溫度對貯箱增壓系統(tǒng)的影響分析

穆朋剛,童 飛,蒲光榮,馬 鍵

（西安航天動力研究所，陜西西安710100）

0 引言

貯箱增壓系統(tǒng)是液體火箭推進(jìn)系統(tǒng)的重要組成部分，用于貯箱增壓，以實現(xiàn)推進(jìn)劑按照一定壓力和流量對發(fā)動機(jī)的持續(xù)供應(yīng)[1-5]。采用高壓氣瓶貯氣、減壓系統(tǒng)減壓供氣的方法是上面級及姿軌控發(fā)動機(jī)常用的增壓方式[6-8]，尤其在高空，環(huán)境溫度與地面差異較大，而溫度直接影響著增壓系統(tǒng)工作特性，會使貯箱及發(fā)動機(jī)的可靠性降低。因此，對貯箱增壓系統(tǒng)在不同溫度環(huán)境條件下的壓力特性進(jìn)行研究顯得十分必要。本文以某火箭推進(jìn)系統(tǒng)的增壓系統(tǒng)為研究對象，開展溫度參數(shù)對增壓系統(tǒng)的壓力特性影響的試驗研究，分析從室溫至-50℃低溫環(huán)境的系統(tǒng)壓力參數(shù)變化情況以及對系統(tǒng)提出適應(yīng)性改進(jìn)。試驗結(jié)論可為同類增壓系統(tǒng)設(shè)計及分析提供參考。

1 貯箱增壓系統(tǒng)原理

某貯箱增壓系統(tǒng)由氣瓶、高壓自鎖閥、緩沖閥、減壓閥、穩(wěn)壓閥、安全閥、泄壓閥、止回閥、貯箱止回閥等組件組成，系統(tǒng)組成圖見圖1，額定工況條件下系統(tǒng)各處的壓力見表1。

圖1 增壓系統(tǒng)組成圖Fig.1 Configuration diagram of tank pressurization system

貯箱增壓系統(tǒng)工作原理為：根據(jù)控制時序打開高壓自鎖閥，氣瓶內(nèi)的高壓氣體流經(jīng)緩沖閥，然后通過減壓閥和穩(wěn)壓閥兩級減壓，并經(jīng)多通分成兩路，一路通過止回閥和貯箱止回閥進(jìn)行三級減壓后對燃料貯箱增壓，另一路通過止回閥和貯箱止回閥進(jìn)行三級減壓后對氧化劑貯箱增壓。減壓閥和穩(wěn)壓閥均自帶安全閥，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時自帶安全閥會自動打開放氣。此外，在穩(wěn)壓閥出口的多通上設(shè)置獨(dú)立的安全閥和泄壓閥：安全閥以小流量排氣的方式降低貯箱的關(guān)閉壓力；泄壓閥則在系統(tǒng)壓力異常過高情況下以大流量排氣方式保護(hù)貯箱安全。

表1 增壓系統(tǒng)額定參數(shù)Tab.1 Rating parameters of tank pressurization system

2 試驗系統(tǒng)

試驗系統(tǒng)如圖2所示。圖中，貯箱增壓系統(tǒng)由序號2～8組成；序號1，9～14為試驗單位配備產(chǎn)品；燃料路和氧化劑路節(jié)流圈分別用于模擬兩路推進(jìn)劑的體積流量；P1～P8依次為氣瓶、高壓自鎖閥、減壓閥、穩(wěn)壓閥、止回閥（兩路）和貯箱止回閥（貯箱壓力）出口壓力傳感器。注意：文中壓力參數(shù)均為表壓；試驗介質(zhì)為壓縮空氣。

圖2 試驗系統(tǒng)圖Fig.2 Diagram of test system

3 溫度對系統(tǒng)壓力特性影響分析

3.1 額定工況下系統(tǒng)壓力調(diào)整

貯箱增壓試驗系統(tǒng)按圖2搭建。首先，在室溫環(huán)境下進(jìn)行系統(tǒng)額定工況壓力的調(diào)整，即使用節(jié)流圈模擬發(fā)動機(jī)額定工況推進(jìn)劑體積流量，然后調(diào)節(jié)穩(wěn)壓閥使貯箱止回閥出口壓力（p7，p8）為 0.45±0.01 MPa，零流量時 p7和 p8壓力為0.55±0.03 MPa。

試驗時，先打開高壓自鎖閥，待壓力穩(wěn)定后再打開電磁閥K2和K3。額定工況壓力特性調(diào)整結(jié)果見圖3。圖中，從左往右各曲線第一段值為零，表示高壓自鎖閥打開前（在時序16 s打開），系統(tǒng)尚未建壓；第二段和第四段水平段曲線為電磁閥K2和K3處于關(guān)閉狀態(tài)，即模擬發(fā)動機(jī)工作前貯箱達(dá)到平衡狀態(tài)時的壓力，此時p7和p8均值分別為0.59 MPa和0.59 MPa；第三段水平段為電磁閥K2和K3打開后，即發(fā)動機(jī)以額定工況工作時貯箱壓力，此時p7和p8均值分別為0.46 MPa和 0.47 MPa。

圖3 額定工況壓力調(diào)整結(jié)果Fig.3 Curves under rated pressure conditions

3.2 -30℃低溫環(huán)境下的系統(tǒng)壓力特性

進(jìn)行-30℃低溫環(huán)境的系統(tǒng)壓力特性試驗時，貯箱增壓系統(tǒng)（圖2中序號2～8）位于高低溫箱中，其他產(chǎn)品及設(shè)備位于高低溫箱外部；試驗介質(zhì)溫度為常溫。

氣源氣瓶壓力為30.5 MPa。依次打開高壓自鎖閥和電磁閥K2和K3，當(dāng)氣瓶壓力p1分別降為26 MPa，15 MPa和4 MPa時，同時關(guān)閉兩路電磁閥K2和K3。模擬增壓系統(tǒng)在額定工況工作過程曲線見圖4：工作流量時，貯箱止回閥出口壓力p7和p8均值分別為0.48 MPa和0.50 MPa；零流量時，p7和p8均值分別為0.64 MPa和0.65 MPa。與常溫環(huán)境條件下的系統(tǒng)壓力特性相比：工作流量時p7和p8均值超出常溫測量值0.02～0.03 MPa；零流量時p7和p8均值超出常溫測量值 0.05～0.06 MPa。

圖4 -30℃低溫下的壓力特性曲線Fig.4 Pressure curves at-30℃

3.3 -35～-50℃低溫環(huán)境下的系統(tǒng)壓力特性

進(jìn)行-50℃低溫的壓力特性試驗時，在打開高壓自鎖閥后，發(fā)現(xiàn)減壓閥后無法正常建壓，試驗曲線見圖5：高壓自鎖閥打開后約2.5 s減壓閥后壓力趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定范圍在0.85～0.90 MPa之間，穩(wěn)壓閥后壓力約為0.85 MPa，此時泄壓閥和穩(wěn)壓閥自身的安全閥打開排氣，試驗進(jìn)行至28.4 s時對高壓自鎖閥實施關(guān)閉，試驗停止。系統(tǒng)出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是：增壓系統(tǒng)處于極端低溫環(huán)境下，使穩(wěn)壓閥工作異常，其后壓力過高，超過泄壓閥的打開壓力，泄壓閥出現(xiàn)大量排氣，而排氣量大于緩沖閥限流孔通過的流量，使緩沖閥后壓力無法升高到正常工作狀態(tài)，造成緩沖閥閥芯無法正常打開，最終導(dǎo)致整個系統(tǒng)工作異常。

在-50℃低溫特性試驗異常的前提下，逐漸提高增壓系統(tǒng)試驗溫度后進(jìn)行試驗。當(dāng)系統(tǒng)溫度分別在-45℃和-40℃時各進(jìn)行一次低溫特性試驗，發(fā)現(xiàn)減壓閥后仍無法正常建壓；當(dāng)溫度升至-35℃時，減壓閥后可以建壓，但建壓緩慢，大約為7.3 s。-45℃，-40℃和-35℃低溫條件下的壓力特性試驗曲線見圖6。

圖5 增壓系統(tǒng)在-50℃低溫下的壓力特性Fig.5 Pressure characteristics of tank pressurization system at-50℃

圖6 增壓系統(tǒng)在不同溫度下的壓力特性Fig.6 Pressure characteristics of tank pressurization system at different temperatures

試驗過程如下：-45℃壓力特性試驗在15.7 s時開始，高壓自鎖閥打開后，減壓閥后壓力逐漸穩(wěn)定，減壓閥后壓力在0.86 MPa左右，穩(wěn)壓閥后壓力約為0.83 MPa，系統(tǒng)仍未正常建壓；-40℃試驗在474.5 s時開始，高壓自鎖閥打開后，減壓閥后和穩(wěn)壓閥后均仍未正常建壓，其壓力值與-40℃時試驗無明顯改善；-35℃特性試驗在916.1 s時開始，高壓自鎖閥打開7.3 s后，減壓閥后壓力穩(wěn)定在2.26 MPa，穩(wěn)壓閥后壓力穩(wěn)定在0.80 MPa，在該溫度下，打開關(guān)閉高壓自鎖閥3次，均實現(xiàn)增壓系統(tǒng)的正常工作。因此，可以得出：-35℃的低溫環(huán)境是增壓系統(tǒng)在不采取任何措施情況下能正常工作的最低溫度，此時雖然增壓系統(tǒng)能正常工作，但系統(tǒng)的各參數(shù)值明顯高于室溫試驗值。

3.4 系統(tǒng)低溫問題分析及改進(jìn)驗證

通過對貯箱增壓系統(tǒng)在-50℃低溫環(huán)境下技術(shù)歸零分析，具體原因為：增壓系統(tǒng)工作環(huán)境溫度較低，壓縮空氣在增壓過程中流經(jīng)一系列節(jié)流部位，氣體溫度不斷下降，使系統(tǒng)各組件實際溫度低于環(huán)境溫度，造成穩(wěn)壓閥膜片的溫度（膜片材料橡膠的脆化溫度為-60℃）達(dá)到其脆化溫度，導(dǎo)致穩(wěn)壓閥實際出口壓力偏離正常設(shè)計值，從而引起穩(wěn)壓閥后的泄壓閥和穩(wěn)壓閥自身的安全閥打開排氣，而排氣流量大于緩沖閥限流孔通過的流量，緩沖閥閥芯無法打開，整個增壓系統(tǒng)則無法正常工作。通過上述，提出改進(jìn)措施：（1）增加緩沖閥限流孔孔徑，從原設(shè)計值的Φ0.7 mm增加至Φ0.9 mm；（2）對穩(wěn)壓閥采用功率為25 W電加溫器進(jìn)行加熱。

進(jìn)行驗證試驗時：高低溫箱保持-50℃低溫，系統(tǒng)達(dá)到熱平衡后，穩(wěn)壓閥閥體溫度為-28.1℃，高于最低溫度要求-35℃，表明電加溫器的加熱效果是合理的。試驗時先打開高壓自鎖閥，后打開電磁閥K2和K3。試驗驗證曲線見圖7。高壓自鎖閥打開后發(fā)現(xiàn)（時序20 s時）：緩沖閥正常打開，減壓閥和穩(wěn)壓閥后均可建壓，同時觀察到減壓閥在高壓自鎖閥打開瞬間有較大壓力波動，瞬間峰值達(dá)2.72 MPa，穩(wěn)定后的貯箱止回閥出口壓力p7和p8均值分別為0.60 MPa和0.61 MPa；打開電磁閥K2和K3（時序81.7 s時），減壓閥和穩(wěn)壓閥后壓力正常，貯箱止回閥后壓力p7和p8均值分別為0.48 MPa和0.49 MPa，較常溫偏高約0.02～0.04 MPa；而當(dāng)電磁閥K2和K3關(guān)閉后（時序102.4 s時），兩路貯箱止回閥關(guān)閉壓力較常溫情況偏高，p7和p8均值分別達(dá)0.75 MPa和0.79 MPa，此種情況出現(xiàn)在增壓過程中突然中斷一段時間然后繼續(xù)增壓，這對單次啟動發(fā)動機(jī)的實際工作過程是不可能發(fā)生的。另外，通過對仿真計算及多次試驗驗證，增大緩沖閥的節(jié)流孔徑后，使緩沖閥打開時間有所縮短，對整個系統(tǒng)壓力特性無明顯影響。

圖7 增壓系統(tǒng)改進(jìn)后在-50℃低溫下的壓力特性Fig.7 Pressure characteristics of improved tank pressurization system at-50℃

4 結(jié)論

通過對某貯箱增壓系統(tǒng)在常溫和低溫環(huán)境的壓力特性試驗研究，可得出如下結(jié)論：

1）常溫條件下，貯箱增壓系統(tǒng)工作正常，隨著環(huán)境溫度的降低，系統(tǒng)壓力特性發(fā)生改變，相同試驗工況下，低溫環(huán)境的壓力特性明顯高于常溫。

2）原貯箱增壓系統(tǒng)能工作的最低溫度為-35℃，但此時系統(tǒng)壓力特性過高，給貯箱帶來安全隱患。通過采取相應(yīng)改進(jìn)措施（增加緩沖閥限流孔孔徑和對穩(wěn)壓閥加熱），有效解決了增壓系統(tǒng)在-50℃低溫環(huán)境下的使用問題。

[1]范瑞祥,田玉蓉,黃兵.新一代運(yùn)載火箭增壓技術(shù)研究[J].火箭推進(jìn),2012,38(4)：9-16.FAN Ruixiang,TIAN Yurong,HUANG Xin.Study on pressurization technology of the new generation launch vehicle[J]Journal of Rocket Propulsion,2012,38(4)：9-16.

[2]朱寧昌.液體火箭發(fā)動機(jī)設(shè)計[M].北京：宇航出版社,1994.

[3]劉國球.液體火箭發(fā)動機(jī)原理 [M].北京：宇航出版社,1993.

[4]TEISSIER A.Liquid helium storage for Ariane 5 main stage oxygen tank pressurization,AIAA 95-2956[R].USA：AIAA,1995.

[5]廖少英.一種新的運(yùn)載火箭上面級和航天器輕型增壓系統(tǒng)[J].上海航天,2005(1)：6-10.

[6]廖少英.液體火箭推進(jìn)增壓輸送系統(tǒng)[M].北京：國防工業(yè)出版社,2007.

[7]石玉鵬.推進(jìn)劑貯箱氦氣增壓系統(tǒng)啟動特性研究[D].上海交通大學(xué),2007.

[8]晉曉偉,孫亮,馬鍵,等.推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)增壓過程仿真[J].火箭推進(jìn),2009,35(3)：30-33,46.

JIN Xiaowei,SUN Liang,MA Jian,et al.Simulation of pressurization process of propellant feed system[J].Journal of Rocket Propulsion,2009,35(3)：30-33,46.