一種衛(wèi)星軌控發(fā)動機(jī)流量校驗系統(tǒng)

劉萬龍，田國華，徐 鑫，孫樹江，朱昊偉

（北京航天試驗技術(shù)研究所，北京100074）

0 引言

490 N發(fā)動機(jī)是目前國內(nèi)應(yīng)用最廣的衛(wèi)星軌控發(fā)動機(jī)[1]。比沖是發(fā)動機(jī)一個重要的技術(shù)參數(shù)，其由發(fā)動機(jī)推力除以流量得到。國內(nèi)火箭發(fā)動機(jī)試驗中通常使用質(zhì)量流量計測量推進(jìn)劑流量[2-3]。質(zhì)量流量計在計量部門標(biāo)定時使用水作介質(zhì)，介質(zhì)的不一致會影響測量結(jié)果[4]，而且現(xiàn)場流量計工作管路壓力、流量等工作環(huán)境也與計量部門不一致。稱重測量是常用的流量計校驗方法[5－6]，因此，基于國內(nèi)外流量校驗系統(tǒng)的設(shè)計經(jīng)驗[7-10]，設(shè)計了一套衛(wèi)星用軌控發(fā)動機(jī)流量稱重校驗系統(tǒng)，對質(zhì)量流量計進(jìn)行了現(xiàn)場校驗。校驗時使用了真實試驗推進(jìn)劑，并采用發(fā)動機(jī)試驗時增壓的壓力對推進(jìn)劑管路和流量計進(jìn)行增壓，以保證校驗狀態(tài)與試驗狀態(tài)的一致性。

1 計量部門校驗精度

目前計量部門對質(zhì)量流量計的校驗精度只有0.5%，而且不同時期其校驗結(jié)果也有一定的波動性。以一個質(zhì)量流量計的校驗數(shù)據(jù)為例，不同時期計量部門的校驗結(jié)果與流量計理論輸出結(jié)果相比較的偏差如表1所示。

表1 質(zhì)量流量計校驗值與理論值相對偏差Tab.1 Relative deviations between calibrated values and theory data of a mass flow meter

為了更好地說明流量計校驗結(jié)果的波動性，將它們按時間軸繪圖，如圖1所示。從圖中可以看出其波動性很大，而且沒有規(guī)律。

圖1 qm校驗值與理論值相對偏差Fig.1 Relative deviations between qmcalibrated values and theory data

2 試驗系統(tǒng)

流量校驗時試驗系統(tǒng)管路狀態(tài)與490 N發(fā)動機(jī)試驗時相同，采用Pacific 6000數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集質(zhì)量流量計的輸出。試驗系統(tǒng)組成如圖2所示。圖3是稱重容器與高精度電子秤照片。

圖2 質(zhì)量流量計推進(jìn)劑流量校驗測量系統(tǒng)圖Fig.2 Schematic diagram of calibration system for propellant flow of mass flow meter

圖3 稱重容器與高精度電子秤照片F(xiàn)ig.3 Photograph of weighing tank and electronic scale

校驗時通過增壓模擬實際發(fā)動機(jī)試驗時管路及流量計受壓情況，利用孔板模擬實際流阻，采用保壓稱重，防止推進(jìn)劑揮發(fā)。渦輪流量計1和渦輪流量計2安裝在管路系統(tǒng)中，保證管路流阻與發(fā)動機(jī)試驗狀態(tài)一致。質(zhì)量流量計1和質(zhì)量流量計2同時在線校驗，增加它們的數(shù)據(jù)一致性。

推進(jìn)劑由試車貯箱經(jīng)過出液手閥，渦輪流量計1，渦輪流量計2，質(zhì)量流量計1，質(zhì)量流量計2，電磁閥和孔板流入稱重容器。校驗結(jié)束后推進(jìn)劑從稱重容器通過回液閥和出液手閥回到試車貯箱。流量校驗時，依次進(jìn)行如下步驟：管路放液充填；將增壓壓力調(diào)整至姿軌控發(fā)動機(jī)試車時的額定壓力；調(diào)節(jié)孔板開度，用其模擬發(fā)動機(jī)流阻；高精度電子秤置零；微機(jī)采集系統(tǒng)對流量計輸出進(jìn)行采集；可編程控制器控制電磁閥打開額定時間；微機(jī)采集系統(tǒng)停止采集；高精度電子秤及質(zhì)量流量計（累計質(zhì)量）終止讀數(shù)；推進(jìn)劑試車貯箱卸壓；稱重容器推進(jìn)劑回擠。

3 電子秤現(xiàn)場校驗

使用砝碼對電子秤進(jìn)行現(xiàn)場校驗，消除管路應(yīng)力等對測量的干擾。電子秤實際讀數(shù)增量與實際砝碼質(zhì)量對照表如表2所示，其擬合直線如圖4所示。擬合直線方程為

式中：y為實際砝碼質(zhì)量；x為電子秤讀數(shù)增量。

表2 電子秤實際讀數(shù)增量與實際砝碼質(zhì)量對照表Tab.2 Comparison between incremental quantity of electronic-scale actual data and actual mass of weight g

圖4 電子秤實際讀數(shù)增量與實際砝碼質(zhì)量擬合曲線Fig.4 Fitting curve for incremental quantity of electronic-scale actual value and actual mass of weight

4 試驗數(shù)據(jù)分析

進(jìn)行了3次流量校驗試驗。試驗時Pacific 6000數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、閥門工作時序通過同樣的時統(tǒng)信號控制。電子秤稱重不記錄試驗的中間值，只記錄試驗前質(zhì)量和試驗后質(zhì)量。

將微機(jī)采集系統(tǒng)測量的數(shù)據(jù)與高精度電子秤測量的數(shù)據(jù)相比較，得到各個流量計的計量部門校驗結(jié)果（根據(jù)計量部門校驗公式計算得到質(zhì)量流量，對質(zhì)量流量進(jìn)行積分得到質(zhì)量）與稱重結(jié)果的偏差。表3是稱重與計算機(jī)采集結(jié)果對照表。表中，m指稱重得到的質(zhì)量，m1和m2分別指Pacific 6000數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量得到的質(zhì)量流量計1和質(zhì)量流量計2的積分質(zhì)量，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量的瞬時質(zhì)量流量按質(zhì)量流量計（qm）最近一次計量部門校驗公式計算。校驗流程為500 s，ηm1指m1和 m之間的相對偏差。ηm2指m2和 m之間的相對偏差。 其公式如下

表3 稱重與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集結(jié)果對照表Tab.3 Comparison of electronic scale measurement and the data acquisition system measurement

從表3可以看出，在這些校驗中ηm1的范圍為-0.18%到-0.27%，ηm2的范圍為 0.55%到0.65%；質(zhì)量流量計1的精度優(yōu)于質(zhì)量流量計2的精度，試驗中質(zhì)量流量計1的數(shù)據(jù)可作為發(fā)動機(jī)試驗推進(jìn)劑流量數(shù)據(jù)，質(zhì)量流量計2的數(shù)據(jù)可作為備份參考值。

5 結(jié)論

針對目前計量部門對質(zhì)量流量計的校驗精度只有0.5%且隨時間波動的問題，采用稱重法設(shè)計了一套衛(wèi)星軌控發(fā)動機(jī)試驗用質(zhì)量流量計現(xiàn)場校驗系統(tǒng)，使用真實試驗推進(jìn)劑，并采用發(fā)動機(jī)試驗時的增壓壓力對推進(jìn)劑管路和流量計進(jìn)行增壓，通過檢驗試驗得到以下結(jié)論：

1）這種校驗方式可以應(yīng)用于流量計的標(biāo)定中，采用真實介質(zhì)校驗結(jié)論可信度更高。

2）通過校驗可以在符合精度要求的流量計中挑選精度較高的流量計作為試驗用主流量計，其他流量計作為備份使用。

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