貯箱增壓試驗(yàn)地面系統(tǒng)試驗(yàn)裝置的研制

劉巖，閆子良

（北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京 100074）

1 引言

液體運(yùn)載火箭在發(fā)射、升空過程中需要一套增壓系統(tǒng)來保證在泵入口要求的壓力下將貯箱內(nèi)推進(jìn)劑輸入發(fā)動(dòng)機(jī)[1]。在增壓系統(tǒng)產(chǎn)品研制過程中均需要配套試驗(yàn)系統(tǒng)，開展增壓系統(tǒng)地面試驗(yàn)，驗(yàn)證增壓技術(shù)和方案可行性[2-3]。某產(chǎn)品要求在規(guī)定時(shí)間內(nèi)快速完成貯箱的增壓。為了考察各閥門、測量系統(tǒng)、動(dòng)力測控系統(tǒng)、測發(fā)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等增壓系統(tǒng)主要組件的可靠性，驗(yàn)證增壓方案正確性，需要進(jìn)行增壓系統(tǒng)驗(yàn)證試驗(yàn)?；谝陨闲枨?，結(jié)合現(xiàn)場的條件，開展了增壓試驗(yàn)地面系統(tǒng)試驗(yàn)裝置的研制。為增壓系統(tǒng)提供穩(wěn)定的符合要求的氣、液保障，配套立式容器模擬液貯箱，使增壓系統(tǒng)具備試驗(yàn)條件。

2 主要技術(shù)指標(biāo)

（1）一級減壓后系統(tǒng)能夠提供20±0.2MPa、21.5±0.2MPa、23±0.2MPa穩(wěn)定氣源，可四路獨(dú)立同時(shí)供氣，單路供應(yīng)氮?dú)饬髁坎恍∮?00g/s；

（2）模擬貯箱氣枕容積表征精度不大于±10L；

（3）模擬貯箱氣密試驗(yàn)壓力不小于0.8MPa；

（4）各單點(diǎn)漏率不高于10-6pa·m3/s數(shù)量級。

3 系統(tǒng)組成及工作原理

全系統(tǒng)模擬配備獨(dú)立貯存增壓介質(zhì)的貯氣式增壓方式[4]，建立地面系統(tǒng)試驗(yàn)裝置。試驗(yàn)裝置主要由氣源、增壓管路系統(tǒng)、一級減壓配氣臺(tái)、模擬貯箱、模擬液管路系統(tǒng)及被測增壓系統(tǒng)組件（二級減壓配氣臺(tái)、安溢閥、保險(xiǎn)閥、電爆閥、測控系統(tǒng)等）組成。

圖2為地面系統(tǒng)工藝流程圖，采用試驗(yàn)現(xiàn)場西側(cè)2個(gè)35MPa，1.4m3氣瓶作為氣源。經(jīng)過長距離管路輸送后進(jìn)入一級減壓配氣臺(tái)，氣體分為4路，配套過濾器、控制閥門、減壓器等，獨(dú)立減壓后，分別向被測二級減壓配氣臺(tái)供應(yīng)滿足試驗(yàn)要求的氮?dú)?。?jīng)二級減壓配氣臺(tái)減壓配氣后，經(jīng)過增壓管路向模擬貯箱內(nèi)輸送穩(wěn)定的增壓氣體。模擬貯箱是全系統(tǒng)的核心部件，用于貯存模擬液，安裝被測的隔離閥、安溢閥等試驗(yàn)件，具有加注泄出功能，能夠根據(jù)試驗(yàn)需要調(diào)節(jié)氣枕容積。

圖2 地面系統(tǒng)試驗(yàn)裝置工藝流程圖

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 氣源及供氣主管路

考慮氣瓶場實(shí)際情況和試驗(yàn)預(yù)計(jì)耗氣量，選用兩臺(tái)1.4m3，設(shè)計(jì)壓力35MPa的高壓球形氣瓶作為氣源。氣瓶最高充氣壓力32MPa。出口處均有一截止閥。2個(gè)氣瓶均與一條主管路相連，主管路末端具有一條外供氣管路和手動(dòng)截止閥。使用長度約為70m。

設(shè)氮?dú)庠?2MPa主管路中流速10m/s，若滿足供氣總流量2400g/s的要求，主管路口徑計(jì)算得D=29mm，為保證供氣量的可靠，可向上調(diào)整至DN40，滿足氣體供應(yīng)的要求。根據(jù)內(nèi)壓直管的厚度計(jì)算公式[5]：

式中：ts：直管計(jì)算厚度，mm；

tsd：直管設(shè)計(jì)厚度，mm；

P：設(shè)計(jì)壓力，35MPa；

Do：管子外徑mm；根據(jù)GB/T 17395-2008，初選系列1中Φ60×10不銹鋼管。

[σ]t：設(shè)計(jì)溫度下材料的許用應(yīng)力，137 MPa；

Ej：焊接接頭系數(shù)，取0.9；

Y：系數(shù)，當(dāng)ts≦Do/6時(shí)，常溫使用奧氏體不銹鋼情況下，Y＝0.4；

C：厚度附加量之和，mm；

按上式進(jìn)行計(jì)算：

考慮厚度負(fù)偏差、腐蝕裕量等因素，直管路設(shè)計(jì)厚度

Φ60×10不銹鋼管符合主管路的強(qiáng)度要求。

計(jì)算后選用Φ60×10的06Cr19Ni10不銹鋼管路作為供氣主管路。既保證了貯存輸送高壓氣體的承壓穩(wěn)定性，又保證了氣體供應(yīng)量。供氣主管路除在護(hù)坡位置彎曲，其余位置均沿直線鋪設(shè)，盡可能降低管路流阻。DN40，10m/s下管路最大流量為754L/min，根據(jù)克拉珀瓏方程，一級減壓前管路內(nèi)壓力應(yīng)不低于16.8MPa。

根據(jù)單相可壓縮絕熱流體的管道壓力降計(jì)算公式[6]

經(jīng)試差法計(jì)算得供氣主管路壓降不大于1%，因此管路系統(tǒng)滿足增壓試驗(yàn)對氣源的要求。

氣源壓力用至23MPa時(shí)需要重新增壓，根據(jù)全部試驗(yàn)的耗氣量要求，預(yù)計(jì)完成試驗(yàn)需要充氣6次。

4.2 一級減壓配氣裝置

在航天器推進(jìn)系統(tǒng)中, 減壓器是重要的壓力調(diào)節(jié)部件。儲(chǔ)存于高壓氣瓶內(nèi)的氣體經(jīng)氣體減壓器節(jié)流減壓為工作要求的較低且恒定的輸出壓力, 使整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)具有穩(wěn)定的工作特性[7]。供氣主管路進(jìn)入一級減壓配氣裝置后，分為四路，具備向四臺(tái)模擬貯箱同時(shí)供氣的能力，參考紊流型孔板流量計(jì)算公式[8]，配氣臺(tái)向下游容器增壓的氣體流量為：

其中：μ：系數(shù)，經(jīng)計(jì)算取0.7；

F為節(jié)流孔流通面積，m2，選取節(jié)流孔截面直徑6mm，則F=2.83×10-5m2。

R=8.314(J/mol·K)，氣體常數(shù)

P0，孔前絕壓，P，孔后絕壓，Pa；

以常溫計(jì)算，T=293K；

計(jì)算得G=1.368kg/s，高于600g/s的減壓后供氣量要求，減壓裝置供氣能力滿足要求。

考慮減壓后壓力范圍和氣體流量范圍，選用出口壓力可調(diào)的寧波星箭XJ/Y35AD型可調(diào)壓力減壓閥[9]，其進(jìn)口壓力≤35MPa，出口壓力5～23MPa，調(diào)節(jié)范圍應(yīng)涵蓋系統(tǒng)最大工況下的壓力。最大流量可達(dá)1.4kg/s。通過調(diào)節(jié)減壓閥開度，向下游輸送20±0.2MPa、21.5±0.2MPa、23±0.2MPa穩(wěn)定氣源。

為了減少進(jìn)入氣瓶場（一級危險(xiǎn)點(diǎn)）次數(shù)，確保試驗(yàn)安全，手動(dòng)截止閥、過濾器和減壓閥均布置在遠(yuǎn)離氣瓶場的試驗(yàn)區(qū)。減壓器附近管路及附件安裝在一個(gè)小型配氣柜內(nèi)，便于集中操作。

4.3 模擬貯箱

為滿足試驗(yàn)所需的氣枕容積要求，設(shè)計(jì)單層立式圓柱型模擬貯箱結(jié)構(gòu)。模擬貯箱共4臺(tái)。上下底為標(biāo)準(zhǔn)橢球型封頭，根據(jù)氣枕容積的變化范圍，選擇合適的筒體內(nèi)徑和長度，通過液位計(jì)測量圓筒段的液位變化并調(diào)節(jié)液位高度，即可實(shí)現(xiàn)氣枕容積的準(zhǔn)確控制。

模擬貯箱設(shè)計(jì)壓力0.85MPa，最大工作壓力0.8MPa，材料選用06Cr19Ni10不銹鋼，采用榫槽面法蘭和聚四氟乙烯墊片實(shí)現(xiàn)密封。保證容器足夠的承壓和耐腐蝕能力。

在容器頂部安裝液位計(jì)，根據(jù)液位計(jì)示數(shù)表征容器內(nèi)氣枕容積。根據(jù)使用特點(diǎn)，選用京儀ULC3101-HSX-1磁致伸縮液位傳感器[10]。該型傳感器由傳感器頭部、波導(dǎo)絲、探測桿、浮子及阻尼裝置等[11]組成，利用鐵磁材料在外磁場的作用下，在磁場變化時(shí)體積或長度會(huì)發(fā)生微小變化的磁致伸縮效應(yīng)實(shí)現(xiàn)液位測量，具有大量程、高精度、易維護(hù)、免標(biāo)定、長壽命和強(qiáng)適應(yīng)性等特點(diǎn)。傳感器使用前送航天計(jì)量機(jī)構(gòu)進(jìn)行校檢，精度達(dá)到0.1%，符合表征氣枕容積的精度要求。

圖3 磁致伸縮液位計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

模擬貯箱頂部開有人孔，人孔上法蘭蓋設(shè)有進(jìn)排氣口、液位計(jì)口、壓力傳感器接口。具有加注、泄出、增壓、排氣等功能。壓力、液位測量既可以現(xiàn)場顯示，又可以遠(yuǎn)程監(jiān)測。根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，設(shè)置安全排放閥接口，可搭載被測安溢閥門或保險(xiǎn)閥門進(jìn)行試驗(yàn)。模擬貯箱底部設(shè)置進(jìn)排液口，并設(shè)置手動(dòng)閥門控制。

為保證不同參數(shù)試驗(yàn)的快速切換，需要控制模擬貯箱的排氣時(shí)間。

根據(jù)一元不定常等熵流動(dòng)下氣罐放氣時(shí)間近似公式[12]：

經(jīng)計(jì)算，選用DN25口徑排氣管路，最大增壓幅度、最大氣枕容積條件下理論排氣時(shí)間約為77s，滿足試驗(yàn)狀態(tài)快速切換的需要，配套安裝DN25手動(dòng)截止閥。

經(jīng)過計(jì)算，每臺(tái)模擬貯箱進(jìn)排氣口處設(shè)一排氣支路，排氣支路上設(shè)一DN25手動(dòng)球閥。進(jìn)排水管路規(guī)格為DN50，安裝不銹鋼手動(dòng)球閥，進(jìn)行進(jìn)排水控制。

4.4 模擬液輸送管路

根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)場地形特點(diǎn)，選用高點(diǎn)的水源供應(yīng)模擬液，通過增強(qiáng)型塑料軟管連接模擬貯箱和水源接口，水在泵壓和重力作用下輸入模擬貯箱內(nèi)。每臺(tái)模擬貯箱進(jìn)水口配有DN50手動(dòng)截止閥，供水主管路配有閥門、流量計(jì)等配件，每臺(tái)模擬貯箱實(shí)現(xiàn)互相連通。模擬液輸送管路系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)每臺(tái)模擬貯箱獨(dú)立供水或四臺(tái)模擬貯箱同時(shí)供水。也可以根據(jù)試驗(yàn)需要，實(shí)現(xiàn)高液位模擬貯箱液體向低液位模擬貯箱補(bǔ)液，節(jié)約試驗(yàn)用水成本和準(zhǔn)備時(shí)間。

圖4 模擬液輸送管路流程圖

5 系統(tǒng)調(diào)試

為了保證全系統(tǒng)的穩(wěn)定性和增壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。全系統(tǒng)安裝完成后，對被測二級減壓配氣裝置后至模擬貯箱的容器管路系統(tǒng)進(jìn)行氣密性試驗(yàn)，考察系統(tǒng)密封性。氣密性試驗(yàn)執(zhí)行比相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)[13-14]更嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，至少24h內(nèi)壓力不能有明顯異常變化，同時(shí)進(jìn)行氦質(zhì)譜檢測，各單點(diǎn)漏率應(yīng)不高于10-6pa?m3/s量級。

先進(jìn)行容器、管路的分段氣密性試驗(yàn)，合格后進(jìn)行全系統(tǒng)的氣密性試驗(yàn)。氣密性試驗(yàn)壓力由低到高，圖5給出了0.8MPa氣密性試驗(yàn)壓力下24h內(nèi)貯存系統(tǒng)內(nèi)壓力示數(shù)變化情況。氣密性試驗(yàn)時(shí)間為中國北方初夏，查看試驗(yàn)記錄，試驗(yàn)系統(tǒng)附近環(huán)境溫差在15℃左右（18～33℃左右）。試驗(yàn)系統(tǒng)位于戶外，內(nèi)部溫度受外界影響較大。而且模擬貯箱系統(tǒng)容積較大，系統(tǒng)內(nèi)氣體與外界環(huán)境基本處于熱不平衡狀態(tài)。所以氣密性試驗(yàn)時(shí)系統(tǒng)內(nèi)氣體溫度變化相較于環(huán)境溫度變化具有遲滯性，且陽光直射、重力等因素致使系統(tǒng)內(nèi)氣體的溫度、壓力并非均勻分布[15]。因此，氣密性試驗(yàn)選擇了2臺(tái)模擬貯箱上的壓力傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行參考對照。

圖5 24h氣密性試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由壓力變化趨勢可知，系統(tǒng)內(nèi)壓力保持基本穩(wěn)定，變化幅度穩(wěn)定在0.01MPa左右，在24h試驗(yàn)周期內(nèi)出現(xiàn)了峰值和谷值。通過氦質(zhì)譜儀檢查顯示，各段連接位置單點(diǎn)漏率均未超過10-6pa?m3/s量級。

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，氣密性試驗(yàn)時(shí)，全系統(tǒng)為封閉狀態(tài)，可視為定容過程，假設(shè)無氣體泄漏，試驗(yàn)空間內(nèi)氣體物質(zhì)的量不變，因此氣密性試驗(yàn)中壓力與氣體溫度呈正比關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，壓力傳感器示數(shù)的變化趨勢與試驗(yàn)期間氣溫變化基本一致。比較不同時(shí)刻、相同溫度下的數(shù)據(jù)，壓力差最大為0.001MPa，在測量誤差允許范圍內(nèi)。同時(shí)試驗(yàn)介質(zhì)無有毒有害物質(zhì)，意外泄漏無任何環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。因此可認(rèn)為全系統(tǒng)氣密性能符合要求，滿足試驗(yàn)要求。

6 結(jié)論

本文針對某產(chǎn)品貯箱增壓試驗(yàn)的需求，設(shè)計(jì)了地面系統(tǒng)試驗(yàn)裝置。裝置具有以下特點(diǎn)：

（1）設(shè)置獨(dú)立的高壓氣源，供氣保障充分，可以實(shí)現(xiàn)四路獨(dú)立供應(yīng)大流量氣體。

（2）壓力流量調(diào)節(jié)組件采用集成化、模塊化設(shè)計(jì)，方便人員操作。

（3）試驗(yàn)裝置適應(yīng)被測系統(tǒng)及現(xiàn)場環(huán)境，貯存量、承壓能力、密封性能、供氣速度、液位控制精度、使用壽命等技術(shù)指標(biāo)較高，除本次試驗(yàn)外，還可推廣應(yīng)用于其它產(chǎn)品的增壓系統(tǒng)試驗(yàn)中。

（4）安全性可靠性優(yōu)良。試驗(yàn)裝置密封性經(jīng)過長期考核穩(wěn)定可靠；開展安全性設(shè)計(jì)，配套多項(xiàng)安全保障措施確保試驗(yàn)人員安全；模擬貯箱設(shè)置多角度視頻監(jiān)控系統(tǒng)，可遠(yuǎn)程監(jiān)控模擬貯箱試驗(yàn)狀態(tài)。

該地面系統(tǒng)試驗(yàn)裝置調(diào)試合格后投入使用，開展了某產(chǎn)品增壓系統(tǒng)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)全過程運(yùn)行狀態(tài)良好，獲取大量重要數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了增壓方案的正確性，考察了增壓系統(tǒng)主要組件的可靠性，為產(chǎn)品研制提供了地面試驗(yàn)保障。