一種高精度定量方式在上面級加注系統(tǒng)中的應用

郭銘杰,陳傳寶,張永江,王 梁,高彥峰

(航天發(fā)射技術研究所，北京 100076)

0 引言

上面級加注量控制比較嚴格，技術指標要求定量精度為0.3%。由于以往型號加注精度要求相對較低，通常為0.6%～1%，定量精度主要依靠流量計定量或者電子秤定量，其精度完全取決于計量儀器的精度。其定量精度基本能夠滿足常規(guī)型號任務要求，但對于上面級加注精度要求卻無法滿足，主要是系統(tǒng)設計引起的誤差無法單獨依靠計量儀器確定，這就需要設計人員從系統(tǒng)角度對加注精度進行設計。

在航天液體推進劑加注技術應用領域，地面定量通常采用流量計定量、電子秤定量方式[1-2]。流量計定量主要用在加注量較大，且精度要求相對較低的火箭主發(fā)動機動力貯箱(百噸級)加注工況中；電子秤定量主要用于加注量較小(千克級)精度較高的工況[3]。但采用電子秤定量方式時，充入加注罐內(nèi)氣體質(zhì)量會對定量精度產(chǎn)生影響，特別是加注量較大時，影響更大。因此，本文提出了全新的地面定量方式，即電子秤和氣體質(zhì)量流量控制器系統(tǒng)定量方式，并對這種全新的定量方式進行了理論計算與試驗分析，結果表明定量精度滿足技術指標要求。

1 電子秤定量精度分析

電子秤定量原理如圖1所示，即用加注罐下電子秤測量加注罐質(zhì)量的減少量來確定進入貯箱的推進劑量。其原理為

M加注量=M計量值+M氮氣

(1)

式中，M計量值為電子秤定量實測值，單位為kg；M加注量為實際加注量，即加注罐排出量(計量開始前加注管路已經(jīng)填充完畢)，單位為kg；M氮氣為充入加注罐內(nèi)的擠壓氣體的質(zhì)量，單位為kg。

(a) 加注初始狀態(tài)

(b) 加注結束狀態(tài)圖1 電子秤定量原理圖Fig.1 Electronic scale measurement method

由于加注罐內(nèi)氣枕部分是推進劑蒸氣與氮氣的混合氣體，近似符合理想氣體性質(zhì)，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程[4]，有

(2)

式中，P為加注罐擠壓壓力，單位為Pa；V氮氣為加注結束時充入加注罐內(nèi)氮氣總體積，單位為m3；Mmol為氮氣摩爾質(zhì)量，單位為28×10-3kg·mol-1；R為氣體常數(shù)，R=8.314 5 J·mol-1·K-1；T為罐內(nèi)氣體溫度，T=293 K。

則

V氮氣=(1-Y)V氣枕

(3)

式中，Y為加注罐內(nèi)推進劑蒸氣所占比例，單位為體積分數(shù)；V氣枕為加注結束后加注罐內(nèi)氣枕體積增加量，單位為m3。

根據(jù)道爾頓分壓定律

(4)

式中，Pc為推進劑蒸氣分壓。

又因為

(5)

式中，M名義加注量為推進劑加注設定量，ρ為推進劑密度。

將式(4)和式(5)代入式(3)得

(6)

將式(6)代入式(2)得

(7)

從式(7)可以看出，當推進劑蒸氣分壓達到最大時，即飽和狀態(tài)下，M氮氣最小。

以上面級加注四氧化二氮和偏二甲肼液體推進劑為例，加注精度要求不低于±3‰，擠壓氣體為氮氣。該任務加注量較大，加注精度高，因此選用電子秤作為定量儀器。

為保證加注流量滿足任務要求，根據(jù)流體力學計算后可知,加注罐內(nèi)氮氣壓力需保持在氧化劑為0.63 MPa(表壓)，燃燒劑為0.30 MPa(表壓)，其20℃時飽和蒸氣壓為9.5×103Pa(四氧化二氮)和1.3×103Pa(偏二甲肼)，推進劑密度為1 446 kg/m3(四氧化二氮)和791 kg/m3(偏二甲肼)。

將各參數(shù)代入式(7)可知

四氧化二氮：M氮氣=8.6 kg

偏二甲肼：M氮氣=5.1 kg。

又因為

(8)

式中，α為加注精度；δ為充入加注罐內(nèi)氮氣質(zhì)量，即M氮氣。

將計算結果代入式(8)得

四氧化二氮：α=5.1‰

偏二甲肼：α=5.7‰

上述結果表明，僅僅該項誤差就已經(jīng)超出了總體提出的±3‰的精度要求。

由于加注罐內(nèi)氣枕容積在加注過程中不斷變化，實際上推進劑蒸氣分壓并未達到飽和狀態(tài)，因此，以上理論計算值只是最小值，實際過程中該誤差會更大。

為了解決電子秤獨立定量加注量無法滿足精度要求的弊端，引入電子秤和氣體質(zhì)量流量控制器系統(tǒng)定量方式。

2 系統(tǒng)定量方式設計

系統(tǒng)定量方式原理如圖2所示，其原理為用電子秤定量加注罐、用氣體質(zhì)量流量控制器定量充入氣體質(zhì)量，用PLC實現(xiàn)計算、定量和程序控制。

圖2 聯(lián)合定量原理圖Fig.2 Combined measurement method

按照式(1)，進入貯箱的實際推進劑量M加注量應該是電子秤示值M計量值與充入加注罐內(nèi)氣體質(zhì)量M氮氣之和。而氣體質(zhì)量流量控制器是一種能夠測量氣體流量的儀器，其測試單位為L(標準狀況)，只要再乘以氣體標況下的密度即可得到氣體質(zhì)量，其測量精度為±2%。因此可得到

M加注量=M計量值+M氮氣=M計量值+L標況ρ標況β

(9)

式中，L標況為氣體質(zhì)量流量控制器計量標準狀況下的氣體流量，單位為L；ρ標況為標準狀況下氣體密度，單位為g/L；β為氣體質(zhì)量流量控制器氣體轉(zhuǎn)換系數(shù)，氮氣為1.0，空氣為1.006。

式(9)即PLC計量程序輸入公式，該公式是系統(tǒng)定量方式的創(chuàng)新點，考慮了充入加注罐內(nèi)氣體質(zhì)量對精度影響因素，經(jīng)計算，可將精度由原電子秤獨立定量的0.5%提高至0.1%。

由于該系統(tǒng)定量方式是首次應用，因此需要進行試驗來驗證其可行性。

3 試驗與分析

采用上述加注系統(tǒng)對這一新的定量方式進行了15次加注試驗。其中，氧化劑加注系統(tǒng)進行了8次試驗，分別加注純凈水4次、四氧化二氮4次；燃燒劑加注系統(tǒng)進行了7次試驗，分別加注純凈水5次、偏二甲肼2次。

試驗原理圖如圖3所示。采用加注設備進行加注試驗，記錄每次加注結束時加注罐下電子秤顯示值，即M計量值和氣體質(zhì)量流量控制器的測試值L標況，將圖1(b)狀態(tài)加注罐內(nèi)氣體排空，排空氣體后電子秤示值應非常接近真實加注量(由于將加注罐內(nèi)氣體排空時會連帶加注前加注罐氣枕部分氣體排出，導致實測氮氣質(zhì)量比計算值稍大，但考慮到加注前加注罐內(nèi)氣枕部分氣體質(zhì)量較小，本試驗將其忽略不計)，觀察電子秤示值變化，并與PLC計量值進行比對。

圖3 試驗原理圖Fig.3 Experiment system of combined measurement

試驗測試數(shù)據(jù)如表1所示。從表1可以看出，在加注結束后，電子秤顯示的加注罐質(zhì)量包含了充入罐內(nèi)氣體的質(zhì)量，將罐內(nèi)氣體排放后，電子秤顯示的加注罐質(zhì)量與加注系統(tǒng)計量的加注量非常接近，甚至相等，從而證明電子秤和氣體質(zhì)量流量控制器的系統(tǒng)定量方式可行。同時可以看出，由于推進劑蒸氣未達到飽和狀態(tài)，當加注四氧化二氮時，充入罐內(nèi)氣體質(zhì)量平均為13 kg；加注偏二甲肼時，充入罐內(nèi)氣體質(zhì)量平均為7.9 kg，比理論計算值大。

2015—2019年期間，北斗導航衛(wèi)星上面級完成了10余次加注任務，通過上面級質(zhì)量測量，驗證加注精度均滿足要求。上面級加注系統(tǒng)應用情況如表2所示。

表1 驗證試驗結果

表2 上面級加注系統(tǒng)應用情況

從表2中可以看出，在實際應用中，電子秤與氣體質(zhì)量流量控制器聯(lián)合的系統(tǒng)定量精度基本處于0～0.02%以內(nèi)，而電子秤獨立定量精度平均為0.36%～0.52%。在實際應用中驗證了系統(tǒng)精度設計的方法正確、可行。

4 結論

針對上面級發(fā)射北斗衛(wèi)星時對推進劑加注量精確定量的要求，本文提出了一種地面加注高精度定量方法，并通過實踐驗證了該方法的有效性。通過理論分析，電子秤和氣體質(zhì)量流量控制器聯(lián)合的系統(tǒng)定量方法正確，且簡單可靠。通過定量試驗驗證，大幅度提高系統(tǒng)計量精度；在上面級發(fā)射北斗衛(wèi)星的實際應用中，系統(tǒng)定量精度均滿足技術要求，且重復性保持較好，具有良好的工程應用參考價值，為第二代北斗系列導航衛(wèi)星的成功發(fā)射做出了積極的貢獻。