推進(jìn)系統(tǒng)并聯(lián)貯箱均衡排放性能及其控制措施

章玉華

（上?？臻g推進(jìn)研究所，上海201112）

0 引言

國(guó)內(nèi)外大型的上面級(jí)推進(jìn)系統(tǒng)和空間推進(jìn)系統(tǒng)多數(shù)采用4只貯箱并聯(lián)布局的方式，如“阿里安5”上面級(jí)、“阿波羅”載人登月飛船推進(jìn)系統(tǒng)和“神舟”飛船推進(jìn)艙推進(jìn)系統(tǒng)等。

推進(jìn)系統(tǒng)通常設(shè)置2只氧化劑貯箱和2只燃料貯箱，同種組元的貯箱兩兩并聯(lián)供應(yīng)下游發(fā)動(dòng)機(jī)工作所需推進(jìn)劑。在推進(jìn)系統(tǒng)工作期間，由于并聯(lián)的同種組元貯箱上下游壓力存在偏差，因此兩路貯箱的輸出流量不會(huì)完全一致，導(dǎo)致貯箱內(nèi)推進(jìn)劑的排放不均衡，并因此導(dǎo)致飛行器飛行過程中質(zhì)心產(chǎn)生偏移，對(duì)飛行產(chǎn)生干擾力矩。因此，并聯(lián)貯箱均衡排放問題是推進(jìn)系統(tǒng)研制過程中需要重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。

1 某型號(hào)推進(jìn)系統(tǒng)

某型號(hào)推進(jìn)系統(tǒng)為氮?dú)庠鰤旱暮銐簲D壓式雙組元系統(tǒng)，由增壓系統(tǒng)、推進(jìn)劑貯存和輸送系統(tǒng)及發(fā)動(dòng)機(jī)組成，系統(tǒng)原理圖見圖1。推進(jìn)系統(tǒng)采用的推進(jìn)劑為四氧化二氮和一甲基肼。

增壓系統(tǒng)部分由鈦合金氣瓶、充氣閥、氣路電爆閥、減壓閥和氣路管路等組成；推進(jìn)劑貯存和輸送系統(tǒng)部分由4個(gè)120 L金屬膜片貯箱、液路電爆閥、加排閥及液路管路等組成；推進(jìn)系統(tǒng)由24臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)組成：4臺(tái)軌控發(fā)動(dòng)機(jī) (推力為2 500 N)、12臺(tái)大姿控發(fā)動(dòng)機(jī) (推力為150 N)和8臺(tái)小姿控發(fā)動(dòng)機(jī) (推力為25 N)。

某型號(hào)推進(jìn)系統(tǒng)在研制過程中通過分析和計(jì)算，確定了均衡排放控制措施，先后完成了全系統(tǒng)液流試驗(yàn)、全系統(tǒng)地面熱試車和飛行試驗(yàn)等多項(xiàng)大型試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證推進(jìn)系統(tǒng)同種組元推進(jìn)劑排放不均衡量控制在不大于30 kg指標(biāo)范圍內(nèi)，達(dá)到了預(yù)計(jì)的目標(biāo)。

2 并聯(lián)貯箱工作特性

2.1 工作模型及理論分析

并聯(lián)工作的同種組元貯箱見圖2。圖中pg1，pg2為1＃貯箱氣腔壓力和2＃貯箱氣腔壓力，MPa；pL1，pL2為1＃貯箱液腔壓力和2＃貯箱液腔壓力，MPa；pm為并聯(lián)貯箱出口匯合點(diǎn)處壓力，MPa；Q1，Q2為1＃貯箱排出推進(jìn)劑的質(zhì)量流量和2＃貯箱排出推進(jìn)劑的質(zhì)量流量，kg/s。Q=Q1+Q2為匯合后推進(jìn)劑的質(zhì)量流量，kg/s。

并聯(lián)貯箱輸出的推進(jìn)劑量和貯箱液腔壓力與匯合點(diǎn)處壓力之差有關(guān)，貯箱液側(cè)壓力可以表達(dá)為貯箱氣腔壓力（近似為減壓閥出口壓力）減去貯箱氣腔至液腔的壓降（以下簡(jiǎn)稱貯箱壓降）。因此兩只并聯(lián)貯箱輸出流量的比值近似為

式中：Δpm1，Δpm2為1#和2#貯箱壓降， MPa。

由于并聯(lián)工作的兩只貯箱其貯箱壓降可能出現(xiàn)不一致的現(xiàn)象，因此在某些推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)在貯箱出口設(shè)置孔板，通過孔板來實(shí)現(xiàn)對(duì)兩路貯箱輸出流量的調(diào)節(jié)，其模型見圖3，其輸出流量的比值近似為

式中：Δpkb1，Δpkb2分別為1#和2#貯箱出口孔板壓降，MPa。

對(duì)于采用汽蝕管作為調(diào)節(jié)元件的系統(tǒng)，汽蝕管入口壓力即為貯箱液側(cè)壓力，其模型見圖4。根據(jù)汽蝕管的特性，在汽蝕管下游管路壓降一致的條件下，可以認(rèn)為匯合點(diǎn)處的壓力為推進(jìn)劑的飽和蒸汽壓，因此兩只并聯(lián)貯箱輸出流量的比為

式中ps為飽和蒸汽壓。

由于推進(jìn)劑的飽和蒸汽壓值遠(yuǎn)低于系統(tǒng)的工作壓力，如紅色四氧化二氮15℃時(shí)的飽和蒸汽壓為75 kPa，綠色四氧化二氮MON-1在15℃時(shí)的飽和蒸汽壓為90 kPa，一甲基肼在25℃時(shí)的飽和蒸汽壓為6.6 kPa，推進(jìn)系統(tǒng)工作壓力一般在1.5～2.0 MPa之間，因此在貯箱出口設(shè)置汽蝕管后可大幅度降低不均衡量。

2.2 影響因素分析

分析公式（1），（2）和（3），可知影響同種組元推進(jìn)劑排放不均衡的主要因素是：

1）貯箱氣路進(jìn)口壓力的偏差

如推進(jìn)系統(tǒng)采用兩路減壓閥分別給同種組元的兩個(gè)貯箱供氣，則減少兩路減壓閥出口壓力的偏差即可降低氣路進(jìn)口壓力的影響；推進(jìn)系統(tǒng)如采用單個(gè)減壓閥給兩個(gè)貯箱供氣，由于兩個(gè)貯箱氣路導(dǎo)管的規(guī)格一致，管路設(shè)計(jì)一般采用對(duì)稱布局，因此氣路進(jìn)口壓力偏差很小，可忽略不計(jì)。

2）貯箱推進(jìn)劑管理裝置的壓降

采用囊式貯箱或表面張力貯箱的推進(jìn)系統(tǒng)，可進(jìn)行仿真計(jì)算或通過液流試驗(yàn)預(yù)先測(cè)量實(shí)際壓降；當(dāng)兩路貯箱的壓降一致時(shí)，兩路貯箱的輸出流量是一致的。因此在貯箱出口設(shè)置孔板，通過調(diào)節(jié)兩路孔板的壓降，實(shí)現(xiàn)對(duì)已知的兩貯箱壓降的不一致性進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)貯箱排放的均衡性。

采用金屬膜片貯箱的推進(jìn)系統(tǒng)，由于膜片的壓降值目前無法預(yù)先測(cè)量，可通過膜片的加工工藝過程控制厚度、硬度等重要參數(shù)，通過一定的子樣數(shù)來獲取壓降的散布規(guī)律后，同樣可以采用兩路孔板進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3）貯箱出口系統(tǒng)管路至推進(jìn)劑匯合處壓降

系統(tǒng)管路的壓降可以通過理論計(jì)算和液流試驗(yàn)來獲取。

2.3 控制措施

針對(duì)影響同種組元推進(jìn)劑排放不平衡的因素在設(shè)計(jì)和工程實(shí)施中可以采取以下的控制措施：

1）在推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)盡量采用單個(gè)減壓閥給同種組元兩個(gè)貯箱供氣。

由于受到研制進(jìn)度、經(jīng)費(fèi)等因素制約，如圖1所示，某型號(hào)推進(jìn)系統(tǒng)采用了兩路減壓閥，在系統(tǒng)產(chǎn)品總裝前，對(duì)兩路減壓閥必須進(jìn)行配對(duì)調(diào)試，縮小減壓閥出口壓力的偏差，盡可能減小貯箱氣路進(jìn)口壓力偏差帶來的影響。

為提高系統(tǒng)的可靠性，某些推進(jìn)系統(tǒng)往往會(huì)采用減壓閥冗余設(shè)計(jì)，主備份減壓閥也需進(jìn)行配對(duì)調(diào)試，以減小由于減壓閥出口壓力的偏差對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)參數(shù)的影響。

2）采用囊式貯箱或表面張力貯箱的推進(jìn)系統(tǒng)，可以通過液流試驗(yàn)測(cè)量同種組元兩貯箱的實(shí)際壓降，通過貯箱出口的孔板調(diào)節(jié)兩路貯箱的壓降，有效控制并聯(lián)貯箱的排放不均衡量。

3）采用金屬膜片貯箱的推進(jìn)系統(tǒng)，通過控制金屬膜片的厚度和硬度等參數(shù)可以將膜片壓降控制在一定的范圍內(nèi)，并通過大量試驗(yàn)子樣獲取膜片壓降的散布規(guī)律。

在后續(xù)金屬膜片貯箱的研制工作中，逐步通過仿真、試驗(yàn)等手段實(shí)現(xiàn)金屬膜片壓降值的預(yù)計(jì)，同時(shí)開展膜片預(yù)先排放方面的研究工作，分析和驗(yàn)證預(yù)先排放對(duì)膜片壓降、工作可靠性等性能的影響，摸索預(yù)先測(cè)量金屬膜片工作過程中的壓降的方法。

4）在總裝管路布局時(shí)，特別是貯箱出口液路導(dǎo)管走向設(shè)計(jì)采用同種規(guī)格導(dǎo)管、全對(duì)稱設(shè)計(jì)原則，以減小管路壓降的差異。

5）通過液流試驗(yàn)測(cè)量和調(diào)節(jié)貯箱出口系統(tǒng)管路至推進(jìn)劑匯合處的壓降，使兩路壓降一致。

6）在貯箱出口設(shè)置汽蝕管或節(jié)流孔板，降低同種組元推進(jìn)劑排放不均衡量。

在某型號(hào)推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研制過程中，綜合考慮指標(biāo)要求、系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化等，同時(shí)兼顧到研制周期，控制同種組元推進(jìn)劑排放不均衡量采用了上述兩路減壓閥配對(duì)調(diào)試、獲取和控制膜片壓降的散差、貯箱出口液路導(dǎo)管全對(duì)稱設(shè)計(jì)等三項(xiàng)控制措施。

3 某型號(hào)推進(jìn)系統(tǒng)不均衡量預(yù)計(jì)

3.1 貯箱出口無調(diào)節(jié)裝置時(shí)不均衡量預(yù)計(jì)

某型號(hào)推進(jìn)系統(tǒng)采用的是金屬膜片貯箱，并聯(lián)工作的同種組元貯箱不均衡量計(jì)算模型見圖2。兩貯箱采用單個(gè)貯箱等量定量加注方法。

設(shè)同種組元兩貯箱的總流量為Q＝100 g/s，如兩路貯箱特性完全一致，則單個(gè)貯箱的設(shè)計(jì)流量為Q1=Q2=50 g/s。

在某型號(hào)推進(jìn)系統(tǒng)中，配對(duì)調(diào)試的兩減壓閥出口允許偏差0.01 MPa，減壓閥出口壓力名義值為1.63 MPa，貯箱膜片壓降按統(tǒng)計(jì)結(jié)果0.10±0.02 MPa的極限情況進(jìn)行計(jì)算，即兩貯箱的膜片壓降分別為0.12 MPa和0.08 MPa，則根據(jù)公式（1）可得兩貯箱輸出流量的比值

式中：Q1′為1＃貯箱實(shí)際排出推進(jìn)劑的質(zhì)量流量，g/s；Q2′為2＃貯箱實(shí)際排出推進(jìn)劑的質(zhì)量流量，g/s。

因此，可知 Q1′＝45.3 g/s，Q2′＝54.7 g/s，即1＃貯箱的實(shí)際流量相比設(shè)計(jì)值降低9.3%，2＃貯箱的實(shí)際流量增加9.3%，系統(tǒng)不均衡量預(yù)計(jì)最大將達(dá)到單個(gè)貯箱加注量的18.6%。

貯箱膜片壓降控制在0.10±0.015 MPa范圍時(shí)

因此，Q1′＝46.3 g/s，Q2′＝53.7 g/s，1＃ 貯箱的實(shí)際流量降低7.4%，2＃貯箱的實(shí)際流量增加7.4%，系統(tǒng)不均衡量預(yù)計(jì)最大將達(dá)到單個(gè)貯箱加注量的14.8%。

從上述計(jì)算可以看出，在配對(duì)工作的減壓閥工作特性相同的條件下，金屬膜片貯箱的壓降散布是影響排放不均衡量的主要因素。

由于目前金屬膜片的實(shí)際壓降不可測(cè)量，根據(jù)某型號(hào)推進(jìn)系統(tǒng)配套金屬膜片貯箱的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，兩個(gè)貯箱的膜片壓降的差值小于0.04 MPa，因此在實(shí)際飛行試驗(yàn)中不均衡量應(yīng)小于18.6%。

3.2 采用孔板調(diào)節(jié)時(shí)不平衡量預(yù)計(jì)

在上述某型號(hào)推進(jìn)系統(tǒng)中，選取貯箱壓降分別為0.12和0.08的兩個(gè)貯箱，在貯箱出口設(shè)置流阻為0.2～0.24 MPa的孔板，使兩路貯箱的壓降一致，同時(shí)相應(yīng)減壓閥出口壓力名義值提高到1.83 MPa，其余參數(shù)不變，進(jìn)行計(jì)算，則根據(jù)公式（2）可得

因此，Q1′=48.9 g/s；Q2′=51.1 g/s；即 1# 貯箱的實(shí)際流量降低2.2%，2#貯箱的實(shí)際流量增加2.2%。系統(tǒng)不均衡量預(yù)計(jì)最大將達(dá)到單個(gè)貯箱加注量的4.4%，不均衡量下降明顯。

3.3 采用汽蝕管調(diào)節(jié)時(shí)不平衡量預(yù)計(jì)

在上述某型號(hào)推進(jìn)系統(tǒng)中，如在貯箱出口設(shè)置流阻為0.2 MPa～0.24 MPa的汽蝕管，同樣將相應(yīng)減壓閥出口壓力名義值提高到1.83 MPa，飽和蒸汽壓取甲基肼的值為0.007 85，其余參數(shù)不變，進(jìn)行計(jì)算，則根據(jù)公式（3）可得

因此，Q1′=49.6 g/s，Q2′=50.4 g/s，即 1# 貯箱的流量降低0.8%，2#貯箱增加0.8%，系統(tǒng)不均衡量預(yù)計(jì)最大達(dá)單個(gè)貯箱加注量的1.6%。

從上述預(yù)計(jì)中可見，推進(jìn)系統(tǒng)不采取調(diào)節(jié)裝置時(shí)，系統(tǒng)不平衡量預(yù)計(jì)最大為18.6%；在已知膜片極限壓降的條件下，采用孔板調(diào)節(jié)時(shí)，系統(tǒng)不平衡量預(yù)計(jì)最大為4.4%；采用汽蝕管調(diào)節(jié)時(shí)，系統(tǒng)不平衡量預(yù)計(jì)最大為1.6%。

因此，在推進(jìn)系統(tǒng)中采用孔板或汽蝕管調(diào)節(jié)，可以大大降低并聯(lián)貯箱的不平衡量，但在推進(jìn)系統(tǒng)中設(shè)置孔板或汽蝕管 (流阻一般為貯箱工作壓力的11%～15%)將增大了液路的流阻損失、提高貯箱和減壓閥的工作壓力，同時(shí)增加了用于貯箱增壓的用氣量。

4 某型號(hào)推進(jìn)系統(tǒng)均衡排放試驗(yàn)結(jié)果

在某型號(hào)推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，在滿足指標(biāo)要求的前提下盡可能使系統(tǒng)簡(jiǎn)化且系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化。因此，在通過試驗(yàn)獲取并控制膜片壓降范圍后，推進(jìn)系統(tǒng)采用了配對(duì)調(diào)節(jié)減壓閥、液路導(dǎo)管對(duì)稱布局兩項(xiàng)措施有效控制同種組元推進(jìn)劑排放不均衡量。某型號(hào)推進(jìn)系統(tǒng)大型試驗(yàn)中同種組元推進(jìn)劑排放不均衡量見表1。

表1 并聯(lián)貯箱排放不均衡試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Results of unequal expulsion of parallel tanks

表1中地面試驗(yàn)的不均衡量是試車結(jié)束后從貯箱向地面推進(jìn)劑貯罐回排推進(jìn)劑的量，由于推進(jìn)劑回排受地面管路系統(tǒng)和環(huán)境溫度等影響，結(jié)果誤差較大。表1中飛行試驗(yàn)的不均衡量是根據(jù)試驗(yàn)?zāi)┢谀て瑝航禂?shù)據(jù)變化判讀獲取的，當(dāng)膜片壓降值急劇增加時(shí)認(rèn)為該貯箱內(nèi)推進(jìn)劑已排空。

分析表1的數(shù)據(jù)，3次飛行試驗(yàn)同種組元推進(jìn)劑排放不均衡量最大為15.3%，與預(yù)計(jì)值18.6%接近。推進(jìn)系統(tǒng)最大不均衡量為15.9 kg，滿足不大于30 kg的指標(biāo)要求。

5 結(jié)束語

推進(jìn)系統(tǒng)并聯(lián)貯箱排放不均衡量與系統(tǒng)采用的增壓方案和貯箱方案密切相關(guān)。采取不同的措施可以控制并聯(lián)貯箱的均衡排放性能。某推進(jìn)系統(tǒng)采用配對(duì)調(diào)節(jié)減壓閥、液路導(dǎo)管對(duì)稱布局的措施有效控制了同種組元推進(jìn)劑排放不均衡量。

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