小型移動式液體推進劑供應(yīng)裝置的研制

陳廣其 李慧 孔德斌

摘? 要：針對現(xiàn)有固定式液體推進劑供應(yīng)裝置所存在的安全隱患及產(chǎn)生的環(huán)境污染問題的缺陷，研制了一種小型可移動式液體推進劑供應(yīng)裝置。闡述了小車、質(zhì)量流量計、體積管流量計、推進劑容器、儀表控制箱、閥門、管路等主要組成部件的結(jié)構(gòu)。對安裝在裝置上的質(zhì)量流量計及體積管流量計進行了重點介紹?？偨Y(jié)了該裝置的創(chuàng)新性：體積小、機動靈活、操作簡便、性能穩(wěn)定可靠、能適應(yīng)多種液體火箭發(fā)動機的試車要求。該裝置能直接與試車臺的測控系統(tǒng)連接，而無需其它轉(zhuǎn)接設(shè)備，非常方便快捷。該裝置已成功地在多個試車臺上進行了投入使用，在小推力、小流量發(fā)動機試車及其他方面有著廣泛的應(yīng)用范圍及市場前景。

關(guān)鍵詞：移動式;液體推進劑;供應(yīng)裝置;質(zhì)量流量計;體積管流量計

中圖分類號：TL413? ? ? ? ?文獻標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）05-0023-05

Abstract： A small mobile liquid propellant supply device was designed to solve the problems of safety and environmental pollution caused by existing stationary liquid propellant supply devices. This paper also elaborates the structure of the main components， such as trolley， mass flowmeter， volumetric tube flowmeter， propellant container， instrument control box， valve and pipeline. The mass flow meter and volumetric tube flow meter installed on the device were introduced emphatically. The innovation of the device was summarized： small size， flexible maneuver， easy operation， stable and reliable performance， and could meet the test running requirements of many kinds of liquid rocket engines. The device can be directly attached to the measurement and control system on the test bed. Without any other transfer equipment， the device is very convenient and fast to use. The device has been successfully put into use on several test beds， which has a wide range of applications and market prospects in small push， small flow engine tests and other aspects.

Keywords： mobile; liquid propellants; supply device; mass flowmeter; volume tube flowmeter

引言

近年來，世界各國對于軍事和民用航天領(lǐng)域的投入相繼增加，液體火箭發(fā)動機試車臺上進行的發(fā)動機試車數(shù)量逐年增多。在發(fā)動機試車過程中，通常所用到的液體推進劑由燃料和氧化劑兩部分組成。其中，燃料以肼類（無水肼、一甲基肼、偏二甲肼、單推-3等）為主，氧化劑以四氧化二氮為主[1]。它們均具有高毒、易爆、易燃的特性，會對人體健康和生態(tài)環(huán)境造成嚴重的危害[2]。在液體火箭發(fā)動機試車臺上常用的推進劑供應(yīng)系統(tǒng)分為燃料供應(yīng)系統(tǒng)和氧化劑供應(yīng)系統(tǒng)。常規(guī)的液體推進劑供應(yīng)系統(tǒng)為固定式供應(yīng)裝置，包括推進劑容器間、推進劑供應(yīng)管路、推進劑配氣管路、閥門等[3]。液體推進劑經(jīng)轉(zhuǎn)注后進入推進劑貯箱，再通過氮氣增壓，經(jīng)管路輸送至發(fā)動機，然后進行試車。為了縮短推進劑供應(yīng)管路，推進劑容器間一般設(shè)在試車臺邊上，這勢必會給試車帶來極大的安全隱患。此外，為了方便下次試車使用推進劑，通常的做法是將未使用完的推進劑保存在容器中，在帶來安全問題的同時也嚴重污染了臺區(qū)環(huán)境[4]。為了解決這一矛盾，本課題組在滿足液體火箭發(fā)動機試車的條件下對推進劑供應(yīng)系統(tǒng)進行改進，研制了一種小型可移動式液體推進劑供應(yīng)裝置。

該小型移動式液體推進劑供應(yīng)裝置主要從以下幾個方面進行考慮：首先，從滿足液體火箭發(fā)動機試車方面來說，該裝置應(yīng)能滿足推進劑供應(yīng)量，同時也縮短推進劑供應(yīng)管路。推進劑供應(yīng)管路的縮短能夠減小推進劑輸送時的阻力降，除能節(jié)省推進劑供應(yīng)量，還能減少因推進劑供應(yīng)管路過長而帶來的不良因素[5]。其次，該裝置的設(shè)計可節(jié)約成本，原有的推進劑加注系統(tǒng)需興建推進劑貯存庫房，以及配備其他輔助設(shè)施，這需要花費大量的經(jīng)費，而小型移動式液體推進劑供應(yīng)裝置的設(shè)計可以節(jié)省這方面的經(jīng)費。再次，從環(huán)境保護的角度考慮，可移動式液體推進劑供應(yīng)裝置的運用對試車臺及周邊環(huán)境的改善有很大的促進作用。該裝置平時可存放于庫房之中，當(dāng)進行發(fā)動機試車時運送至試車臺供應(yīng)推進劑，試車結(jié)束后再運回庫房保存。這樣不但降低了試車臺區(qū)域的危險性，而且減小了對試車臺的污染程度，對整個周邊環(huán)境的生態(tài)保護，也都起到了重要作用。

為滿足小推力的發(fā)動機試車及短時的較大推力的發(fā)動機試車過程中足量推進劑的供應(yīng)，該推進劑供應(yīng)裝置設(shè)計成可移動式的，能供高空、地面、長程等多個試車臺的發(fā)動機試車時使用。該系統(tǒng)與試車臺的測控系統(tǒng)連接后，可自動實現(xiàn)試車的流量測量和校準。該套裝置能滿足推力5N～300N各種發(fā)動機的穩(wěn)態(tài)流量和脈沖累積流量的測量要求，并且能直接與試車臺的數(shù)據(jù)采集、控制系統(tǒng)連接，而無需其它轉(zhuǎn)接設(shè)備，更為方便快捷。

1 裝置整體設(shè)計方案

小型移動式液體推進劑供應(yīng)裝置由2個16L的容器、過濾器、液位計、配氣操縱箱、閥門、管路等組成，形成一個完整的系統(tǒng)，可獨立運行，其系統(tǒng)原理圖如圖1所示。由于液體火箭發(fā)動機試車要求推進劑供應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)部必須十分清潔，不允許有任何機械雜質(zhì)和油污存在，因此推進劑供應(yīng)系統(tǒng)的貯箱、管路、接頭、閥門等部件在安裝使用前都應(yīng)進行嚴格的超凈處理。推進劑含雜質(zhì)的顆粒度要求小于10μm，氮氣含雜質(zhì)的顆粒度要求小于5μm，所以對進入系統(tǒng)的推進劑和氮氣用3μm的不銹鋼纖維壓制而成的折疊式過濾器過濾，同時用顆粒度儀定時進行檢測控制[6]。在裝置上安裝了高精度的質(zhì)量流量計和體積管流量計，整個加注系統(tǒng)可直接接入發(fā)動機試車臺，同時可實現(xiàn)對流量計進行自校和互校，確保了測量系統(tǒng)的可靠性和精度。

2 主要組成部分

小型移動式液體推進劑供應(yīng)裝置的機械結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要組成部分包括小車、質(zhì)量流量計、體積管流量計、推進劑容器、儀表控制箱、閥門、管路等。

推進劑小車外形尺寸為680×600×1150mm，是系統(tǒng)中其它設(shè)備的承載設(shè)備，其余設(shè)備如推進劑容器、儀表控制箱、控制閥門、過濾器以及管路等都安裝在小車上。推進劑供應(yīng)小車在小車底盤裝有滾輪，且小車滾輪帶有剎車裝置，能保證小車的穩(wěn)定性。

2.1 質(zhì)量流量計

移動式液體推進劑供應(yīng)裝置上安裝的高精度的質(zhì)量流量計，是采用德國E+H公司生產(chǎn)的63A型高精度的科氏力質(zhì)量流量計。它應(yīng)用科氏力與運動流體的質(zhì)量成正比的原理，不受密度、壓力、介質(zhì)粘度、流速分布等物理量的影響，具有很高的測量精度，一般可達到0.2%，并可測量極小的流量[7]。根據(jù)發(fā)動機試車時的流量情況，選用了Ф1mm、Ф2mm、Ф4mm三種規(guī)格的質(zhì)量流量計，能有效覆蓋推力5N～300N、流量1.5g/s～140g/s的各種發(fā)動機的測量范圍，并能輸出4～20mA的信號，供計算機采集處理。應(yīng)用該種質(zhì)量流量計來測量發(fā)動機試車的穩(wěn)態(tài)流量，系統(tǒng)精度可小于0.5%。

2.2 體積管流量計

傳統(tǒng)的質(zhì)量流量計和渦輪流量計受限于其設(shè)計原理，對于10g/s以下的小流量和脈沖流量，尤其是短脈沖流量的測量無能為力，而體積管法測量流量在這方面則有其獨特的優(yōu)勢。在移動式液體推進劑供應(yīng)裝置上還安裝有體積管流量計，用于測量發(fā)動機的脈沖流量。

2.2.1 原理

體積管流量計由一根Ф45mm精密鋼管、德國生產(chǎn)的磁致縮位移傳感器以及氣動閥門等組成。位移傳感器具有很高的測量精度，它的定位精度可達到0.01mm，并能輸出4～20mA信號，供計算機采集處理。體積管流量計的原理是將推進劑存放在一根內(nèi)徑均勻的中空管中，測量發(fā)動機工作前后，管中推進劑液位的高度差，推算出消耗的推進劑的質(zhì)量，再由發(fā)動機工作的時間或脈沖數(shù)，得到平均的流量值或平均每個脈沖消耗的推進劑質(zhì)量[8]。流量計算公式為：

中空管采用一根內(nèi)表面具有較高表面光潔度且內(nèi)徑均勻的不銹鋼管，管中心有一根波導(dǎo)桿，一個裝有磁環(huán)的不銹鋼浮子套在波導(dǎo)桿上，使用磁致縮位移傳感器，它通過電磁波不斷檢測其玻導(dǎo)桿上磁環(huán)的相對位置，確定其高度，精度為0.05%。體積管內(nèi)液面上下浮動帶動浮子上下浮動，引起磁環(huán)位置的變化[9]，其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。該高度變化值由傳感器獲得，代入流量標(biāo)定表中進行運算，可得出流量值。

2.2.2 體積管的標(biāo)定

對體積管的標(biāo)定實際就是k值的求出，理論上可采用插值法進行計算，以減小誤差。標(biāo)定裝置如圖4所示，標(biāo)定過程中采用蒸餾水作為模擬推進劑介質(zhì)，手動控制閥門打開，每40g為一段，記錄輸出的電壓值和電子秤測得的蒸餾水的質(zhì)量，形成一張標(biāo)定數(shù)據(jù)表（表1），再重復(fù)標(biāo)定一次，形成第二張標(biāo)定數(shù)據(jù)表（表2），和第一張進行對比，以確保數(shù)據(jù)的可靠性。由于是手動控制閥門，不能保證每段都是精確的40g，因此兩張數(shù)據(jù)表中對應(yīng)點的電壓和質(zhì)量數(shù)據(jù)不會完全一樣，但對應(yīng)段的k值應(yīng)該非常接近，如果某一點的k值相差太大，說明這點的兩組數(shù)據(jù)中至少有一組測量錯誤，則此點的數(shù)據(jù)不能用于計算。以第一張數(shù)據(jù)表為基準，對比k值，經(jīng)計算，得出數(shù)據(jù)偏差均在0.86%以內(nèi)，說明數(shù)據(jù)的重復(fù)性很好，無須刪減數(shù)據(jù)，兩張標(biāo)定表都可用作插值計算。用獲得的平均k值（k1、k2均可）進行計算，發(fā)現(xiàn)體積管測量的數(shù)據(jù)和電子秤測量的數(shù)據(jù)已經(jīng)非常接近，偏差在0.35%以內(nèi)，完全符合使用要求，所以在一般情況下，平均k值（k1、k2均可）能滿足使用要求。

3 裝置使用效果

小型移動式液體推進劑供應(yīng)裝置研制成功后即在高空試車臺、地面試車臺、長程試車臺上投入使用。使用情況表明，該推進劑供應(yīng)裝置操作靈活、簡便、性能可靠，完全能夠滿足產(chǎn)品試車的要求。該裝置平時停放在庫房內(nèi)，在產(chǎn)品試車前將推進劑供應(yīng)裝置運送到推進劑貯藏庫房，首先對推進劑供應(yīng)裝置進行推進劑轉(zhuǎn)注（推進劑轉(zhuǎn)注在推進劑庫房中進行，這樣可減少環(huán)境污染）。推進劑轉(zhuǎn)注完畢后將推進劑供應(yīng)裝置運送至試車臺與產(chǎn)品連接，然后進行管路充填。充填完待一切準備工作結(jié)束后即可進行產(chǎn)品試車。產(chǎn)品試車前，對裝置上的推進劑容器進行增壓，增壓至預(yù)定箱壓，開始按照程序段進行點火試車。試車結(jié)束后，對系統(tǒng)管路進行吹除，將管路中廢液排至回收罐。最后對推進劑供應(yīng)裝置進行清洗，清洗完畢并吹凈后將液體推進劑供應(yīng)裝置運送回庫房停放以待下次試車使用。

4 結(jié)論

小型移動式液體推進劑供應(yīng)裝置的成功研制，為液體推進劑供應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計提供了一條新思路。該液體推進劑供應(yīng)裝置是集加注、吹除、流量標(biāo)定等功能于一體的高清潔度的推進劑加注設(shè)備，主要由小車、質(zhì)量流量計、體積管流量計、推進劑容器、儀表控制箱、閥門、管路等組成。該裝置上安裝了高精度的體積管流量計和質(zhì)量流量計，為小推力液體火箭發(fā)動機的流量的得出提供了良好的測量手段。該裝置體積小、操作簡便、機動靈活、流量測量設(shè)備精度高且系統(tǒng)穩(wěn)定、能適應(yīng)多種液體火箭發(fā)動機試車的要求。它不僅解決了試車臺中因設(shè)置推進劑庫房而存在的安全隱患，同時也減少了試車臺區(qū)的污染，對試驗臺周圍區(qū)域的環(huán)境治理也有很大幫助。該裝置適用于小推力、小流量發(fā)動機試車以及其他方面，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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