王 梁,李 根,孫 賀,劉卓然,王洪麗
(北京航天發(fā)射技術(shù)研究所,北京 100076)
液體火箭推進(jìn)劑貯箱在射前流程中要進(jìn)行地面增壓,以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火啟動(dòng)時(shí)的初始?jí)毫σ?。目前貯箱地面增壓方式主要包括3種:手閥控制增壓、基于壓力傳感器控制電磁閥增壓和基于壓力信號(hào)器控制電磁閥增壓。手閥控制增壓是通過(guò)地面配氣臺(tái)崗位人員操作增壓供氣手動(dòng)截止閥給貯箱充氣至要求值,該方式無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制,目前主要應(yīng)用于國(guó)內(nèi)常規(guī)推進(jìn)劑運(yùn)載火箭;基于壓力傳感器控制貯箱增壓是在地面配氣臺(tái)的貯箱測(cè)壓氣路上設(shè)置壓力傳感器器或直接利用箭上貯箱壓力傳感器采集貯箱壓力數(shù)據(jù),通過(guò)軟件設(shè)置控制增壓供氣電磁閥啟閉,實(shí)現(xiàn)貯箱自動(dòng)增壓,該方式可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制,但對(duì)動(dòng)力測(cè)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)提出更高的要求,目前主要應(yīng)用于國(guó)內(nèi)新研型號(hào)低溫運(yùn)載火箭;基于壓力信號(hào)器控制貯箱增壓是在地面配氣臺(tái)的貯箱測(cè)壓氣路上設(shè)置壓力信號(hào)器,通過(guò)壓力信號(hào)器通斷來(lái)控制增壓供氣電磁閥啟閉,實(shí)現(xiàn)貯箱自動(dòng)增壓,該方式技術(shù)簡(jiǎn)單可靠,同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制,目前仍廣泛應(yīng)用于我國(guó)現(xiàn)役某些成熟型號(hào)運(yùn)載火箭。本文將結(jié)合發(fā)射場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用情況對(duì)基于壓力信號(hào)器控制的貯箱地面增壓技術(shù)進(jìn)行介紹分析,為同類技術(shù)應(yīng)用提供參考。
基于壓力信號(hào)器控制的貯箱地面增壓系統(tǒng)基本組成如圖1所示,主要包括:增壓電磁閥、節(jié)流孔板、壓力信號(hào)器、供氣管路及動(dòng)力繼電器機(jī)柜。其中,增壓電磁閥用于控制氣路通斷;節(jié)流孔板用于控制充氣流量;壓力信號(hào)器通過(guò)測(cè)壓管路與貯箱氣相空間連通,用于控制增壓繼電器電路通斷;動(dòng)力繼電器機(jī)柜內(nèi)設(shè)增壓繼電器用于控制增壓電磁閥電路通斷,增壓控制基本電路如圖2所示。
圖1 貯箱地面增壓系統(tǒng)基本組成Fig.1 Basic components of tank ground pressurization system
圖2 貯箱地面增壓控制基本電路Fig.2 Basic circuit of tank ground pressurization control
選用的壓力信號(hào)器為常閉式機(jī)械感應(yīng)壓力開(kāi)關(guān),基本結(jié)構(gòu)如圖3所示,主要由膜盒、定片觸點(diǎn)、動(dòng)片頂桿、膜盒頂桿和殼體等組成。當(dāng)貯箱壓力上升至壓力信號(hào)器設(shè)定值時(shí),膜片產(chǎn)生變形,推動(dòng)動(dòng)片頂桿和動(dòng)片觸點(diǎn)運(yùn)動(dòng),動(dòng)片觸點(diǎn)與定片觸點(diǎn)分離,壓力信號(hào)器斷開(kāi)。當(dāng)貯箱壓力下降至壓力信號(hào)器設(shè)定值時(shí),膜片變形復(fù)位,動(dòng)片觸點(diǎn)與定片觸點(diǎn)接觸,壓力信號(hào)器接通。
圖3 壓力信號(hào)器結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Structural representation of pressure switch
基于壓力信號(hào)器控制的貯箱地面增壓原理為:貯箱增壓前先接通前端配氣臺(tái)扭子開(kāi)關(guān),之后后端動(dòng)力測(cè)控系統(tǒng)啟動(dòng)增壓程序,動(dòng)力繼電器機(jī)柜內(nèi)KB0繼電器接通,進(jìn)而驅(qū)動(dòng)KB1繼電器接通,控制增壓電磁閥開(kāi)啟,開(kāi)始給貯箱充氣。當(dāng)貯箱壓力升高達(dá)到壓力信號(hào)器設(shè)定值時(shí),壓力信號(hào)器斷開(kāi),驅(qū)動(dòng)KB1繼電器斷開(kāi),增壓電磁閥關(guān)閉,停止給貯箱充氣。當(dāng)貯箱壓力下降至壓力信號(hào)器設(shè)定值時(shí),壓力信號(hào)器再次接通,繼續(xù)給貯箱補(bǔ)壓,維持貯箱壓力在要求值范圍內(nèi)。
常溫推進(jìn)劑貯箱射前地面增壓時(shí)間較為寬裕,對(duì)增壓速度無(wú)嚴(yán)格要求,主要保證增壓精度,一般采用單氣路單壓力信號(hào)器控制增壓,增壓系統(tǒng)組成同圖1所示。
圖4 某常溫貯箱射前增壓壓力曲線Fig.4 Pressurization process of a room temperature tank
從圖4中可以看出:該常溫貯箱增壓近似呈線性增壓過(guò)程,在45 s時(shí),貯箱壓力升高至壓力信號(hào)器設(shè)定值0.253 MPa;在52 s時(shí),貯箱壓力達(dá)到最高值0.263 MPa;之后由于貯箱穩(wěn)壓,貯箱壓力逐漸緩慢下降并趨于穩(wěn)定,一直持續(xù)至氣管連接器脫落。貯箱穩(wěn)壓過(guò)程中貯箱壓力仍高于壓力信號(hào)器設(shè)定值,壓力信號(hào)器未再次接通補(bǔ)壓。
低溫貯箱推進(jìn)劑加注一直持續(xù)至臨射前幾分鐘,貯箱射前增壓時(shí)間較為緊張,因此在滿足增壓精度要求的基礎(chǔ)上,低溫貯箱射前地面增壓還要求較快地增壓速率,一般采用雙氣路雙壓力信號(hào)器控制增壓。典型低溫貯箱地面增壓系統(tǒng)組成如圖5所示,其中一路增壓氣路使用較大通徑孔板,用于保證增壓速率;另一路增壓氣路使用較小通徑孔板,以保證增壓精度。大增壓力信號(hào)器設(shè)定值小于小增壓力信號(hào)器。
圖5 低溫貯箱地面增壓系統(tǒng)基本組成Fig.5 Basic components of cryogenic tank ground pressurization system
低溫貯箱射前地面增壓流程及工作原理為:增壓開(kāi)始時(shí),大增供氣路電磁閥和小增供氣路電磁閥同時(shí)接通,雙氣路同時(shí)供氣給貯箱增壓;當(dāng)貯箱壓力達(dá)到大增壓力信號(hào)器設(shè)定值時(shí),大增壓力信號(hào)器斷開(kāi),控制大增路增壓電磁閥關(guān)閉,大增供氣路停止增壓,小增供氣路則繼續(xù)保持增壓;當(dāng)貯箱壓力繼續(xù)升高達(dá)到小增壓力信號(hào)器設(shè)定值,小增壓力信號(hào)器斷開(kāi),控制小增供氣路增壓電磁閥關(guān)閉,停止給貯箱充氣。當(dāng)貯箱壓力下降至小增壓力信號(hào)器設(shè)定值時(shí),小增壓力信號(hào)器再次接通,繼續(xù)給貯箱補(bǔ)壓,維持貯箱壓力在要求值范圍內(nèi)。
圖6 某低溫貯箱射前增壓壓力曲線Fig.6 Pressurization process of a cryogenic tank
從圖中可以看出:在雙壓力信號(hào)器同時(shí)接通時(shí),貯箱增壓曲線斜率較大,增壓速率較大,在18 s時(shí),貯箱壓力升高至大增壓力信號(hào)器設(shè)定值;大增壓力信號(hào)器斷開(kāi)后,僅小增壓力信號(hào)器接通時(shí),增壓曲線斜率較變緩,增壓速率減小,在28 s時(shí),貯箱壓力升高至小增壓力信號(hào)器設(shè)定值;在38 s時(shí),貯箱壓力達(dá)到最高值0.350 MPa;之后,由于貯箱穩(wěn)壓,貯箱壓力逐漸緩慢下降,由于貯箱穩(wěn)壓過(guò)程中貯箱壓力降至低于壓力信號(hào)器設(shè)定值,小增壓力信號(hào)器再次接通二次進(jìn)行補(bǔ)壓,直至氣管連接器脫落。
從圖5和圖6增壓過(guò)程曲線可以看出,貯箱壓力在達(dá)到壓力信號(hào)器設(shè)定值時(shí),壓力信號(hào)器斷開(kāi),增壓停止,但貯箱壓力仍會(huì)上升至一最高值,即存在增壓后效?;鸺A箱上設(shè)置有安溢活門,當(dāng)貯箱壓力高于安溢活門開(kāi)啟值,會(huì)導(dǎo)致安溢活門打開(kāi),增加箭上活門射前動(dòng)作隱患。因此,貯箱射前增壓在滿足貯箱最終壓力要求的前提下,還必須將增壓后效控制在合理范圍。
貯箱射前地面增壓過(guò)程近似是一個(gè)定容積充氣過(guò)程,地面增壓系統(tǒng)通過(guò)供氣管路將增壓供氣高壓氣體輸送至貯箱。為便于分析,作出如下假設(shè):
1)增壓氣體近似為理想氣體,氣體壓縮性系數(shù)取為1;
2)增壓過(guò)程貯箱氣枕溫度保持不變;
3)忽略箭上單向閥開(kāi)啟壓差。
結(jié)合貯箱地面增壓系統(tǒng)組成及工作原理進(jìn)行分析,增壓后效主要由兩部分組成:1) 由于壓力信號(hào)器、測(cè)控系統(tǒng)電路、增壓電磁閥組成的增壓控制回路存在一定的動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間,在該響應(yīng)時(shí)間內(nèi),當(dāng)壓力信號(hào)器斷開(kāi)時(shí),增壓氣體仍然持續(xù)進(jìn)入貯箱,產(chǎn)生壓力后效,即增壓停止動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間內(nèi)進(jìn)入貯箱多余的氣體產(chǎn)生的壓力后效;2)增壓電磁閥設(shè)置在發(fā)射塔架配氣臺(tái)內(nèi),配氣臺(tái)與箭體貯箱之間通過(guò)一定長(zhǎng)度的供氣管路相連通。因此增壓電磁閥與貯箱之間存在一定的管路氣體容積,增壓停止時(shí),增壓電磁閥與貯箱間的供氣管路仍存有較高壓力的氣體,該部分氣體由于與貯箱間存在壓力差會(huì)導(dǎo)致管路內(nèi)氣體繼續(xù)進(jìn)入貯箱直至與貯箱達(dá)到壓力平衡,即增壓停止后增壓電磁閥與貯箱之間供氣管路中較高壓力的氣體進(jìn)入貯箱產(chǎn)生的壓力后效。即
=+
(1)
貯箱氣枕壓力計(jì)算公式為
(2)
式中,為貯箱氣枕壓力,單位Pa;為貯箱氣枕氣體質(zhì)量,單位kg;為氣體壓縮性系數(shù),理想氣體取=1;為氣體常數(shù),單位J/(kg·K);為貯箱氣枕溫度,單位K;為貯箱氣枕容積,單位m。
則
(3)
式中,為增壓電磁閥動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間內(nèi)進(jìn)入貯箱多余的氣體質(zhì)量,單位kg,=;為增壓電磁閥動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間,單位s;為增壓充氣流量,單位kg/s,由于較小,認(rèn)為時(shí)間內(nèi),保持不變。
則
(4)
忽略箭上單向閥開(kāi)啟壓差,則有
(5)
式中,為增壓電磁閥與貯箱之間供氣管路氣體容積,單位m;為增壓電磁閥與貯箱之間供氣管路氣體壓力,單位Pa;為貯箱增壓目標(biāo)壓力,即壓力信號(hào)器起跳值壓力,單位Pa。
則
(6)
對(duì)上式進(jìn)行分析,對(duì)于給定設(shè)計(jì)輸入(增壓氣體介質(zhì)、貯箱氣枕容積、貯箱氣枕溫度)的貯箱地面增壓系統(tǒng),影響增壓壓力后效大小的主要因素包括:增壓充氣流量、增壓電磁閥動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間、增壓電磁閥后供氣管路氣體容積。顯然,在其他因素不變的情況下,增壓充氣流量越大,貯箱增壓壓力后效越大;增壓電磁閥動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng),貯箱增壓壓力后效越大;增壓電磁閥后供氣管路氣體容積越大,貯箱增壓壓力后效越大。
增壓充氣流量由增壓供氣管路進(jìn)出口壓差、管路通徑、管路流阻共同決定。在確定增壓供氣壓力和管路通徑的情況下,一般通過(guò)設(shè)置節(jié)流孔板來(lái)改變管路流阻,進(jìn)而控制充氣流量。節(jié)流孔板流量計(jì)算公式為
(7)
由式(7)可知,節(jié)流孔板通徑越大,增壓充氣流量越大。顯然,孔板后管路壓力也越高。因此,結(jié)合式(6)分析可知,節(jié)流孔板通徑越大,在增壓電磁閥動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間內(nèi),進(jìn)入貯箱多余的氣體就越多,增壓后效越大。
貯箱地面增壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),對(duì)于選定的硬件而言,增壓動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間可以通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行確定;增壓電磁閥與貯箱之間的供氣管路規(guī)格、長(zhǎng)度確定后,可以計(jì)算出供氣管路氣體容積;在初步確定供氣管路節(jié)流孔板通徑后,通過(guò)理論計(jì)算或者借助工程仿真軟件AMESIM進(jìn)行增壓仿真分析來(lái)計(jì)算增壓后效大小,再根據(jù)計(jì)算結(jié)果并結(jié)合發(fā)射場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)增壓孔板通徑進(jìn)行調(diào)整,進(jìn)而控制增壓充氣流量,使貯箱增壓壓力后效滿足要求。
圖7 貯箱地面增壓仿真模型Fig.7 Simulation model of ground pressurization of tank
表1 仿真模型主要參數(shù)配置
圖8 不同孔板通徑下的貯箱增壓壓力曲線Fig.8 Pressurization process of tank with different orifices
從圖8中可以看出,節(jié)流孔板通徑越大,貯箱增壓過(guò)程中達(dá)到的壓力最高值越大,即增壓后效越大。同時(shí)可以看出,節(jié)流孔板通徑越大,貯箱增壓速度越快,貯箱增壓到目標(biāo)壓力所需時(shí)間也越短。0.5 mm,1 mm,1.5 mm節(jié)流孔板通徑下的貯箱增壓壓力滿足要求;2 mm,2.5 mm節(jié)流孔板通徑下的貯箱增壓最高壓力已超出目標(biāo)值要求,因此初步可以選擇增壓孔板通徑為0.5 mm,1 mm,1.5 mm。最終孔板通徑大小需進(jìn)一步結(jié)合發(fā)射場(chǎng)試驗(yàn)情況,并綜合考慮增壓時(shí)間進(jìn)行確定。
壓力信號(hào)器作為貯箱地面增壓系統(tǒng)關(guān)鍵控制元件,壓力信號(hào)器失效將直接影響貯箱射前增壓功能實(shí)現(xiàn),甚至導(dǎo)致發(fā)射任務(wù)推遲。壓力信號(hào)器為常閉式壓力開(kāi)關(guān),其主要失效模式為通斷異常,具體如下:
1)壓力升到設(shè)定值未斷開(kāi),造成的影響是貯箱增壓不止。
2)壓力降到設(shè)定值未接通,造成的影響是貯箱壓力下降后無(wú)法自動(dòng)補(bǔ)壓。
針對(duì)上述故障模式,貯箱地面增壓系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)設(shè)置緊急放氣電磁閥、冗余備份壓力信號(hào)器和冗余備份增壓電磁閥,在原壓力信號(hào)器失效的情況下,可以實(shí)現(xiàn)緊急放氣和冗余備保增壓,確保貯箱射前增壓工作正常。典型系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖9所示。
圖9 典型貯箱地面增壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)Fig.9 Typical design of tank ground pressurization system
基于壓力信號(hào)器控制貯箱地面增壓技術(shù)簡(jiǎn)單可靠,目前仍廣泛應(yīng)用于我國(guó)現(xiàn)役某些型號(hào)運(yùn)載火箭。常溫貯箱射前地面增壓時(shí)間較為寬裕,一般采用單氣路單壓力信號(hào)器控制增壓;低溫貯箱射前地面增壓時(shí)間較短,要求較快的增壓速率,一般采用雙氣路雙壓力信號(hào)器控制增壓。
貯箱射前地面增壓存在壓力后效,影響壓力后效大小的主要因素包括:增壓充氣流量、增壓電磁閥動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間、增壓電磁閥后供氣管路氣體容積。發(fā)射場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,通過(guò)在供氣管路上設(shè)置合適的節(jié)流孔板來(lái)控制增壓充氣流量,進(jìn)而控制貯箱增壓壓力后效滿足要求。
針對(duì)壓力信號(hào)器失效故障模式,通過(guò)設(shè)置緊急放氣電磁閥和冗余設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)緊急放氣和冗余備保增壓,可以確保貯箱射前增壓工作正常。