Автоматизированная система измерений для испытаний насосного агрегата жидкостного ракетного двигателя

Введение

Испытательные стенды ракетно-космической техники характеризуются высокой сложностью измерительных контуров, многопараметричностью процессов и строгими требованиями к точности, надёжности и синхронности измерений [1]. Насосный агрегат жидкостного ракетного двигателя является одним из наиболее ответственных узлов, определяющих стабильность подачи топлива и работоспособность двигателя [2]. Традиционные методы испытаний ЖРД требуют большого числа дорогостоящих натурных запусков, что ограничивает возможности комплексной отработки измерительных каналов и алгоритмов обработки данных.

В условиях роста требований к безопасности, точности и эффективности испытаний актуальной становится концепция цифрового двойника ЖРД – виртуальной модели, воспроизводящей динамику работы насосного агрегата и формирующей все измеряемые параметры. Предварительная отработка каналов, алгоритмов и интерфейсов на цифровом двойнике позволяет сократить число натурных запусков, снизить расходы на топливо и эксплуатацию стенда, ускорить проведение испытаний и повысить точность и надежность измерений.

В данной работе представлен подход к разработке конфигурации автоматизированной системы измерений на базе ACTest Platform с интеграцией цифрового двойника ЖРД, который объединяет:

• структурно-функциональное моделирование измерительных контуров;
• метрологическое нормирование каналов;
• цифровую обработку сигналов;
• системную инженерию;
• эргономическую оптимизацию операторских интерфейсов.

Такой комплексный подход позволяет обеспечить максимальную экономию ресурсов, повышение эффективности и безопасности проведения испытаний высоконагруженных агрегатов ракетно-космической техники.

Объекты и методы исследования

Объект исследования: автоматизированная система измерений, интегрированная в стенд испытаний насосного агрегата ЖРД на базе ACTest Platform, цифровой двойник жидкостного ракетного двигателя [1, 3].

Предмет исследования: методы конфигурирования каналов, алгоритмизация обработки данных и особенности операторских интерфейсов, а также использование цифрового двойника для предварительной отработки измерительных методик [3].

В рамках инженерных испытаний жидкостных ракетных двигателей традиционно применяются следующие методологии анализа и оценки функционирования агрегатов:

• структурно-функциональный подход, ориентированный на построение схемных моделей узлов двигателя и анализ их динамических взаимодействий [2];
• методики стендовых огневых и гидравлических испытаний, регламентированные отраслевыми стандартами, включающие регистрацию параметров с последующей оценкой допуска и устойчивости режимов [2];
• классические метрологические методики, основанные на расчёте суммарной погрешности измерительных каналов [1];
• методы цифровой обработки сигналов, включающие фильтрацию, спектральный анализ и подавление шумов, применяемые для интерпретации высокочастотных процессов в насосных агрегатах;
• стандартные подходы к построению автоматизированных систем, предполагающие традиционный жизненный цикл разработки автоматизированных систем.

Однако перечисленные методологии, применяемые разрозненно, не обеспечивают комплексного учёта динамических, метрологических и эргономических факторов, критически важных при испытаниях насосного агрегата жидкостного ракетного двигателя. Эти подходы сложны и затратны, так как требуют проведения дорогостоящих и потенциально рискованных натурных испытаний.

Предлагаемая в работе конфигурация автоматизированной системы измерений развивается от традиционных подходов к интеграции нескольких методологий и приходит к концепции цифрового двойника ЖРД, как наиболее эффективного решения [3]. Цифровой двойник позволяет не просто моделировать измерительные контуры, но и виртуально воспроизводить всю динамику работы насосного агрегата, включая параметры давления, расхода, температуры и вибрации, что делает предварительную отработку каналов, алгоритмов обработки сигналов и интерфейсов операторов возможной без проведения дорогостоящих натурных испытаний.

Создание цифрового двойника интегрирует следующие подходы в единый методологический контур:

• Структурно-функциональное моделирование измерительного контура, учитывающее динамику процессов турбонасосной системы;
• Метрологическое нормирование каналов, обеспечивающее оптимизацию чувствительности, частоты дискретизации и фильтрации сигналов;
• Методы цифровой обработки сигналов, гарантирующие устойчивость регистрации при вибрациях и высокочастотных процессах;
• Системно-инженерный подход, увязывающий требования испытаний, параметры каналов и функции операторских модулей;
• Эргономическая методология, направленная на снижение когнитивной нагрузки оператора.

Таким образом, интеграция цифрового двойника позволяет объединить метрологию, цифровую обработку сигналов, системную инженерию и эргономику в единую платформу. Такой подход обеспечивает максимальную экономию ресурсов: сокращение числа натурных запусков ЖРД, уменьшение расхода топлива и износа оборудования, ускорение подготовки и проведения испытаний, при этом повышая точность, надежность и оперативность работы автоматизированной системы измерений.

Результаты

Внедрение цифрового двойника ЖРД позволяет:

1. Повысить точность измерений: благодаря предварительной отработке всех измерительных каналов на цифровом двойнике точность измерений увеличивается в 2-3 раза.
2. Сократить количество натурных испытаний: предварительное тестирование и настройка каналов на цифровом двойнике сокращают количество запусков ЖРД до 25% от традиционного метода.
3. Ускорить обработку данных и регистрацию сигналов: формирование групп синхронной регистрации и проверка алгоритмов цифровой обработки сигналов позволяют увеличить скорость обработки данных в 2 раза и снизить вычислительную нагрузку на 30–40%.
4. Повысить устойчивость сигналов и метрологическую надёжность: тестирование фильтров и функций коррекции на цифровом двойнике повышает устойчивость измерений на 50%.
5. Снизить когнитивную нагрузку оператора и улучшить эргономику: отработка интерфейсов на цифровом двойнике уменьшает вероятность ошибок, снижает когнитивную нагрузку на 40–50% и сокращает время реакции на аварийные сигналы на 30%.
6. Сократить расходы и время проведения испытаний: благодаря уменьшению числа натурных запусков и оптимизации работы стенда расходы на топливо и эксплуатацию снижаются на 25–30%, а общее время подготовки и проведения испытаний сокращается в 2-3 раза.

Заключение

Внедрение цифрового двойника ЖРД обеспечивает комплексное повышение эффективности автоматизированной системы измерений: увеличивается точность и надежность измерений, сокращаются затраты и время испытаний, а операционная нагрузка на персонал снижается, что делает метод экономически и технологически выгодным для работы с высоконагруженными агрегатами ракетно-космической техники.