用于并聯(lián)金屬膜片貯箱均衡排放的一種控制方法

魏彥祥，趙 京

（上?？臻g推進(jìn)研究所，上海 200233）

0 引言

為提高承載能力，目前大型靜止軌道衛(wèi)星、飛船、深空探測(cè)器等航天器普遍采用四貯箱兩兩并聯(lián)的布局構(gòu)型：兩個(gè)氧化劑貯箱并聯(lián)，兩個(gè)燃料貯箱并聯(lián)。航天器工作過(guò)程中，相同組元兩個(gè)并聯(lián)貯箱內(nèi)的推進(jìn)劑消耗質(zhì)量會(huì)存在差異，這個(gè)差異稱為并聯(lián)貯箱排放不均衡量。并聯(lián)貯箱的排放不均衡會(huì)引起航天器的質(zhì)心變化，超差時(shí)會(huì)影響航天器的正常工作，嚴(yán)重時(shí)甚至能導(dǎo)致航天器失控翻轉(zhuǎn)，因此并聯(lián)貯箱的排放不均衡量一直是推進(jìn)系統(tǒng)的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)。并聯(lián)金屬膜片貯箱的排放不均衡量既與并聯(lián)的兩個(gè)金屬膜片貯箱本身的金屬膜片壓差性能差異有關(guān)，也與推進(jìn)系統(tǒng)的管路流阻特性有關(guān)。

本文主要研究并聯(lián)金屬膜片貯箱均衡排放的控制措施，探討并聯(lián)金屬膜片貯箱均衡排放的分析評(píng)定和試驗(yàn)驗(yàn)證方法，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證并聯(lián)金屬膜片貯箱均衡排放的控制措施。

1 并聯(lián)金屬膜片貯箱均衡排放試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)配置

并聯(lián)金屬膜片貯箱的均衡排放性能，需要通過(guò)地面試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。并聯(lián)貯箱均衡排放試驗(yàn)采用全系統(tǒng)配置，充分考慮貯箱性能差異和管路布局不同對(duì)并聯(lián)均衡排放的影響。

1.2 試驗(yàn)稱重方案

采用全系統(tǒng)配置進(jìn)行并聯(lián)貯箱均衡排放試驗(yàn)，能夠真實(shí)模擬推進(jìn)系統(tǒng)工作過(guò)程中兩個(gè)并聯(lián)貯箱內(nèi)推進(jìn)劑（模擬工質(zhì)）的消耗過(guò)程，但是怎樣實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地測(cè)量?jī)蓚€(gè)貯箱內(nèi)推進(jìn)劑的質(zhì)量卻比較困難。如果直接在貯箱出口安裝流量計(jì)，也能實(shí)時(shí)測(cè)出貯箱的流量，但是破壞了推進(jìn)系統(tǒng)的管路特性，系統(tǒng)管路走向和流阻發(fā)生了變化，試驗(yàn)結(jié)果不能反映真實(shí)產(chǎn)品的性能。如果采用非接觸式流量計(jì)，系統(tǒng)管路的流阻特性沒變，但是流量計(jì)的精度不能滿足試驗(yàn)要求。推進(jìn)系統(tǒng)的貯箱通常安裝在星體的主承力結(jié)構(gòu)上，采用電子秤無(wú)法直接測(cè)量貯箱內(nèi)推進(jìn)劑的質(zhì)量。如果不用星體結(jié)構(gòu)、貯箱直接放在電子秤上，也能實(shí)時(shí)測(cè)出貯箱內(nèi)推進(jìn)劑的質(zhì)量，但是管路走向、布局無(wú)法保證，試驗(yàn)結(jié)果也不能反映真實(shí)產(chǎn)品的性能。

本文以采用并聯(lián)金屬膜片貯箱布局構(gòu)型的一個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)為例，探討并聯(lián)金屬膜片貯箱均衡排放試驗(yàn)的設(shè)計(jì)和控制措施。該推進(jìn)系統(tǒng)的貯箱安裝構(gòu)型見圖1，4個(gè)貯箱（2個(gè)并聯(lián)氧化劑貯箱＋2個(gè)并聯(lián)燃料貯箱）通過(guò)底端法蘭安裝在星體主結(jié)構(gòu)上。

為實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確測(cè)量貯箱內(nèi)推進(jìn)劑的質(zhì)量，仍采用星體結(jié)構(gòu)來(lái)安裝和固定貯箱、氣瓶等組件和管路系統(tǒng)，但同時(shí)對(duì)星體結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，使電子秤能夠直接測(cè)量單個(gè)貯箱的重量。把星體結(jié)構(gòu)上連接貯箱安裝法蘭的部位切掉，使貯箱通過(guò)支撐座直接落在電子秤上，由電子秤支撐貯箱，試驗(yàn)系統(tǒng)的稱重方法示意見圖2。和貯箱連接的鈦合金管路對(duì)貯箱有剛性支撐作用，會(huì)使電子秤測(cè)量的重量不是貯箱的真實(shí)重量。為消除剛性管路對(duì)貯箱的支撐，可把與貯箱直接相連的管路改成軟管，或者把與貯箱相連的所有管路緊固裝置松開，使貯箱上下運(yùn)動(dòng)時(shí)管路不對(duì)貯箱產(chǎn)生牽引力。如果貯箱的連接管路采用軟管，管路的走向難于固定，管路流阻與真實(shí)產(chǎn)品不同，所以試驗(yàn)采用松開管路緊固裝置的方法來(lái)消除剛性管路對(duì)貯箱的牽引力。

并聯(lián)金屬膜片貯箱的均衡排放試驗(yàn)，模擬了推進(jìn)系統(tǒng)的真實(shí)工作過(guò)程，它通過(guò)4個(gè)電子秤，實(shí)時(shí)測(cè)量4個(gè)金屬膜片貯箱內(nèi)的推進(jìn)劑（模擬工質(zhì)）質(zhì)量，得到并聯(lián)金屬膜片貯箱的并聯(lián)排放不均衡量。

2 并聯(lián)貯箱均衡排放試驗(yàn)的評(píng)定方法

地面試驗(yàn)用模擬工質(zhì)代替真實(shí)推進(jìn)劑，試驗(yàn)得到的不均衡量是模擬工質(zhì)的質(zhì)量。推進(jìn)系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)是推進(jìn)劑的不均衡量，推進(jìn)劑的不均衡需要轉(zhuǎn)換成模擬工質(zhì)的質(zhì)量，才能評(píng)價(jià)并聯(lián)貯箱均衡排放試驗(yàn)是否滿足要求。

并聯(lián)貯箱不均衡量指標(biāo)為3%，即兩個(gè)并聯(lián)貯箱在推進(jìn)系統(tǒng)全程工作過(guò)程中貯箱內(nèi)推進(jìn)劑消耗質(zhì)量的差異不超過(guò)單個(gè)貯箱加注量的3%，用公式表示如下：

式中：Q1為1＃貯箱的推進(jìn)劑質(zhì)量流量；Q2為2＃貯箱的推進(jìn)劑質(zhì)量流量；t為排放推進(jìn)劑的工作時(shí)間。

試驗(yàn)時(shí)使用去離子水作模擬工質(zhì)，貯箱的推進(jìn)劑質(zhì)量流量與去離子水的質(zhì)量流量的關(guān)系如下：

式中：Q1水為1＃貯箱去離子水質(zhì)量流量；Q2水為2＃貯箱內(nèi)去離子水質(zhì)量流量；ρ為推進(jìn)劑密度；ρ水為去離子水密度。

把公式 （2）中 Q1和 Q2關(guān)于 Q1水、Q2水的表達(dá)式代入公式（1），得到兩并聯(lián)貯箱水流量不同步的表達(dá)式：

上式t為排放推進(jìn)劑的工作時(shí)間，需要把t轉(zhuǎn)化為排放去離子水的時(shí)間t水。在公式（3）兩邊乘得到試驗(yàn)過(guò)程兩并聯(lián)貯箱排放去離子水允許的不均衡質(zhì)量：

式中：M為推進(jìn)劑加注量（氧化劑加注1 619 kg，燃料加注981 kg）；M水為試驗(yàn)時(shí)去離子水的加注量（1 120 kg）；η為貯箱排放效率。

由公式（4）和公式（5）算出氧化劑路并聯(lián)貯箱允許的最大不均衡質(zhì)量為16.8 kg，燃料路并聯(lián)貯箱允許的最大不均衡質(zhì)量為15.8 kg，用公式表示如下：

公式（6）的物理意義是：按照并聯(lián)貯箱不均衡量3%的指標(biāo)要求，地面用模擬工質(zhì)試驗(yàn)時(shí)，兩個(gè)并聯(lián)氧化劑路貯箱的最大不均衡量不超過(guò)16.8 kg及兩個(gè)并聯(lián)燃料路貯箱的最大不均衡量不超過(guò)15.8 kg時(shí)，推進(jìn)系統(tǒng)并聯(lián)貯箱均衡排放滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

3 并聯(lián)金屬膜片貯箱均衡排放試驗(yàn)和均衡排放控制措施研究

3.1 并聯(lián)金屬膜片貯箱均衡排放試驗(yàn)

按照上述試驗(yàn)方法，進(jìn)行并聯(lián)金屬膜片貯箱均衡排放試驗(yàn)。試驗(yàn)采用全系統(tǒng)配置，安裝四個(gè)金屬膜片貯箱。試驗(yàn)過(guò)程氧化劑貯箱和燃料貯箱的重量變化見圖3和圖4，試驗(yàn)全程兩個(gè)氧化劑貯箱并聯(lián)排放最大不均衡量是29.1 kg，兩個(gè)燃料貯箱并聯(lián)排放最大不均衡量是13.5 kg。氧化劑路不均衡量超過(guò)了16.8 kg的指標(biāo)要求，燃料路滿足不超過(guò)15.8 kg的指標(biāo)要求。

試驗(yàn)過(guò)程兩個(gè)氧化劑貯箱的膜片壓差散布不超過(guò)0.005 MPa，兩個(gè)燃料貯箱膜片壓差程散布不超過(guò)0.003 MPa。氧化劑貯箱0.005 MPa的壓差散布會(huì)導(dǎo)致7.8 kg模擬工質(zhì)的不均衡量，燃料貯箱0.003 MPa的壓差散布會(huì)導(dǎo)致4.7 kg模擬工質(zhì)的不均衡量。并聯(lián)金屬膜片貯箱本身的性能差異導(dǎo)致的并聯(lián)排放不均衡量約占不均衡量指標(biāo)的30%～46%，不會(huì)造成并聯(lián)貯箱均衡排放超差。因?yàn)橛绊懖⒙?lián)貯箱均衡排放性能的兩個(gè)主要因素是貯箱本身的性能差異和管路系統(tǒng)流阻，所以兩路氧化劑的管路系統(tǒng)流阻不平衡就是導(dǎo)致氧化劑路并聯(lián)貯箱均衡排放超差的主要原因。

3.2 并聯(lián)金屬膜片貯箱均衡排放控制措施研究

3.2.1 并聯(lián)貯箱均衡排放超差原因的試驗(yàn)驗(yàn)證

并聯(lián)金屬膜片貯箱均衡排放試驗(yàn)結(jié)果氧化劑路貯箱并聯(lián)均衡排放超差，經(jīng)理論分析認(rèn)為超差是由管路系統(tǒng)流阻不平衡導(dǎo)致。為確認(rèn)氧化劑路貯箱并聯(lián)均衡排放超差的原因，設(shè)計(jì)并進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)。氧化劑貯箱用兩個(gè)相同空殼貯箱替換，剝離貯箱性能差異對(duì)并聯(lián)均衡排放的影響后進(jìn)行氧化劑路的并聯(lián)排放試驗(yàn)，試驗(yàn)得到氧化劑貯箱的并聯(lián)不均衡量為23 kg。驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，剝離貯箱本身性能差異的影響，兩路氧化劑管路系統(tǒng)流阻的差異已經(jīng)導(dǎo)致貯箱的并聯(lián)均衡排放指標(biāo)超差，證明了兩路氧化劑管路系統(tǒng)流阻不平衡是導(dǎo)致氧化劑路貯箱并聯(lián)均衡排放超差的原因。

因貯箱和主發(fā)動(dòng)機(jī)氧化劑控制閥、燃料控制閥的空間布局位置限制，試驗(yàn)系統(tǒng)的兩路氧化劑管路長(zhǎng)度和走向不同、兩路燃料管路長(zhǎng)度和走向基本相同，試驗(yàn)系統(tǒng)的管路實(shí)際狀態(tài)會(huì)導(dǎo)致兩路氧化劑管路系統(tǒng)流阻不平衡，與試驗(yàn)結(jié)果一致。

3.2.2 并聯(lián)貯箱均衡排放控制措施研究

既然管路系統(tǒng)流阻不平衡是導(dǎo)致并聯(lián)貯箱均衡排放超差的原因，那么把管路系統(tǒng)流阻調(diào)平就是控制并聯(lián)貯箱均衡排放的有效措施。燃料路貯箱的并聯(lián)排放指標(biāo)滿足要求，說(shuō)明燃料路的兩路流阻已經(jīng)基本平衡，只需把氧化劑路的兩路流阻調(diào)平。

采取在流阻較小的氧化劑貯箱出口管路上增加節(jié)流環(huán)節(jié)的方法來(lái)增加流阻，把氧化劑路的管路系統(tǒng)流阻調(diào)平后，仍然用兩個(gè)空殼貯箱進(jìn)行并聯(lián)氧化劑貯箱的均衡排放試驗(yàn)，試驗(yàn)得到的氧化劑貯箱并聯(lián)不均衡量為10 kg。試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明兩路氧化劑管路系統(tǒng)的流阻已經(jīng)基本調(diào)平，管路系統(tǒng)的并聯(lián)均衡排放結(jié)果由調(diào)節(jié)前的23 kg降低到調(diào)整后的10 kg，滿足了指標(biāo)要求。

3.2.3 實(shí)施控制措施后并聯(lián)金屬膜片貯箱均衡排放的試驗(yàn)驗(yàn)證

兩路氧化劑路管路系統(tǒng)流阻調(diào)平后，把兩個(gè)氧化劑路的空殼貯箱更換為原來(lái)的金屬膜片貯箱，燃料貯箱仍使用原來(lái)的金屬膜片貯箱，采用四個(gè)金屬膜片貯箱進(jìn)行全系統(tǒng)的并聯(lián)均衡排放試驗(yàn)，用來(lái)驗(yàn)證采取控制措施后并聯(lián)金屬膜片貯箱的均衡排放性能是否滿足技術(shù)指標(biāo)要求。試驗(yàn)過(guò)程氧化劑貯箱和燃料貯箱的重量變化見圖5和圖6，試驗(yàn)結(jié)果兩個(gè)并聯(lián)氧化劑貯箱的最大不均衡量為11.4 kg、兩個(gè)并聯(lián)燃料貯箱的最大不均衡量為14 kg，滿足氧化劑路不超過(guò)16.8 kg、燃料路不超過(guò)15.8 kg的指標(biāo)要求。

驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，并聯(lián)金屬膜片貯箱的均衡排放控制措施有效，實(shí)施控制措施后，試驗(yàn)系統(tǒng)的金屬膜片貯箱的并聯(lián)排放不均衡量滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)并聯(lián)金屬膜片貯箱的均衡排放控制措施展開研究，設(shè)計(jì)了能夠準(zhǔn)確測(cè)量并聯(lián)貯箱排放不同步量的試驗(yàn)方案，推導(dǎo)并建立了并聯(lián)貯箱均衡排放試驗(yàn)的評(píng)定方法，針對(duì)具體算例進(jìn)行了并聯(lián)金屬膜片貯箱的均衡排放試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程采取控制措施把金屬膜片貯箱的并聯(lián)排放不均衡量控制到了指標(biāo)要求范圍之內(nèi)。

本研究得出的并聯(lián)金屬膜片貯箱均衡排放控制措施如下：

1)推進(jìn)分系統(tǒng)進(jìn)行全系統(tǒng)水試，測(cè)出兩路并聯(lián)貯箱管路系統(tǒng)的流阻差異。

2)采用孔板節(jié)流方法把管路系統(tǒng)的流阻調(diào)平。

3)管路流阻系統(tǒng)調(diào)平后，通過(guò)全系統(tǒng)水試驗(yàn)證貯箱的均衡排放滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

4)固化管路系統(tǒng)狀態(tài)。

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