新一代運載火箭閉式增壓控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

胡海峰 宋征宇 范瑞祥

1.北京航天自動控制研究所，北京100854

2.中國運載火箭技術(shù)研究院，北京100076

運載火箭作為航天活動的基礎(chǔ)，因其能力和水平?jīng)Q定了一個國家進(jìn)出宇宙空間的能力，所以一直都是各國優(yōu)先考慮和重點發(fā)展的對象。進(jìn)入二十一世紀(jì)，為適應(yīng)航天技術(shù)快速發(fā)展的要求，中國相繼開始研制新一代大型、中型和小型運載火箭，推力為50t級的氫氧發(fā)動機(jī)和推力為120t級的液氧煤油發(fā)動機(jī)將作為新一代運載火箭的主要動力系統(tǒng)［1-2］。同時，還需要研究新一代運載火箭配套的增壓控制系統(tǒng)。

1 液體運載火箭增壓系統(tǒng)簡介

液體運載火箭在點火啟動和飛行過程中，隨著燃料的迅速消耗，以及飛行時引力、大氣壓和熱交換的變化帶來的影響，推進(jìn)劑貯箱內(nèi)的壓力會迅速下降，導(dǎo)致推進(jìn)劑不能正常供應(yīng)，因此需要有壓力控制系統(tǒng)來提升和穩(wěn)定貯箱內(nèi)的壓力，該系統(tǒng)稱為增壓系統(tǒng)。系統(tǒng)需要根據(jù)推進(jìn)劑貯箱的氣枕壓力曲線設(shè)計，滿足氣枕的壓力需求［3-5］。增壓系統(tǒng)是液體運載火箭的重要功能組成部分，它的功能是提供液體火箭推進(jìn)劑貯箱氣枕壓力，滿足發(fā)動機(jī)啟動及飛行過程中所需的推進(jìn)劑入口正常的工作壓力，滿足火箭推進(jìn)劑貯箱薄壁結(jié)構(gòu)承載所需的內(nèi)壓要求，保證貯箱結(jié)構(gòu)有足夠的強(qiáng)度和剛度［1，4，6］。增壓系統(tǒng)按照增壓介質(zhì)來源不同分為 3類［1，7-10］:1)利用發(fā)動機(jī)燃燒產(chǎn)物作為增壓介質(zhì)的燃?xì)庠鰤?2)利用火箭的推進(jìn)劑組元經(jīng)發(fā)動機(jī)加熱汽化作為增壓介質(zhì)的自生增壓;3)配備獨立貯存增壓介質(zhì)的貯氣式增壓。以增壓壓力是否受控進(jìn)行區(qū)分，增壓方案可分為開式增壓和閉式增壓2種。開式增壓系統(tǒng)組成簡單，但增壓氣體流量固定，增壓壓力設(shè)計值一般偏高，增壓氣體使用量相對較多。閉式增壓方案需要設(shè)置貯箱壓力敏感裝置和增壓流量調(diào)節(jié)裝置，系統(tǒng)較為復(fù)雜，但在節(jié)約增壓氣體用量方面具有顯著優(yōu)勢。國內(nèi)外使用氣瓶增壓的低溫液體運載火箭普遍采用閉式增壓。對于氣瓶增壓方案中的閉式增壓控制主要有3種模式，對比見表1。

表1 閉式增壓控制方案對比分析

通過閉式增壓控制方案分析［1］，新一代運載火箭120t級液氧煤油動力系統(tǒng)煤油貯箱采用常溫氦氣增壓，液氧貯箱采用常溫氦氣加溫增壓，通過設(shè)置在貯箱氣枕的冗余數(shù)字式壓力傳感器敏感貯箱壓力，增壓控制器基于壓力數(shù)據(jù)和增壓控制方程對多路并聯(lián)的電磁閥進(jìn)行打開/關(guān)閉控制，從而實現(xiàn)增壓氦氣流量調(diào)節(jié)，將貯箱壓力控制在理想范圍內(nèi)。

2 高可靠全數(shù)字閉式增壓控制系統(tǒng)

2.1 閉式增壓控制系統(tǒng)框圖

針對新一代運載火箭動力系統(tǒng)推進(jìn)劑貯箱增壓需求，提出一種高可靠全數(shù)字閉式增壓控制系統(tǒng)，可靠靈活地實施推進(jìn)劑貯箱壓力控制。系統(tǒng)由冗余數(shù)字壓力傳感器、增壓控制器、多路增壓電磁閥及孔板、氣瓶組、過濾器和配套的電路氣路組成閉式反饋壓力控制系統(tǒng)，見圖1。系統(tǒng)通過設(shè)置在貯箱氣枕的冗余數(shù)字壓力傳感器敏感貯箱壓力，壓力傳感器基于薄膜應(yīng)變式測壓原理采用惠斯通電橋測量壓力，并將壓力信號通過數(shù)字總線傳輸給三模冗余增壓控制器;增壓控制器冗余錄取三組貯箱壓力傳感器信號，經(jīng)數(shù)據(jù)合理性判別、濾波處理后按增壓控制算法以三取二方式實現(xiàn)多路電磁閥的開閉程序控制，并設(shè)計備保固定時序增壓控制算法實現(xiàn)壓力數(shù)據(jù)極端故障下的備保壓力控制，從而實現(xiàn)增壓氣體流量調(diào)節(jié)，將貯箱壓力控制在理想范圍。推進(jìn)劑貯箱冗余設(shè)置數(shù)字壓力傳感器，每個貯箱設(shè)置3個，貯箱壓力由引壓管引出并與壓力傳感器敏感端面相接，實現(xiàn)對同一被測物理量壓力的冗余測量。貯箱冗余數(shù)字壓力傳感器、三模冗余增壓控制器、增壓電磁閥等組成三模系統(tǒng)級冗余控制回路，主增壓電磁閥、輔增壓電磁閥、備保增壓電磁閥構(gòu)成系統(tǒng)的容錯控制對象，加熱器為氣路中增壓氣體加熱設(shè)備。數(shù)字壓力傳感器在火箭中的安裝見圖2。

圖1 高可靠全數(shù)字閉式增壓控制系統(tǒng)框圖

圖2 冗余數(shù)字壓力傳感器安裝

2.2 數(shù)字壓力傳感器設(shè)計

數(shù)字式壓力傳感器用于儲箱壓力測量，在起飛前參與加注過程、射前增壓過程、射前增壓控制和貯箱壓力監(jiān)測，飛行過程中實時獲取貯箱壓力，作為控制系統(tǒng)進(jìn)行增壓控制的判據(jù)。推進(jìn)劑貯箱冗余設(shè)置數(shù)字壓力傳感器，每個貯箱設(shè)置3個，每個數(shù)字壓力傳感器包括壓力單元、敏感元件、信號調(diào)理單元、微處理器單元和通信接口，整機(jī)采用一體化設(shè)計，見圖3。貯箱壓力由引壓管引出，并與壓力傳感器敏感端面相接，實現(xiàn)對同一被測物理量壓力的冗余測量。壓力單元將貯箱壓力傳遞給敏感元件，敏感元件感應(yīng)外部壓力并轉(zhuǎn)換為差動毫伏級電壓信號，將該信號經(jīng)信號調(diào)理單元依次檢波、濾波和放大調(diào)理為模擬量電壓信號后送至微處理器，微處理器采集放大后的壓力電壓信號，并對該信號進(jìn)行溫度補(bǔ)償、零點校準(zhǔn)和線性校正后成為數(shù)字壓力信號，再將該數(shù)字壓力信號組幀后形成幀格式的數(shù)字壓力信號，通過通信接口以數(shù)字信號形式輸出至增壓控制器。壓力傳感器結(jié)構(gòu)見圖4。

圖3 數(shù)字壓力傳感器功能框圖

圖4 壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

數(shù)字式壓力傳感器基于薄膜應(yīng)變式測壓原理，當(dāng)被測壓力發(fā)生變化時，彈性膜片相應(yīng)發(fā)生微小形變，由于電阻應(yīng)變效應(yīng)迫使惠斯通電橋橋臂電阻值發(fā)生變化，從而使傳感器的輸出電壓值也相應(yīng)的發(fā)生變化，壓力傳感器技術(shù)指標(biāo)如下:量程:0～0.6MPa;精度:≤1%F.S;過載壓力:1.5倍量程，安全壓力:2倍量程;電源供電:±15V±1V;電流功耗:+15V≤80mA，-15V≤30mA;輸出接口:雙路隔離RS-485串行數(shù)字接口。

2.3 增壓控制器設(shè)計

增壓控制器采用三模冗余設(shè)計，由控制裝置1，2，3和指令輸出模塊組成，見圖5。三控制裝置相同，每余度控制裝置獨立供電，具有獨立的CPU，各采用獨立的數(shù)字通信接口分別錄取冗余設(shè)置的貯箱壓力信號。指令輸出模塊采用固態(tài)繼電器三取二的方式，由3個控制裝置分別控制5個繼電器動作，當(dāng)至少2個控制裝置有輸出時指令才被輸出，如圖4中 AKi，BKi，CKi(i=1，2)代表三塊 CPU 板控制的固體繼電器，以第一路功率指令輸出為例，功率指令輸出采用以下控制邏輯:

AK1，BK1，BK2，CK1，CK2 為控制邏輯，取值為邏輯0或邏輯1;AKi為CPUA控制邏輯;BKi為CPUB控制邏輯;CKi為CPUC控制邏輯?！啊伞睘檫壿嬇c運算，“∪”為邏輯或運算，當(dāng)OUT功率指令1為邏輯1時，功率指令控制通路接通，供電電源加載至增壓電磁閥負(fù)載，實現(xiàn)增壓電磁閥開閉控制。

2.4 增壓控制方法

閉式增壓控制控制系統(tǒng)基于控制周期實施增壓控制，濾波周期為200ms，濾波算法采用最小二乘濾波，每個控制周期對200ms內(nèi)實際收到的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行遞推濾波計算，壓力傳感器每20ms發(fā)送1組壓力數(shù)據(jù)，每個有效壓力數(shù)據(jù)(a＜壓力值＜b)遞推1次，無效數(shù)據(jù)不參與迭代，200ms完成1次濾波，根據(jù)最終濾波結(jié)果進(jìn)行增壓控制。當(dāng)200ms控制周期內(nèi)有效壓力數(shù)據(jù)≥5個，則認(rèn)為本控制周期內(nèi)參數(shù)有效;控制周期內(nèi)有效壓力數(shù)據(jù)≤4個，則認(rèn)為本控制周期內(nèi)參數(shù)無效，濾波結(jié)果輸出0，進(jìn)行備保固定時序增壓控制。系統(tǒng)設(shè)置允許增壓標(biāo)志，在允許增壓時間段內(nèi)，根據(jù)200ms內(nèi)有效壓力數(shù)據(jù)個數(shù)進(jìn)行正常增壓和備保增壓控制的切換，直至禁止增壓。閉式增壓控制流程見圖6。

圖5 三模冗余增壓控制器原理框圖

圖6 閉式增壓控制流程

增壓控制器對3組數(shù)字壓力信號的值yi分別進(jìn)行壓力數(shù)據(jù)合理性判別，公式如下:

其中:a為數(shù)據(jù)合理性判別下限;b為數(shù)據(jù)合理性判別上限。

閉式增壓控制系統(tǒng)設(shè)計多路增壓電磁閥實現(xiàn)多增壓流量控制，具有冗余容錯控制能力，增壓電磁閥包括主增壓電磁閥、輔增壓電磁閥和備保增壓電磁閥，每路電磁閥由增壓控制器三取二表決輸出的功率指令驅(qū)動，并設(shè)計獨立的增壓控制帶，高于控制帶上限時該閥門關(guān)閉，低于控制帶下限時閥門打開，在上下限之間維持上一時刻狀態(tài)，增壓電磁閥控制邏輯見式(2)～(4):

式(2)～(4)中，y為每周期壓力計算結(jié)果，y1(t)，y2(t)，y3(t)，y4(t)，y5(t)，y6(t)分別為主增壓電磁閥、輔增壓電磁閥、備保增壓電磁閥的控制閾值，控制閾值為時間t的時變函數(shù)，當(dāng)增壓控制閾值更改時可只更改相應(yīng)的軟件，增壓控制適應(yīng)性大大提高。

當(dāng)控制周期內(nèi)有效壓力數(shù)據(jù)≤4個，則實施備保固定時序增壓控制。備保固定時序增壓控制以允許增壓點為計時零點，在備保增壓控制的時間段進(jìn)行固定邏輯備保增壓控制，當(dāng)貯箱壓力恢復(fù)正常時，實時恢復(fù)正常閉式程序增壓控制。備保固定時序增壓控制以備保增壓需求進(jìn)行設(shè)計，以主增壓電磁閥周期開閉、輔增壓電磁閥時刻定時開閉(t2時刻打開)、備保增壓電磁閥定時開閉(t3時刻打開)為例，并按主增壓電磁閥開閉周期8s(4.5s關(guān)閉，3.5s打開)設(shè)計備保固定時序增壓控制，見圖7。

圖7 備保固定時序增壓控制

增壓電磁閥接到增壓控制器輸出的時序功率指令后，電磁閥打開，氣瓶組的氣體通過過濾器，再經(jīng)過增壓電磁閥和增壓孔板后，將氣瓶組的氣體經(jīng)過加熱器加熱后送至貯箱內(nèi)的消能器，經(jīng)消能器消能送至貯箱，直至貯箱壓力到達(dá)需要范圍，當(dāng)貯箱壓力大于閾值范圍時相應(yīng)增壓電磁閥關(guān)閉。

3 工程應(yīng)用與試驗結(jié)果

閉式增壓控制系統(tǒng)應(yīng)用于新一代運載火箭，參加了動力系統(tǒng)試車，控制系統(tǒng)增壓控制器錄取冗余數(shù)字壓力傳感器敏感的壓力信號，增壓控制軟件對壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行合理性判別后剔除無效數(shù)據(jù)，并對有效數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，根據(jù)濾波結(jié)果和預(yù)先確定的壓力控制帶，增壓控制器控制增壓電磁閥開閉實現(xiàn)貯箱壓力的實時閉環(huán)控制。在4次試車過程中，閉式增壓控制設(shè)備正常，系統(tǒng)工作正常，壓力按預(yù)期結(jié)果實現(xiàn)了閉式控制。試車過程中氧箱3個壓力傳感器Y1，Y2，Y3之間的偏差最大為2kpa，燃箱3個壓力傳感器R1，R2，R3的數(shù)據(jù)偏差最大為6kpa，均在壓力傳感器精度范圍內(nèi)。某模塊動力系統(tǒng)試車試驗壓力變化曲線見圖8～9。

圖8 一級氧箱壓力曲線

圖9 一級燃箱壓力曲線

4 結(jié)論

針對新一代運載火箭動力系統(tǒng)及推進(jìn)劑貯箱增壓需求，提出一種液體運載火箭高可靠全數(shù)字閉式增壓控制系統(tǒng)，貯箱設(shè)置冗余數(shù)字壓力傳感器實時敏感貯箱壓力，采用三模冗余控制裝置進(jìn)行三取二表決控制增壓電磁閥，通過軟件實現(xiàn)對貯箱壓力控制帶的靈活設(shè)置和調(diào)整，壓力控制帶可隨火箭飛行過程變化，從而可靠靈活地實現(xiàn)推進(jìn)劑貯箱壓力控制，新一代運載火箭動力系統(tǒng)試車試驗表明該方案可行。本文閉式增壓控制系統(tǒng)產(chǎn)品通用性好且制造難度低，產(chǎn)品配套容易，壓力控制帶可通過軟件裝訂，更改靈活，重要參數(shù)射前可監(jiān)測，測試性好，增壓控制可靠性高，能夠在液體運載火箭增壓系統(tǒng)中推廣應(yīng)用。

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