動力系統(tǒng)試驗臺充氣系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

宋晶晶，郭　敬，王海峰，劉瑞敏

（北京航天試驗技術(shù)研究所，北京100074）

動力系統(tǒng)試驗臺充氣系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

宋晶晶，郭敬，王海峰，劉瑞敏

（北京航天試驗技術(shù)研究所，北京100074）

某試驗臺承擔(dān)了多項運(yùn)載火箭動力系統(tǒng)的試驗任務(wù)，試驗前需要對箭上氣瓶進(jìn)行充氣。由于箭上所帶氣瓶個數(shù)較多，充氣壓力較高，充氣所需時間較長，操作人員工作量較大。同時，滿足總體單位充氣速率要求的難度較大。為了解決以上難題，借助AMESim軟件對地面工藝系統(tǒng)進(jìn)行仿真，獲得箭上氣瓶充氣流量及地面氣源壓力的變化情況。根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，通過在試驗系統(tǒng)上增設(shè)孔板和增加數(shù)顯二次儀表等針對性措施，實現(xiàn)了箭上氣瓶充氣速率在線調(diào)節(jié)的功能。對氣瓶充氣流程進(jìn)行優(yōu)化，充氣氣源采取高、低壓切換逐瓶供應(yīng)的方式。經(jīng)動力系統(tǒng)試驗考核，驗證了系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的有效性。

動力系統(tǒng)試驗；充氣；系統(tǒng)優(yōu)化

0　引言

動力系統(tǒng)試驗臺承擔(dān)了多項運(yùn)載火箭動力系統(tǒng)試驗任務(wù)，試驗前需要對箭上氣瓶進(jìn)行充氣。由于箭上所帶氣瓶個數(shù)較多，充氣壓力較高，因此，箭上氣瓶充氣所需時間較長。如：某助推模塊共有30個容積60 L的箭上增壓氣瓶，充氣壓力35 MPa，發(fā)動機(jī)有4個容積22 L的氮、氦氣瓶，充氣壓力23 MPa。試驗前氣瓶需連續(xù)充氣約10 h，操作人員工作量很大。不同人員操作，充氣速率的控制有所差異，且充氣初始階段氣瓶背壓較小，容易出現(xiàn)充氣速率過快現(xiàn)象。隨著氣瓶壓力升高，背壓逐漸變大，充氣速率變慢，導(dǎo)致充氣時間過長。為了提高箭上氣瓶充氣效率，滿足總體充氣速率要求，在分析充氣速率影響因素的基礎(chǔ)上，利用AMESim軟件對地面工藝系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值仿真，獲得充氣過程箭上氣瓶充氣流量及地面氣源壓力變化情況，并根據(jù)仿真結(jié)果對工藝系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，同時改進(jìn)充氣流程，縮短箭上氣瓶充氣的時間，提高地面高壓氣源充氣有效利用率。

1　問題分析

考慮到箭上氣瓶最高充氣壓力35 MPa，其供氣壓力較高，地面工藝系統(tǒng)設(shè)計采用氣源直接供給方式。系統(tǒng)由高壓氦氣瓶、手動截止閥、壓力表、過濾器及管路附件組成。系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1　箭上氣瓶充氣原理圖Fig.1　Principle diagram of gas inflation system

箭上氣瓶充氣時間主要與箭上氣瓶的充氣速率和充氣壓力有關(guān)。影響充氣速率的原因主要有：

1）地面系統(tǒng)采用人工手動充氣方式，通過反復(fù)改變充氣手閥的開度，控制充氣速率，充氣效率不高。箭上氣瓶充氣最高壓力35 MPa，充氣速率要求小于0.5 MPa/min，充氣壓力相對較高。地面壓力表量程較大，在充氣過程，通過壓力表無法確定充氣速率，充氣速率通過指揮口令傳達(dá)，以此改變充氣手閥的開度，充氣速率不易控制。

2） 總體單位對箭上氣瓶充氣速率要求比較嚴(yán)格，而充氣速率受不同人員和氣瓶背壓的影響較大，滿足要求的難度較大。剛充氣時箭上背壓較小，容易出現(xiàn)充氣速率過快現(xiàn)象，隨著箭上氣瓶壓力的升高，箭上背壓逐漸變大，充氣速率變慢，容易出現(xiàn)充氣時間過長的現(xiàn)象。

為了提高充氣效率，減輕操作人員的工作量，解決充氣速率難以控制問題，通過數(shù)值仿真、流程優(yōu)化等手段對地面充氣工藝系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，如在箭上氣瓶充氣管路末端設(shè)計并安裝節(jié)流孔板。充氣時，采用孔板和充氣手閥聯(lián)合控制方式，由孔板控制大流量充氣，而充氣手閥進(jìn)行小流量微調(diào)，提高充氣效率。

2　數(shù)值仿真

箭上氣瓶充氣是一個較復(fù)雜的過程，當(dāng)充氣手閥打開后，氣體逐漸充填管路及箭上氣瓶，使箭上氣瓶的壓力逐步升高，直至達(dá)到充氣壓力為止。在此過程中，管內(nèi)孔板氣體流動由音速向亞音速過渡。針對充氣過程及地面工藝系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，利用AMESim建立地面工藝系統(tǒng)的仿真模型并模擬充氣過程，分析充氣孔板流量及氣源壓力隨時間的變化情況，通過對比確定最優(yōu)孔板孔徑及充氣流程。

2.1仿真模型

利用AMESim提供的氣動、電磁等元件模型庫，創(chuàng)建地面充氣工藝系統(tǒng)的仿真模型，如圖2所示。高壓氦氣源初始壓力40 MPa，容積為2×1.4 m3；箭上氣瓶充氣壓力35 MPa，容積0.18 m3，充氣速率不超過0.5 MPa/min；地面氣瓶至箭上氣瓶管路Φ18×4，總長260 m。

圖2　箭上氣瓶充氣仿真模型Fig.2　Simulation model of gas inflation system on launch vehicle

2.2仿真結(jié)果

2.2.1充氣孔板設(shè)計

利用已建立的地面充氣工藝系統(tǒng)仿真模型，分別對直徑D為0.3 mm，0.4 mm及0.5 mm的孔板進(jìn)行仿真，獲得孔板流量參數(shù)、箭上氣瓶充氣壓力動態(tài)曲線。曲線如圖3所示。

圖3　不同孔徑充氣流量和建壓的仿真曲線Fig.3　Simulation curves of air inflation flow and pressure buildup with different apertures

由圖3可以看出：當(dāng)孔板出、入口壓力比小于臨界壓力比時，各孔板的充氣流量趨于穩(wěn)定，主要由于剛開始充氣地面氣源壓力（即孔板入口壓力）下降緩慢，此時各孔板充氣流量分別在2.0 g/s，3.7 g/s及5.8 g/s；當(dāng)孔板出、入口壓力比大于臨界壓力比時，隨著箭上氣瓶充氣壓力的升高，孔板充氣流量逐漸減小，當(dāng)箭上氣瓶充氣壓力接近35 MPa時，各孔板充氣流量分別在1.0 g/s，1.9 g/s及2.9 g/s左右。在整個充氣過程，直徑為0.3 mm，0.4 mm及0.5 mm孔板的充氣時間分別在76 min，41 min及25 min，充氣速率分別為0.46 MPa/min，0.85 MPa/min及1.4 MPa/min。

根據(jù)仿真結(jié)果喉部直徑D=0.3 mm的孔板滿足充氣速率小于0.5 MPa/min的充氣要求，但考慮到計算值與實際值的偏差，因此對系數(shù)進(jìn)行修正，選定喉部直徑為0.5 mm的孔板用于箭上35 MPa氣瓶充氣。

2.2.2充氣流程優(yōu)化

在已建立的地面充氣工藝系統(tǒng)仿真模型中增加閥門控制信號，并仿真模擬充氣的兩個過程：1）充氣氣源采用高壓氦氣源p1供氣，初始壓力40 MPa，容積為2×1.4 m3；2）充氣氣源先采用低壓氦氣源p2打底，然后使用高壓氦氣源p3供氣，其中低壓氦氣初始壓力27.5 MPa，容積為4 m3，高壓氦氣初始壓力40 MPa，容積為1.4 m3；系統(tǒng)采用喉部直徑D=0.5 mm的充氣孔板，試驗前箭上氣瓶充氣至30 MPa，其他參數(shù)不變，獲得地面氣源壓力、箭上氣瓶充氣壓力變化曲線如圖4所示。

圖4　兩種充氣過程的仿真曲線Fig.4　Simulation curves of two air inflation process

由圖4可以看出：隨著箭上氣瓶充氣壓力的升高，地面氣源壓力逐漸下降，采用高壓氦氣源充氣時，壓力p1從40 MPa降至38.0 MPa；而采用低壓、高壓切換供氣時，低壓氦氣源壓力p2從27.5 MPa降至26.5 MPa，此時箭上氣瓶充氣壓力達(dá)到25 MPa；轉(zhuǎn)換高壓氦氣供氣，當(dāng)箭上氣瓶充至30 MPa時，高壓氦氣壓力p3降至39.1 MPa。

根據(jù)氣源剩余利用率公式：

式中：Vu為氣瓶可用剩余氣量，m3；Vt為氣瓶可用最大氣量，m3；p0為氣瓶貯氣壓力，MPa；p1為氣瓶剩余壓力，MPa；p2為氣瓶最低使用壓力，MPa；K0為p0壓力下氣體的壓縮性系數(shù)；K1為p1壓力下氣體的壓縮性系數(shù)；K2為p2壓力下氣體的壓縮性系數(shù)。

結(jié)合仿真結(jié)果得出：兩種充氣方式高壓氣源的剩余利用率分別為60%和91%，采用低壓、高壓切換供氣方式，可以有效提高高壓氣源的利用率。

3　系統(tǒng)優(yōu)化及應(yīng)用效果

3.1系統(tǒng)優(yōu)化

為了提高箭上氣瓶充氣效率，對地面工藝系統(tǒng)及充氣流程進(jìn)行優(yōu)化：1）在充氣管路上增設(shè)數(shù)顯二次儀表，操作員可以通過觀察二次儀表壓力值的變化直接改變閥門開度，實現(xiàn)了箭上氣瓶充氣速率在線調(diào)節(jié)的功能；2）在地面充氣管路末端安裝喉部直徑D=0.5 mm的孔板，孔板為錐面結(jié)構(gòu)，采用線密封。充氣時，系統(tǒng)采用孔板和充氣手閥聯(lián)合控制方式，由孔板控制大流量充氣，而充氣手閥進(jìn)行小流量微調(diào)，提高充氣效率；3）對氣瓶充氣流程進(jìn)行優(yōu)化，充氣氣源采取高、低壓切換逐瓶供應(yīng)的方式，箭上氣瓶充氣壓力較高，充氣時先用低壓氦氣打底，再用高壓氦氣充裝，提高高壓氣瓶的有效利用率。

3.2應(yīng)用效果

目前，箭上氣瓶充氣系統(tǒng)優(yōu)化已應(yīng)用于某動力系統(tǒng)試驗，經(jīng)過多次測試及試驗，取得了較好效果，并針對地面系統(tǒng)優(yōu)化前后試驗前箭上氣瓶充氣至30 MPa的試驗參數(shù)進(jìn)行了對比，如表1所示。

表1　系統(tǒng)優(yōu)化前與優(yōu)化后試驗結(jié)果對比Tab.1　Comparison between experiment results before and after optimization

由表1可以看出：優(yōu)化前氣瓶充氣時間約120 min，高壓氣瓶的剩余利用率為54%，優(yōu)化后箭上氣瓶充氣時間約85 min，剩余利用率為88%，提高了箭上氣瓶充氣效率及高壓氣源供氣有效利用率。

試驗結(jié)果與仿真相比，在氣源初始狀態(tài)相同的情況下，氣源終止壓力偏差在0.3 MPa左右，數(shù)值模擬氣源終止壓力要比試驗值偏大，主要是在仿真過程對仿真模型進(jìn)行了簡化，忽略供氣管路與氦氣之間的換熱，并假設(shè)瓶內(nèi)氣體與氣瓶、氣瓶與外界環(huán)境之間的換熱系數(shù)為常數(shù)，造成仿真值與試驗值存在了一定的偏差。

圖5　某型號芯二級動力系統(tǒng)試驗箭上氣瓶充氣壓力曲線Fig.5　Curve of air inflation pressure during power system test

圖5為某型號芯二級動力系統(tǒng)試驗地面系統(tǒng)優(yōu)化后，箭上氣瓶充氣壓力曲線圖。由圖5可以看出：箭上氣瓶壓力達(dá)到15 MPa時，停止充氣，靜置15 min后進(jìn)行充氣。在整個充氣過程，充氣時間約85 min，充氣速率在0.4 MPa/min左右，滿足充氣速率小于0.5 MPa/min的要求。

4　結(jié)論

為了提高箭上氣瓶充氣效率及地面氣源供氣的利用率，對地面工藝系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值仿真分析和系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計，結(jié)論如下：

1）利用AMESim軟件對地面工藝系統(tǒng)仿真，獲得在不同孔板孔徑條件下箭上氣瓶充氣流量及地面氣源壓力的變化情況，考慮到裕度設(shè)計，選定孔徑D=0.5 mm的孔板用于箭上氣瓶充氣。同時，通過模擬兩種不同充氣方式，分析得出：采用低壓、高壓氣源切換供氣方式，可以有效提高高壓氣源的利用率。

2） 針對仿真結(jié)果對地面工藝系統(tǒng)及充氣流程進(jìn)行優(yōu)化，通過某動力系統(tǒng)試驗驗證得出：箭上氣瓶充氣時間由120 min降低到85 min，高壓氦氣的剩余利用率由54%提高到88%，提高了氦氣源的有效利用率，為箭上氣瓶后續(xù)流程補(bǔ)氣提供了資源儲備。

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（編輯：馬杰）

Optimal design on gas inflation system of power system test stand

SONG Jingjing，GUO Jing，WANG Haifeng，LIU Ruimin
（Beijing Institute of Aerospace Testing Technology，Beijing 100074，China）

The launch vehicle power system tests are conducted at the new generation launch vehicle power system test stand.The gas cylinders on the rocket should be inflated before the test.The gas inflation usually lasts a long time because of so many gas cylinders on the rocket and the high gas pressure.And the task of operators is very heavy before tests beginning.Additionally，the air inflation speed is controlled difficultly.For solving the problems above，the process system on the ground was simulated by using the AMESim software，and the air inflation flow and the change of the gas pressure was obtained.Based on the simulation result，the design can be optimized.Some pertinent measures were adopted to optimize the gas distribution system and achieve the online regulation of air inflation speed.At the same time，the air inflation process of gas cylinders was optimized.The validity and reliabilityofsystem optimization was proved bylaunch vehicle power system tests.

power system test；air inflation；system optimization

V433-34

A

1672-9374（2016）02-0073-06

2015-12-25；

2016-03-13

宋晶晶（1982—），女，碩士，研究領(lǐng)域為液體火箭發(fā)動機(jī)地面試驗技術(shù)