4動應變測量250
7.4.5振動傳感器安裝流程252
7.4.6可靠性分析255
7.4.7實時監(jiān)測256
7.5數(shù)據(jù)處理259
7.5.1數(shù)據(jù)處理要求259
7.5.2數(shù)據(jù)處理流程260
7.5.3數(shù)據(jù)處理方法261
7.5.4頻譜處理263
7.5.5沖擊響應譜265
7.5.6故障信號分析266
7.5.7瞬態(tài)信號分析270
7.6動態(tài)參數(shù)測量系統(tǒng)不確定度評定271
7.6.1不確定度的A類評定272
7.6.2不確定度的B類評定274
7.6.3測量系統(tǒng)不確定度的計算276
參考文獻277
第8章其他參數(shù)測量技術278
8.1熱流測量技術278
8.1.1熱流傳感器分類278
8.1.2熱流傳感器原理279
8.1.3熱流傳感器選型282
8.1.4熱流測量系統(tǒng)283
8.1.5影響熱流測量準確性的因素 283
8.2光纖測量技術284
8.2.1光纖Bragg光柵理論基礎284
8.2.2測量系統(tǒng)組成及測量方法289
8.3紅外溫度測量技術297
8.3.1發(fā)動機紅外溫度測量技術297
8.3.2紅外溫度測量系統(tǒng)298
8.3.3影響紅外測溫的因素300
8.3.4發(fā)動機紅外測溫的不足303
8.3.5紅外熱像現(xiàn)場校準方法304
8.3.6紅外熱像儀測量工藝方法305
8.3.7發(fā)動機紅外參數(shù)及數(shù)據(jù)分析310
8.4機器視覺圖像檢測技術311
8.4.1視覺圖像檢測技術應用311
8.4.2系統(tǒng)構成312
8.4.3產(chǎn)品狀態(tài)檢測系統(tǒng)314
8.5氣體流場測量技術315
8.5.1氣體流場壓力測量316
8.5.2氣流場溫度測量318
8.5.3氣流場速度測量319
8.5.4風洞試驗流場校測320
8.6高速空間運動軌跡測試技術323
8.6.1應用背景323
8.6.2測試原理及方法324
8.6.3系統(tǒng)組成326
8.6.4圖像處理功能327
8.6.5測試流程327
參考文獻330
第9章發(fā)動機試驗控制技術331
9.1控制系統(tǒng)架構、控制方法及工作過程331
9.1.1系統(tǒng)架構331
9.1.2系統(tǒng)組成及功能332
9.1.3控制方法333
9.1.4系統(tǒng)工作流程337
9.2控制對象分類338
9.2.1電爆管338
9.2.2電磁閥339
9.2.3電動閥340
9.2.4調(diào)節(jié)閥342
9.3控制系統(tǒng)硬件技術343
9.3.1控制器343
9.3.2常見的控制器344
9.3.3外圍接口電路352
9.3.4典型控制電路362
9.4控制時序自動判讀技術364
9.4.1自動判讀程序設計原則364
9.4.2自動判讀程序設計方法365
9.5發(fā)動機試驗控制技術典型應用367
9.5.1大推力發(fā)動機試驗控制系統(tǒng)367
9.5.2姿軌控發(fā)動機試驗控制系統(tǒng)368
參考文獻371
第10章試驗狀態(tài)監(jiān)控技術372
10.1閉環(huán)控制技術372
10.1.1控制目標選擇372
10.1.2執(zhí)行機構選擇373
10.1.3控制參數(shù)選擇374
10.1.4可靠性設計376
10.1.5可維修性設計378
10.2發(fā)動機故障診斷技術381
10.2.1故障診斷基本概念和指標381
10.2.2發(fā)動機試驗故障診斷系統(tǒng)設計382
10.2.3發(fā)動機試驗故障診斷技術發(fā)展388
10.3姿控動力系統(tǒng)仿真顯示技術388
10.3.1仿真顯示系統(tǒng)設計原則388
10.3.2仿真顯示系統(tǒng)設計389
10.4試驗系統(tǒng)健康監(jiān)測技術393
10.4.1維護方式與檢測作用393
10.4.2監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡架構394
10.4.3監(jiān)測系統(tǒng)設計原則與功能395
10.4.4狀態(tài)監(jiān)測內(nèi)容397
10.4.5監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析398
參考文獻400
第11章伺服控制技術401
11.1伺服機構401
11.1.1伺服機構分類401
11.1.2伺服機構原理403
11.2地面伺服控制系統(tǒng)405
11.2.1控制系統(tǒng)功能405
11.2.2控制系統(tǒng)組成406
11.2.3搖擺控制系統(tǒng)測試內(nèi)容407
11.3模擬伺服機構控制 408
11.4數(shù)字總線伺服機構控制411
參考文獻416
第12章應用軟件設計417
12.1應用軟件組成與特點417
12.2應用軟件設計方法418
12.2.1軟件開發(fā)過程418
12.2.2軟件需求分析418
12.2.3設計實現(xiàn)419
12.2.4測試確認419
12.3常用應用軟件設計要點421
12.3.1控制軟件及設計要點421
12.3.2測量軟件及設計要點425
12.4發(fā)動機試驗應用軟件設計舉例430
12.4.1大型發(fā)動機控制軟件設計430
12.4.2姿軌控發(fā)動機控制軟件設計435
12.4.3吸氣式發(fā)動機試驗分布式測量軟件設計440
參考文獻445
第13章試驗數(shù)據(jù)分析技術446
13.1數(shù)據(jù)分析方法446
13.1.1數(shù)據(jù)分析前準備446
13.1.2正常數(shù)據(jù)確認447
13.1.3異常數(shù)據(jù)確認447
13.1.4數(shù)據(jù)處理取舍方法448
13.1.5歷史試驗數(shù)據(jù)對比450
13.1.6數(shù)據(jù)包絡分析450
13.2數(shù)據(jù)修正技術450
13.2.1常溫環(huán)境的數(shù)據(jù)修正450
13.2.2低溫環(huán)境的數(shù)據(jù)修正455
13.2.3高溫環(huán)境的數(shù)據(jù)修正456
13.3數(shù)據(jù)評估技術457
參考文獻460
第14章試驗系統(tǒng)測試技術461
14.1測控系統(tǒng)測試內(nèi)容461
14.1.1測控系統(tǒng)測試項目461
14.1.2系統(tǒng)測試流程463
14.2測控系統(tǒng)測試方法467
14.2.1控制系統(tǒng)檢查測試方法467
14.2.2測量系統(tǒng)檢查測試方法469
14.2.3故障診斷系統(tǒng)檢查測試方法471
14.2.4搖擺測控系統(tǒng)檢查測試方法471
14.2.5電源配電系統(tǒng)檢查測試方法472
14.3試驗測控系統(tǒng)的維護方法473
14.3.1硬件檢查維護473
14.3.2軟件維護473
參考文獻475
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