一種并聯(lián)金屬膜片貯箱均衡排放控制措施研究

張榮榮，任 楓，張 亮

（上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海201109）

0 引言

為提高承載能力，目前國內(nèi)外運載火箭三子級、上面級和航天器的輸送系統(tǒng)多采用4個貯箱兩兩并聯(lián)的布局構(gòu)型，4個貯箱安裝在同一平面上，2個氧化劑與2個燃料貯箱兩兩并聯(lián)。如“MiTEx項目”上面級、“阿里安5”上面級、“Fregat”上面級、“第聶伯”火箭上面級、“AVUM”上面級、二代導航上面級、“阿波羅”載人登月飛船推進系統(tǒng)、“神舟”飛船推進系統(tǒng)等。飛行過程中，2個并聯(lián)貯箱內(nèi)同種推進劑消耗會存在差異，這個差異稱為并聯(lián)貯箱排放不均衡量，排放不均衡會引起航天器的質(zhì)心變化，甚至會影響航天器的正常飛行。因此，并聯(lián)貯箱的排放不均衡量一直是輸送系統(tǒng)的一個重要技術(shù)指標。并聯(lián)金屬膜片貯箱的排放不均衡量既與并聯(lián)的2個金屬膜片貯箱本身的金屬膜片壓差性能差異有關(guān)，也與增壓輸送系統(tǒng)的管路流阻特性和增壓性能偏差有關(guān)。

某型三級運載火箭是我國新一代快速發(fā)射的液體運載火箭。三子級增壓輸送系統(tǒng)為泵壓式雙組元系統(tǒng)。由增壓系統(tǒng)、推進劑貯存和輸送系統(tǒng)及發(fā)動機組成。推進劑貯存和輸送系統(tǒng)由4個180 L金屬膜片貯箱及液路管路等組成，采用四氧化二氮和偏二甲肼作為推進劑。本文主要研究并聯(lián)金屬膜片貯箱均衡排放控制措施，探討并聯(lián)金屬膜片貯箱均衡排放的分析評定和試驗驗證方法，并通過試驗驗證。

1 并聯(lián)金屬膜片貯箱不均衡性評定方法

1.1 并聯(lián)金屬膜片貯箱輸送不均衡性計算原理

并聯(lián)貯箱推進劑輸送不均衡量計算原理如下：

系統(tǒng)的過載為g；貯箱液面高度為Z，在兩貯箱中分別表示為H1和H2；貯箱內(nèi)膜片液側(cè)壓力分別為p1和p2；輸送總管的入口壓力為p；兩貯箱出口到總管入口的管路壓力損失分別為Δp1和Δp2；兩輸送支管內(nèi)的推進劑流速分別為v1和v2；輸送支管面積為A。根據(jù)伯努力方程：

得，貯箱1：

貯箱2：

其中管路壓力損失

式中：λ1和λ2為沿程損失系數(shù)；l為管長；d為管內(nèi)徑；ξ1和ξ2為沿輸送支管各種局部阻力系數(shù)總和。

沿程阻力損失和液面高度差形成的壓差與其他項相比非常小，在計算中可進行忽略，根據(jù)此原則，式（5）和（6）可變?yōu)橐韵滦问剑?/p>

將式（7）和（8）代入式（4），可得：

根據(jù)發(fā)動機工作原理，發(fā)動機運行過程中，氧化劑和燃料流量保持恒定，因而2根輸送支管中推進劑流量和為恒定值，即

聯(lián)立式（9）和（10）即可求解出輸送支管的流速v1和v2。

再按下式對每一時刻的流量進行積分，即可得總輸送不均衡量ΔM

由式（9），（10）和（11）可知，對于直徑恒定的并聯(lián)貯箱輸送管路，計算輸送不均衡量需要知道的參數(shù)有：①兩并聯(lián)貯箱液面壓力差p2-p1，在貯箱增壓壓力相同時，p2-p1為貯箱膜片翻轉(zhuǎn)壓力偏差；②管路阻力系數(shù)ξ1和ξ2；③時間t。

地面試驗中用水代替真實推進劑，試驗得到的不均衡量是水的質(zhì)量，增壓輸送系統(tǒng)的技術(shù)指標是推進劑的不均衡量，因此推進劑的不均衡量需轉(zhuǎn)換成水的質(zhì)量才能評價并聯(lián)貯箱均衡排放試驗是否滿足要求。

將水作為試驗工質(zhì)后，式（7）中的密度ρ發(fā)生變化，為保證膜片翻轉(zhuǎn)壓力偏差p2-p1仍與實際推進劑工作狀態(tài)一致，需改變兩輸送支管的流速v1和v2，即管路總流量v需發(fā)生變化，變化時需令：

按式（10）對試驗水流量?；嬎悖Y(jié)果見表1。

表1 水試驗?；髁繐Q算結(jié)果Tab.1 Modeling flow conversion result for water test

推進劑輸送不均衡量則按下式計算

1.2 并聯(lián)金屬膜片貯箱輸送不均衡性排放控制措施

針對并聯(lián)貯箱推進劑輸送不均衡量的計算分析結(jié)果，影響推進劑輸送不均衡性的主要因素及控制措施為：

1）增壓壓力偏差

增壓壓力偏差采用同組元貯箱氣枕連通的方法控制，增壓壓力偏差很小，可忽略不計。

2）膜片的翻轉(zhuǎn)壓力偏差

膜片的翻轉(zhuǎn)壓力為膜片本身特性，主要受膜片材料的機械性能和加工工藝影響。膜片材料的機械性能主要受材料的晶粒度、硬度及抗拉強度、伸長率等影響。對于同批次的材料，如果忽略材料機械性能方面的差異，那么膜片的翻轉(zhuǎn)壓力偏差受膜片加工工藝控制。由于膜片的壓降值無法預先測量，一般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)來獲取膜片壓降的分布規(guī)律。評價一個批次中膜片厚度分布的一致性高低，主要考慮兩個方面：

一是各高度帶上膜片平均厚度偏差，以一批次膜片的平均厚度作為基準，計算每一片膜片相對于本批次膜片平均厚度的差值，差值越大，表明該膜片厚度偏離本批次膜片平均水平越大，即該膜片厚度相對于本批次膜片平均水平的一致性越低。

二是同一高度帶上膜片厚度分布的不均勻性，即計算膜片在同一高度帶上周向厚度的標準差，標準差越大，表明該膜片在同一高度帶上周向厚度分布越不均勻，即該膜片自身厚度分布的一致性越低。

膜片厚度相對均值偏差越小、相對標準差越小，則該膜片相對于本批次膜片平均水平的一致性越高。選配的原則是選擇同一批次中膜片厚度分布一致性高、膜片硬度無較大超差的膜片。

3）管路流阻

管路的流阻可以通過理論計算和地面試驗獲取，并通過節(jié)流圈來降低同種組元推進劑排放不均衡量。在總裝管路布局時，對液路輸送管路設(shè)計時采用同種規(guī)格的導管，對同組元貯箱輸送管采用全對稱設(shè)計原則，減小管路流阻差異。

2 某典型金屬膜片貯箱不均衡量計算

某型運載火箭三子級增壓輸送系統(tǒng)采用常溫氦定壓力增壓，4個180 L金屬膜片貯箱貯存推進劑。設(shè)計時，在滿足指標的前提下盡可能使系統(tǒng)簡化且系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化，在通過試驗獲取并控制膜片翻轉(zhuǎn)壓力范圍后，增壓輸送系統(tǒng)采用壓力調(diào)節(jié)器增壓、液路導管對稱布局、輸送管路增加節(jié)流圈3項措施有效控制同種組元推進劑排放不均衡量。增壓輸送系統(tǒng)整個工作過程中，假設(shè)貯箱膜片翻轉(zhuǎn)壓力≤0.1 MPa，膜片翻轉(zhuǎn)壓力偏差平均值≤0.015 MPa，進行算例分析，當其中1個貯箱推進劑耗盡，停止計算，通過2個貯箱的推進劑差值計算不均衡量。

管路阻力損失包含有輸送支管（含節(jié)流圈和電爆閥）阻力損失、液路過濾器阻力損失、輸送總管阻力和動壓損失，氧燃輸送支路額定條件下（15℃，氧流量1.425 kg/s，燃流量0.7 345 kg/s）的阻力設(shè)計范圍分別為0.055±0.002 MPa和0.05±0.002 MPa，據(jù)此對輸送支路阻力系數(shù)進行計算，結(jié)果列于表2。

表2 輸送支路阻力系數(shù)計算結(jié)果Tab.2 Calculation result of resistance coefficient for feeding line

下面對不同翻轉(zhuǎn)壓力偏差下的不均衡量進行計算分析，計算時同種推進劑兩側(cè)輸送支路分別選取管路阻力系數(shù)上下限值。

額定流量 （氧 1.425 kg/s，燃 0.7 345 kg/s）和額定溫度（15℃）下，不同翻轉(zhuǎn)壓力偏差引起的推進劑輸送不均衡量變化情況見圖1。

圖1 某典型金屬膜片貯箱不均衡量計算結(jié)果Fig.1 Inequality calculation result for a certain type of metal diaphragm tank

可以看出，隨著翻轉(zhuǎn)壓力偏差的增大，推進劑輸送不均衡量增大。其中，在0.015 MPa的最大翻轉(zhuǎn)壓力偏差下氧燃輸送不均衡量分別為35.3 kg和21.6 kg。同種組元推進劑排放不均衡量控制滿足氧化劑不大于36 kg，燃料不大于22 kg，符合預期要求。

3 某典型金屬膜片貯箱均衡排放試驗方案

并聯(lián)金屬膜片貯箱的均衡排放性能需要通過地面試驗來驗證。試驗系統(tǒng)模擬整個三級氧箱和燃料箱的增壓輸送工況，貯箱外形和尺寸與真實貯箱原則保持一致，考慮膜片安裝的方便性，試驗貯箱為2個半球法蘭結(jié)構(gòu)。增壓系統(tǒng)模擬箭上真實狀態(tài)，貯箱初始氣枕容積和初始增壓壓力與真實狀態(tài)盡量一致；輸送系統(tǒng)由輸送管、電磁閥、節(jié)流圈和手動蝶閥組成。在進行均衡輸送性能試驗時，由于貯箱內(nèi)金屬膜片的翻轉(zhuǎn)壓力時刻變化，將無法保證推進劑擠壓壓力的穩(wěn)定。為保證推進劑輸送流量的穩(wěn)定，試驗采用了定流量的推進劑輸送系統(tǒng)。定流量輸送系統(tǒng)主要控制部件為螺桿泵，通過轉(zhuǎn)速的設(shè)定可確定管路出口流量，泵的轉(zhuǎn)速由變頻電機進行調(diào)節(jié)。試驗系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

為了保證在額定流量下氧燃輸送支路阻力達到設(shè)計要求 （氧 0.055±0.002 MPa，燃 0.05±0.002 MPa），須在輸送支管上選配一定孔徑的節(jié)流圈。因此，在均衡排放試驗前，對配備不同孔徑節(jié)流圈狀態(tài)下的氧燃輸送支管阻力系數(shù)進行了測試，最后通過節(jié)流圈將氧燃輸送支管流阻配平至設(shè)計要求值。

圖2 某典型金屬膜片貯箱均衡排放試驗系統(tǒng)原理圖Fig.2 Principle diagram of equal expulsion test system for a certain type of metal diaphragm tank

3.1 金屬膜片翻轉(zhuǎn)壓力偏差理論計算

根據(jù)金屬膜片的選配原則，實測同一批次14片膜片的厚度、表面硬度數(shù)據(jù)，進行有限元分析計算，得到膜片的翻轉(zhuǎn)壓力偏差，如表3所示。

表3 膜片翻轉(zhuǎn)壓力偏差Tab.3 Reverse pressure deviation of metal diaphragms

由表3可得：

1)膜片翻轉(zhuǎn)壓力偏差的平均值為4.04 kPa；

2)根據(jù)正態(tài)分布理論，則膜片翻轉(zhuǎn)壓力偏差有99.73%的概率落在區(qū)間（0，13.99）。

根據(jù)金屬膜片相關(guān)試驗統(tǒng)籌安排，某型號金屬膜片貯箱均衡排放試驗選取H19和H20進行試驗，根據(jù)4節(jié)不均衡量計算方法，對翻轉(zhuǎn)壓力偏差為0.003 64 MPa的2片金屬膜片在額定流量和額定溫度下，不均衡量為3.76 kg。

3.2 某典型金屬膜片貯箱均衡排放試驗結(jié)果

根據(jù)計算結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)在同樣增壓壓力偏差下，氧化劑輸送不均衡量要大于燃料輸送不均衡量。因此，金屬膜片均衡排放試驗僅按照氧化劑狀態(tài)的?；髁?，對氧化劑帶膜片并聯(lián)貯箱輸送不均衡量進行測量。

實際試驗流量約在1.20 L/s，與1.18 L/s的額定值較為接近，因而試驗數(shù)據(jù)可以反映實際狀態(tài)輸送管路阻力變化情況。從圖3中輸送管路阻力變化情況來看，工作過程中貯箱液腔至匯總口兩側(cè)平均壓差在0.058 MPa，去除動壓影響后，兩側(cè)輸送支路平均流阻應在0.054 MPa，在要求的0.055±0.002 MPa范圍內(nèi)。

從圖4和表4所得膜片特性來看，該組2片膜片翻轉(zhuǎn)趨勢接近一致，平均翻轉(zhuǎn)壓力不高于0.05 MPa，2個膜片的平均翻轉(zhuǎn)壓力偏差在0.003 5 MPa，與金屬膜片翻轉(zhuǎn)壓力偏差理論計算值一致，試驗測得推進劑不均衡量為2.87 kg，與理論計算3.76 kg接近。

圖3 均衡排放試驗輸送管路壓力變化情況Fig.3 Pressure change in feeding pipeline in equal expulsion test

圖4 均衡排放試驗膜片翻轉(zhuǎn)壓力變化情況Fig.4 Pressure changes of metal diaphragm in equal expulsion test

表4 均衡排放試驗膜片翻轉(zhuǎn)特性Tab.4 Reversal features of metal diaphragm in equal expulsion test

4 結(jié)論

對某典型并聯(lián)金屬膜片貯箱的均衡排放控制方法展開研究，指導并建立了并聯(lián)貯箱均衡排放試驗的評定方法，設(shè)計了能夠準確測量并聯(lián)貯箱排放不均衡量的試驗方案，并進行了均衡排放試驗。試驗結(jié)果與理論計算基本一致，說明分析方法正確。試驗過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要求范圍內(nèi)。

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）從系統(tǒng)原理設(shè)計及管路選擇和布局來降低同種推進劑增壓偏差；

2）同種推進劑貯箱采用同規(guī)格輸送管路并采用全對稱布局，同時采用節(jié)流圈調(diào)節(jié)的方法把管路系統(tǒng)的流阻差異調(diào)至最?。?/p>

3）提高金屬膜片加工精度，控制膜片的加工工藝過程，控制厚度、硬度，降低金屬膜片的翻轉(zhuǎn)壓力偏差。

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