衛(wèi)星AIT階段推進系統(tǒng)壓力參數(shù)處理方法

王慶華 王金剛 關 威 洪曉鵬

(1 北京空間飛行器總體設計部,北京 100094)

(2 北京控制工程研究所,北京 100080)

(3 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所,北京 100094)

1 引言

衛(wèi)星裝配、總裝與測試(AIT)階段需要對電測產(chǎn)生的測試數(shù)據(jù)進行判讀,檢查測試數(shù)據(jù)是否在設計指標范圍內(nèi)。同時,為了檢查系統(tǒng)級、分系統(tǒng)級、單機指標測試數(shù)據(jù)在各階段測試的一致性和穩(wěn)定性,需要按照時間軸縱向?qū)ν粋€參數(shù)的測試數(shù)據(jù)進行比對。對于多星星座系統(tǒng),還需要對同一個測試階段同一系統(tǒng)級、分系統(tǒng)級、單機的同一個遙測參數(shù)進行測試數(shù)據(jù)的橫向比對,以考查各衛(wèi)星系統(tǒng)、分系統(tǒng)、單機指標的一致性和穩(wěn)定性。為方便對海量的測試數(shù)據(jù)進行管理,開發(fā)了衛(wèi)星測試數(shù)據(jù)一致性比對數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),通過數(shù)據(jù)接口將測試數(shù)據(jù)導入衛(wèi)星測試數(shù)據(jù)一致性比對系統(tǒng),對每個遙測參數(shù)制定相應的判讀規(guī)則,按照規(guī)則進行自動比對和判讀[1]。對于只與自身相關或只涉及簡單相關變量的遙測參數(shù),其判讀和比對的規(guī)則相對簡單,但對于涉及復雜相關參數(shù)的遙測參數(shù),在制定規(guī)則時,對與之相關的變量都要考慮其中。推進系統(tǒng)壓力參數(shù)與介質(zhì)壓力、環(huán)境壓力、環(huán)境溫度、靜置時間、壓力傳感器供電電壓及所在管路段的總泄漏率有關,因此在制定判讀和比對規(guī)則時,需要考慮多種情況,對相關參數(shù)進行復雜的處理和換算,以給出正確的比對和判讀結論[2]。本文以某雙組元衛(wèi)星為例,給出AIT階段推進系統(tǒng)壓力參數(shù)在測試數(shù)據(jù)一致性比對系統(tǒng)中的判讀規(guī)則,作為單星各測試階段時間軸縱向數(shù)據(jù)以及多星間同一測試階段橫向數(shù)據(jù)比對和判讀的依據(jù),通過該方法還可以間接檢查相應管路的氣密性。

2 整星AIT階段壓力傳感器所測的壓力

圖1 某雙組元衛(wèi)星推進系統(tǒng)原理圖[4]Fig.1 Frame of some bi-propellant propulsion system

某雙組元衛(wèi)星推進系統(tǒng)原理如圖1所示。在系統(tǒng)中高壓氣路、氧路、燃路分別裝有一個壓力傳感器,通過壓力傳感器的遙測參數(shù)獲取相應管路中壓力情況,三個壓力傳感器所在部分管路的配置情況如圖中線框部分所示。其中位于高壓氣路的壓力傳感器為高壓壓力傳感器PT1,在管路系統(tǒng)設計上,它直接與高壓氣瓶相通,因此它所測量的壓力就代表氣瓶的壓力[3](如圖1中虛線框所示)。另外兩個壓力傳感器分別位于氧化劑貯箱和燃燒劑貯箱的下游(圖1中實線框所示),編號分別為PT2 和PT3,氧路和燃路部件配置完全對稱。以氧路壓力傳感器PT2為例(圖1中左邊實線框),它位于兩組常閉電爆閥之間,其上游氧箱液口的常閉電爆閥PV16,在加注前地面起爆,下游的兩個并聯(lián)的常閉電爆閥PV2 和PV11,在星箭分離后起爆。為了防止加注過程中推進劑和管路中氣體混雜,導致姿控推力器點火時推力不連續(xù)或無推力,貯箱的液口端設置了一個低壓常閉電爆閥PV 16,在加注前對圖中實線框部分的管路抽真空后起爆為常開狀態(tài),然后再進行推進劑加注。為了保證加注后至星箭分離前,氧化劑能夠與燃燒劑及發(fā)動機系統(tǒng)完全隔離,保證地面加/排推進劑操作簡便安全,提高系統(tǒng)在發(fā)射過程中的安全性、可靠性,在壓力傳感器下游、發(fā)動機系統(tǒng)上游設置了一組并聯(lián)的常閉電爆閥PV2 和PV11。因此,在整星AIT階段,貯箱與壓力傳感器之間的通路沒有打通之前,即在衛(wèi)星加注之前,壓力傳感器PT2所測得的壓力,只代表圖中實線框所示的介于兩組低壓常閉電爆閥之間的局部管路壓力,衛(wèi)星加注后至在軌運行期間它們才反映貯箱的壓力[4]。

3 整星AIT階段推進系統(tǒng)管路密封性要求及充壓要求

推進系統(tǒng)的密封性要求分為系統(tǒng)級密封要求和單點密封要求。系統(tǒng)級密封要求包括氣路和液路密封性要求。系統(tǒng)級密封性要求的檢測方法為被測系統(tǒng)在密閉的收集室靜置一定時間,通過系統(tǒng)外環(huán)境檢測氣體濃度的變化,來計算得到系統(tǒng)級漏率指標[5]。單點密封包括焊接點和螺接點密封,一般情況下焊接點的密封效果優(yōu)于螺接點,因此推進系統(tǒng)管路的連接,原則上采用焊接,對于系統(tǒng)測試試驗過程中,可能產(chǎn)生拆裝操作或加排工質(zhì)的連接點一般采用螺接。焊接點的漏率在10-4Pa·L/s 量級以下,螺接點漏率在10-3Pa·L/s 以下。單點的漏率通過氦質(zhì)譜儀檢測[5]。

整星AIT階段推進系統(tǒng)的靜置存儲壓力一般為0.2M Pa。在氣路聯(lián)試、力學試驗、檢漏等試驗時,才根據(jù)具體要求給相關管路及壓力容器充壓。試驗完成后,系統(tǒng)中仍保留0.2M Pa 的保護氣體。在整星電測期間推進系統(tǒng)充壓按照存儲壓力設置,即0.2M Pa。

4 推進系統(tǒng)壓力參數(shù)比對和判讀方法

4.1 計算公式

推進系統(tǒng)共有5個壓力參數(shù),其中高壓壓力傳感器有一個遙測參數(shù)PJ1,氧箱壓力傳感器PT2 有兩個遙測參數(shù)PJ2 和PJ4,燃箱壓力傳感器PT3 有兩個遙測參數(shù)PJ3 和PJ5。5個壓力參數(shù)中PJ4 和PJ5為精遙測參數(shù),在壓力低于1M Pa時,只顯示為1個常數(shù),不顯示真值。整星地面測試階段,壓力傳感器段管路一般充壓0.2M Pa,因此,在進行測試數(shù)據(jù)判讀時,不對PJ4 和PJ5 進行比對和判讀。

對于一般遙測參數(shù)的判讀和比對,通常是給出參數(shù)的正常值范圍,首先,看測量值是否在正常值范圍內(nèi),其次,看歷次測量參數(shù)的變化是否穩(wěn)定收斂。對于壓力遙測參數(shù),由于其受所充介質(zhì)壓力、介質(zhì)所處的環(huán)境溫度、外界環(huán)境壓力、靜置時間及所在管路段的總泄漏率有關,單從遙測參數(shù)的測量值上看,通常是不收斂的,并且由于上述因素的影響,測量值的差別可能很大,因此在制定判讀和比對規(guī)則時,不能簡單給一個參數(shù)的范圍或者按照趨勢收斂進行正確性判讀,需要對相關參數(shù)進行相應的處理和換算。公式(1)給出壓力傳感器遙測參數(shù)一致性比對和判讀的處理方法。

式(1)中Pt0為t0時刻壓力傳感器遙測參數(shù)測量值,單位M Pa;

P(t0+Δt)為(t0+Δt)時刻壓力傳感器遙測參數(shù)測量值,單位MPa;

Tt0為t0時刻介質(zhì)所處的環(huán)境溫度,單位K;

T(t0+Δt)為(t0+Δt)時刻介質(zhì)所處的環(huán)境溫度,單位K;

V為與壓力傳感器連通的管路及壓力容器的總體積,單位L;

Δt為前后兩次測量的時間差,單位s;

QWi為第i條焊縫的漏率,單位Pa·L/s;

QSj為第j個螺接點的漏率,單位Pa·L/s;

i為該段管路上的焊縫條數(shù);

j為該段管路上的螺接點個數(shù)。

公式(1)考慮了壓力傳感器所在部分管路的總漏率及環(huán)境溫度的差異。對于工程應用,根據(jù)具體情況可對公式(1)進行簡化計算。

4.2 管路總漏率的選取

壓力傳感器段管路上焊接點數(shù)量大約有20個,螺接點2個:一個是壓力傳感器螺接點,一個是加排閥螺接點。加排閥的螺紋密封是加排閥與系統(tǒng)外部間的密封,對應漏率為加排閥的外漏率QS1。整星AIT階段對加排閥的操作較多,為防止反復擰緊加排閥螺帽致使加排閥球頭密封面或密封螺紋損傷,AIT階段加排閥采用材料硬度較小的工藝堵帽密封,且擰緊力矩受限,實測其密封效果一般為QS1小于1×10-2Pa·L/s。加排閥內(nèi)部還有一道彈簧密封,介于系統(tǒng)高壓部分和螺紋密封形成的低壓腔之間,與系統(tǒng)外部不接觸,對應漏率為加排閥的內(nèi)漏率QMV內(nèi),實測結果一般小于3×10-2Pa·L/s。在加排閥沒有擰螺帽時,彈簧密封便與系統(tǒng)外接觸,加排閥的內(nèi)漏率水平,也就代表了加排閥向系統(tǒng)外泄漏工質(zhì)的情況。根據(jù)多顆衛(wèi)星統(tǒng)計結果,焊接點漏率一般小于1×10-5Pa·L/s,壓力傳感器螺接點漏率一般小于1×10-5Pa·L/s,由此看出,加排閥的外漏率QS1對壓力傳感器所在的管路部分漏率貢獻最大,比其他所有連接點的總漏率要大2～3個數(shù)量級。因此,在采用公式(1)進行計算時總漏率可以近似只考慮加排閥的漏率QS1。有

考慮極限,即取沒有工藝堵帽的情況,此時加排閥向系統(tǒng)外的泄漏按加排閥的內(nèi)漏率QMV內(nèi)進行計算,有關系式QMV 內(nèi)≥QS1,于是,公式(1)進行推導可以簡化為

以某星氧路壓力傳感器遙測參數(shù)PJ2為例,A階段某月5日14:00:00 電測時Pt0=0.161MPa,B 階段當月15日14:00:00 電測時,P(t0+Δt)=0.149MPa,環(huán)境溫度一致,QMV內(nèi)取≤3×10-2Pa·L/s,管路體積取30ml。按照公式(3)計算,考慮管路的正常泄漏時,計算兩個時間點之間的壓差為0.864MPa(公式不等號右邊),而實際壓差僅為0.012MPa(公式不等號左邊),因此,認為PJ2 雖然在變化,但加排閥的正常泄漏足以引起這個變化,是正常的。

將公式(1)進行推導,即可得到該段管路的總漏率表達式

上述算例按照公式(4)計算得到該段管路總漏率為4.2×10-4Pa·L/s,小于加排閥的內(nèi)漏率3×10-2Pa·L/s。因此認為該段管路的泄漏情況正常。

4.3 常溫下判讀方法的簡化

常溫常壓下環(huán)境溫度的波動,對壓力參數(shù)的影響較小,可以忽略,壓力參數(shù)的判讀方法可以簡化為

對于氣容大的管路系統(tǒng),溫度變化對氣體壓力的影響較小[6],因此,在非常溫狀態(tài)時,也可以采用公式(5)進行計算,比如熱試驗時,高壓壓力傳感器遙測參數(shù)的判讀,可以按照公式(5)進行;當氣容小時,溫度對壓力的影響顯著。特別是氧箱和燃箱下游的壓力傳感器所在的管路,體積只有30ml 左右,在熱試驗時,由溫度引起的壓力變化在0.05M Pa 以上,不能忽略溫度的影響。

4.4 環(huán)境壓力對壓力參數(shù)的影響

衛(wèi)星氧箱壓力傳感器和燃箱壓力傳感器選用雙膜片壓阻式壓力傳感器,其中一個膜片測介質(zhì)壓力P1,另一個膜片測環(huán)境壓力P0,二者做減法,得到壓力傳感器的測量壓力P[7]。因此環(huán)境壓力對壓力傳感器的遙測參數(shù)也有影響。

當環(huán)境壓力為大氣環(huán)境時,P0為當?shù)丨h(huán)境大氣壓,當熱試驗時,環(huán)境壓力為真空罐的壓力,近似為0M Pa。在不考慮管路泄漏的情況下,衛(wèi)星從大氣環(huán)境到進入真空環(huán)境,氧箱壓力傳感器和燃箱壓力傳感器的遙測參數(shù),會增大一個當?shù)丨h(huán)境大氣壓。熱試驗的罐前測試和進入真空罐的測試數(shù)據(jù)比對,采用公式(6)作為判據(jù)。

衛(wèi)星高壓壓力傳感器選用的是單膜片壓阻式壓力傳感器,只有一個測介質(zhì)壓力P1的膜片,壓力傳感器的測量壓力P 等于介質(zhì)壓力P1[7]。因此環(huán)境壓力對壓力傳感器的遙測參數(shù)不產(chǎn)生影響。

大氣壓力隨海拔高度的增加而減小[8],在不考慮管路泄漏的情況下,衛(wèi)星從海拔低的地方運至海拔高的地方,壓力傳感器的遙測參數(shù)也會相應增加。

4.5 壓力傳感器供電電壓對壓力參數(shù)的影響

壓阻式壓力傳感器的測量原理是將硅膜片的機械應變ε變成電阻值變化,從而引起測量電路輸出電壓的變化[9]。測量電路是典型的惠斯登電橋,如圖2所示。

圖2 壓阻式壓力傳感器測量電路Fig.2 Acircuit of Wheatstone bridge used in piezoresistive pressure transducer

假設電源電壓為E ,輸出電壓為U ,當被測壓力加在膜片上時電阻R1和R3處于正應力區(qū),阻值增大,電阻R2和R4處于負應力區(qū),阻值變小。則輸出電壓可以表示為[10]

由公式(7)可以看出,給壓力傳感器供電的電源電壓對輸出電壓有直接影響,而壓力傳感器的輸出電壓與測量壓力之間呈線性關系,因此供電電壓的變化將影響壓力測量值。在供電電源不變的情況下,該因素可以不考慮。

4.6 其他影響壓力參數(shù)比對結果的因素

在按照時間縱向數(shù)據(jù)對壓力傳感器的遙測參數(shù)進行一致性比對和判讀時,需要注意的是兩次壓力監(jiān)測之間應沒有進行過壓力傳感器遙測系數(shù)的修改,并且沒有進行過加排閥的操作。

5 結束語

本文結合某雙組元衛(wèi)星推進系統(tǒng)的設計,分析了AIT階段壓力傳感器所測管路壓力的特性,結合衛(wèi)星選用的壓阻式壓力傳感器的特點,考慮介質(zhì)壓力、環(huán)境壓力、環(huán)境溫度、靜置時間、管路泄漏、供電電壓等多種因素對壓力遙測參數(shù)一致性比對結果的影響,在理想氣體狀態(tài)方程的基礎上加以推導,結合工程應用實際,總結出AIT階段衛(wèi)星雙組元推進系統(tǒng)壓力傳感器遙測參數(shù)的處理方法,為星上數(shù)據(jù)比對和判讀提供判讀依據(jù),以指導工程應用。該方法運算簡單,不需要借助工具,計算精度能夠滿足工程使用要求,同時起到間接檢查管路氣密性的作用。

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