基于壓力信號(hào)器控制的貯箱地面增壓技術(shù)應(yīng)用分析

王 梁，李 根，孫 賀，劉卓然，王洪麗

(北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京 100076)

0 引言

液體火箭推進(jìn)劑貯箱在射前流程中要進(jìn)行地面增壓，以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火啟動(dòng)時(shí)的初始?jí)毫σ?。目前貯箱地面增壓方式主要包括3種：手閥控制增壓、基于壓力傳感器控制電磁閥增壓和基于壓力信號(hào)器控制電磁閥增壓。手閥控制增壓是通過(guò)地面配氣臺(tái)崗位人員操作增壓供氣手動(dòng)截止閥給貯箱充氣至要求值，該方式無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，目前主要應(yīng)用于國(guó)內(nèi)常規(guī)推進(jìn)劑運(yùn)載火箭；基于壓力傳感器控制貯箱增壓是在地面配氣臺(tái)的貯箱測(cè)壓氣路上設(shè)置壓力傳感器器或直接利用箭上貯箱壓力傳感器采集貯箱壓力數(shù)據(jù)，通過(guò)軟件設(shè)置控制增壓供氣電磁閥啟閉，實(shí)現(xiàn)貯箱自動(dòng)增壓，該方式可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，但對(duì)動(dòng)力測(cè)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)提出更高的要求，目前主要應(yīng)用于國(guó)內(nèi)新研型號(hào)低溫運(yùn)載火箭；基于壓力信號(hào)器控制貯箱增壓是在地面配氣臺(tái)的貯箱測(cè)壓氣路上設(shè)置壓力信號(hào)器，通過(guò)壓力信號(hào)器通斷來(lái)控制增壓供氣電磁閥啟閉，實(shí)現(xiàn)貯箱自動(dòng)增壓，該方式技術(shù)簡(jiǎn)單可靠，同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，目前仍廣泛應(yīng)用于我國(guó)現(xiàn)役某些成熟型號(hào)運(yùn)載火箭。本文將結(jié)合發(fā)射場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用情況對(duì)基于壓力信號(hào)器控制的貯箱地面增壓技術(shù)進(jìn)行介紹分析，為同類技術(shù)應(yīng)用提供參考。

1 基本組成及工作原理

基于壓力信號(hào)器控制的貯箱地面增壓系統(tǒng)基本組成如圖1所示，主要包括：增壓電磁閥、節(jié)流孔板、壓力信號(hào)器、供氣管路及動(dòng)力繼電器機(jī)柜。其中，增壓電磁閥用于控制氣路通斷；節(jié)流孔板用于控制充氣流量；壓力信號(hào)器通過(guò)測(cè)壓管路與貯箱氣相空間連通，用于控制增壓繼電器電路通斷；動(dòng)力繼電器機(jī)柜內(nèi)設(shè)增壓繼電器用于控制增壓電磁閥電路通斷，增壓控制基本電路如圖2所示。

圖1 貯箱地面增壓系統(tǒng)基本組成Fig.1 Basic components of tank ground pressurization system

圖2 貯箱地面增壓控制基本電路Fig.2 Basic circuit of tank ground pressurization control

選用的壓力信號(hào)器為常閉式機(jī)械感應(yīng)壓力開(kāi)關(guān)，基本結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由膜盒、定片觸點(diǎn)、動(dòng)片頂桿、膜盒頂桿和殼體等組成。當(dāng)貯箱壓力上升至壓力信號(hào)器設(shè)定值時(shí)，膜片產(chǎn)生變形，推動(dòng)動(dòng)片頂桿和動(dòng)片觸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，動(dòng)片觸點(diǎn)與定片觸點(diǎn)分離，壓力信號(hào)器斷開(kāi)。當(dāng)貯箱壓力下降至壓力信號(hào)器設(shè)定值時(shí)，膜片變形復(fù)位，動(dòng)片觸點(diǎn)與定片觸點(diǎn)接觸，壓力信號(hào)器接通。

圖3 壓力信號(hào)器結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Structural representation of pressure switch

基于壓力信號(hào)器控制的貯箱地面增壓原理為：貯箱增壓前先接通前端配氣臺(tái)扭子開(kāi)關(guān)，之后后端動(dòng)力測(cè)控系統(tǒng)啟動(dòng)增壓程序，動(dòng)力繼電器機(jī)柜內(nèi)KB0繼電器接通，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)KB1繼電器接通，控制增壓電磁閥開(kāi)啟，開(kāi)始給貯箱充氣。當(dāng)貯箱壓力升高達(dá)到壓力信號(hào)器設(shè)定值時(shí)，壓力信號(hào)器斷開(kāi)，驅(qū)動(dòng)KB1繼電器斷開(kāi)，增壓電磁閥關(guān)閉，停止給貯箱充氣。當(dāng)貯箱壓力下降至壓力信號(hào)器設(shè)定值時(shí)，壓力信號(hào)器再次接通，繼續(xù)給貯箱補(bǔ)壓，維持貯箱壓力在要求值范圍內(nèi)。

2 發(fā)射場(chǎng)技術(shù)應(yīng)用情況

2.1 常溫貯箱地面增壓

常溫推進(jìn)劑貯箱射前地面增壓時(shí)間較為寬裕，對(duì)增壓速度無(wú)嚴(yán)格要求，主要保證增壓精度，一般采用單氣路單壓力信號(hào)器控制增壓，增壓系統(tǒng)組成同圖1所示。

圖4 某常溫貯箱射前增壓壓力曲線Fig.4 Pressurization process of a room temperature tank

從圖4中可以看出：該常溫貯箱增壓近似呈線性增壓過(guò)程，在45 s時(shí)，貯箱壓力升高至壓力信號(hào)器設(shè)定值0.253 MPa；在52 s時(shí)，貯箱壓力達(dá)到最高值0.263 MPa；之后由于貯箱穩(wěn)壓，貯箱壓力逐漸緩慢下降并趨于穩(wěn)定，一直持續(xù)至氣管連接器脫落。貯箱穩(wěn)壓過(guò)程中貯箱壓力仍高于壓力信號(hào)器設(shè)定值，壓力信號(hào)器未再次接通補(bǔ)壓。

2.2 低溫貯箱地面增壓

低溫貯箱推進(jìn)劑加注一直持續(xù)至臨射前幾分鐘，貯箱射前增壓時(shí)間較為緊張，因此在滿足增壓精度要求的基礎(chǔ)上，低溫貯箱射前地面增壓還要求較快地增壓速率，一般采用雙氣路雙壓力信號(hào)器控制增壓。典型低溫貯箱地面增壓系統(tǒng)組成如圖5所示，其中一路增壓氣路使用較大通徑孔板，用于保證增壓速率；另一路增壓氣路使用較小通徑孔板，以保證增壓精度。大增壓力信號(hào)器設(shè)定值小于小增壓力信號(hào)器。

圖5 低溫貯箱地面增壓系統(tǒng)基本組成Fig.5 Basic components of cryogenic tank ground pressurization system

低溫貯箱射前地面增壓流程及工作原理為：增壓開(kāi)始時(shí)，大增供氣路電磁閥和小增供氣路電磁閥同時(shí)接通，雙氣路同時(shí)供氣給貯箱增壓；當(dāng)貯箱壓力達(dá)到大增壓力信號(hào)器設(shè)定值時(shí)，大增壓力信號(hào)器斷開(kāi)，控制大增路增壓電磁閥關(guān)閉，大增供氣路停止增壓，小增供氣路則繼續(xù)保持增壓；當(dāng)貯箱壓力繼續(xù)升高達(dá)到小增壓力信號(hào)器設(shè)定值，小增壓力信號(hào)器斷開(kāi)，控制小增供氣路增壓電磁閥關(guān)閉，停止給貯箱充氣。當(dāng)貯箱壓力下降至小增壓力信號(hào)器設(shè)定值時(shí)，小增壓力信號(hào)器再次接通，繼續(xù)給貯箱補(bǔ)壓，維持貯箱壓力在要求值范圍內(nèi)。

圖6 某低溫貯箱射前增壓壓力曲線Fig.6 Pressurization process of a cryogenic tank

從圖中可以看出：在雙壓力信號(hào)器同時(shí)接通時(shí)，貯箱增壓曲線斜率較大，增壓速率較大，在18 s時(shí)，貯箱壓力升高至大增壓力信號(hào)器設(shè)定值；大增壓力信號(hào)器斷開(kāi)后，僅小增壓力信號(hào)器接通時(shí)，增壓曲線斜率較變緩，增壓速率減小，在28 s時(shí)，貯箱壓力升高至小增壓力信號(hào)器設(shè)定值；在38 s時(shí)，貯箱壓力達(dá)到最高值0.350 MPa；之后，由于貯箱穩(wěn)壓，貯箱壓力逐漸緩慢下降，由于貯箱穩(wěn)壓過(guò)程中貯箱壓力降至低于壓力信號(hào)器設(shè)定值，小增壓力信號(hào)器再次接通二次進(jìn)行補(bǔ)壓，直至氣管連接器脫落。

3 增壓后效控制分析

從圖5和圖6增壓過(guò)程曲線可以看出，貯箱壓力在達(dá)到壓力信號(hào)器設(shè)定值時(shí)，壓力信號(hào)器斷開(kāi)，增壓停止，但貯箱壓力仍會(huì)上升至一最高值，即存在增壓后效?；鸺A箱上設(shè)置有安溢活門，當(dāng)貯箱壓力高于安溢活門開(kāi)啟值，會(huì)導(dǎo)致安溢活門打開(kāi)，增加箭上活門射前動(dòng)作隱患。因此，貯箱射前增壓在滿足貯箱最終壓力要求的前提下，還必須將增壓后效控制在合理范圍。

貯箱射前地面增壓過(guò)程近似是一個(gè)定容積充氣過(guò)程，地面增壓系統(tǒng)通過(guò)供氣管路將增壓供氣高壓氣體輸送至貯箱。為便于分析，作出如下假設(shè)：

1)增壓氣體近似為理想氣體，氣體壓縮性系數(shù)取為1；

2)增壓過(guò)程貯箱氣枕溫度保持不變；

3)忽略箭上單向閥開(kāi)啟壓差。

結(jié)合貯箱地面增壓系統(tǒng)組成及工作原理進(jìn)行分析，增壓后效主要由兩部分組成：1) 由于壓力信號(hào)器、測(cè)控系統(tǒng)電路、增壓電磁閥組成的增壓控制回路存在一定的動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間，在該響應(yīng)時(shí)間內(nèi)，當(dāng)壓力信號(hào)器斷開(kāi)時(shí)，增壓氣體仍然持續(xù)進(jìn)入貯箱，產(chǎn)生壓力后效，即增壓停止動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間內(nèi)進(jìn)入貯箱多余的氣體產(chǎn)生的壓力后效；2)增壓電磁閥設(shè)置在發(fā)射塔架配氣臺(tái)內(nèi)，配氣臺(tái)與箭體貯箱之間通過(guò)一定長(zhǎng)度的供氣管路相連通。因此增壓電磁閥與貯箱之間存在一定的管路氣體容積，增壓停止時(shí)，增壓電磁閥與貯箱間的供氣管路仍存有較高壓力的氣體，該部分氣體由于與貯箱間存在壓力差會(huì)導(dǎo)致管路內(nèi)氣體繼續(xù)進(jìn)入貯箱直至與貯箱達(dá)到壓力平衡，即增壓停止后增壓電磁閥與貯箱之間供氣管路中較高壓力的氣體進(jìn)入貯箱產(chǎn)生的壓力后效。即

=+

(1)

貯箱氣枕壓力計(jì)算公式為

(2)

式中，為貯箱氣枕壓力，單位Pa；為貯箱氣枕氣體質(zhì)量，單位kg；為氣體壓縮性系數(shù)，理想氣體取=1；為氣體常數(shù)，單位J/(kg·K)；為貯箱氣枕溫度，單位K；為貯箱氣枕容積，單位m。

則

(3)

式中，為增壓電磁閥動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間內(nèi)進(jìn)入貯箱多余的氣體質(zhì)量，單位kg，=；為增壓電磁閥動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間，單位s；為增壓充氣流量，單位kg/s，由于較小，認(rèn)為時(shí)間內(nèi)，保持不變。

則

(4)

忽略箭上單向閥開(kāi)啟壓差，則有

(5)

式中，為增壓電磁閥與貯箱之間供氣管路氣體容積，單位m；為增壓電磁閥與貯箱之間供氣管路氣體壓力，單位Pa；為貯箱增壓目標(biāo)壓力，即壓力信號(hào)器起跳值壓力，單位Pa。

則

(6)

對(duì)上式進(jìn)行分析，對(duì)于給定設(shè)計(jì)輸入(增壓氣體介質(zhì)、貯箱氣枕容積、貯箱氣枕溫度)的貯箱地面增壓系統(tǒng)，影響增壓壓力后效大小的主要因素包括：增壓充氣流量、增壓電磁閥動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間、增壓電磁閥后供氣管路氣體容積。顯然，在其他因素不變的情況下，增壓充氣流量越大，貯箱增壓壓力后效越大；增壓電磁閥動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，貯箱增壓壓力后效越大；增壓電磁閥后供氣管路氣體容積越大，貯箱增壓壓力后效越大。

增壓充氣流量由增壓供氣管路進(jìn)出口壓差、管路通徑、管路流阻共同決定。在確定增壓供氣壓力和管路通徑的情況下，一般通過(guò)設(shè)置節(jié)流孔板來(lái)改變管路流阻，進(jìn)而控制充氣流量。節(jié)流孔板流量計(jì)算公式為

(7)

由式(7)可知，節(jié)流孔板通徑越大，增壓充氣流量越大。顯然，孔板后管路壓力也越高。因此，結(jié)合式(6)分析可知，節(jié)流孔板通徑越大，在增壓電磁閥動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間內(nèi)，進(jìn)入貯箱多余的氣體就越多，增壓后效越大。

貯箱地面增壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于選定的硬件而言，增壓動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間可以通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行確定；增壓電磁閥與貯箱之間的供氣管路規(guī)格、長(zhǎng)度確定后，可以計(jì)算出供氣管路氣體容積；在初步確定供氣管路節(jié)流孔板通徑后，通過(guò)理論計(jì)算或者借助工程仿真軟件AMESIM進(jìn)行增壓仿真分析來(lái)計(jì)算增壓后效大小，再根據(jù)計(jì)算結(jié)果并結(jié)合發(fā)射場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)增壓孔板通徑進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而控制增壓充氣流量，使貯箱增壓壓力后效滿足要求。

圖7 貯箱地面增壓仿真模型Fig.7 Simulation model of ground pressurization of tank

表1 仿真模型主要參數(shù)配置

圖8 不同孔板通徑下的貯箱增壓壓力曲線Fig.8 Pressurization process of tank with different orifices

從圖8中可以看出，節(jié)流孔板通徑越大，貯箱增壓過(guò)程中達(dá)到的壓力最高值越大，即增壓后效越大。同時(shí)可以看出，節(jié)流孔板通徑越大，貯箱增壓速度越快，貯箱增壓到目標(biāo)壓力所需時(shí)間也越短。0.5 mm,1 mm，1.5 mm節(jié)流孔板通徑下的貯箱增壓壓力滿足要求；2 mm，2.5 mm節(jié)流孔板通徑下的貯箱增壓最高壓力已超出目標(biāo)值要求，因此初步可以選擇增壓孔板通徑為0.5 mm，1 mm，1.5 mm。最終孔板通徑大小需進(jìn)一步結(jié)合發(fā)射場(chǎng)試驗(yàn)情況，并綜合考慮增壓時(shí)間進(jìn)行確定。

4 壓力信號(hào)器失效故障應(yīng)對(duì)分析

壓力信號(hào)器作為貯箱地面增壓系統(tǒng)關(guān)鍵控制元件，壓力信號(hào)器失效將直接影響貯箱射前增壓功能實(shí)現(xiàn)，甚至導(dǎo)致發(fā)射任務(wù)推遲。壓力信號(hào)器為常閉式壓力開(kāi)關(guān)，其主要失效模式為通斷異常，具體如下：

1)壓力升到設(shè)定值未斷開(kāi)，造成的影響是貯箱增壓不止。

2)壓力降到設(shè)定值未接通，造成的影響是貯箱壓力下降后無(wú)法自動(dòng)補(bǔ)壓。

針對(duì)上述故障模式，貯箱地面增壓系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)設(shè)置緊急放氣電磁閥、冗余備份壓力信號(hào)器和冗余備份增壓電磁閥，在原壓力信號(hào)器失效的情況下，可以實(shí)現(xiàn)緊急放氣和冗余備保增壓，確保貯箱射前增壓工作正常。典型系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖9所示。

圖9 典型貯箱地面增壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)Fig.9 Typical design of tank ground pressurization system

5 結(jié)論

基于壓力信號(hào)器控制貯箱地面增壓技術(shù)簡(jiǎn)單可靠，目前仍廣泛應(yīng)用于我國(guó)現(xiàn)役某些型號(hào)運(yùn)載火箭。常溫貯箱射前地面增壓時(shí)間較為寬裕，一般采用單氣路單壓力信號(hào)器控制增壓；低溫貯箱射前地面增壓時(shí)間較短，要求較快的增壓速率，一般采用雙氣路雙壓力信號(hào)器控制增壓。

貯箱射前地面增壓存在壓力后效，影響壓力后效大小的主要因素包括：增壓充氣流量、增壓電磁閥動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間、增壓電磁閥后供氣管路氣體容積。發(fā)射場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，通過(guò)在供氣管路上設(shè)置合適的節(jié)流孔板來(lái)控制增壓充氣流量，進(jìn)而控制貯箱增壓壓力后效滿足要求。

針對(duì)壓力信號(hào)器失效故障模式，通過(guò)設(shè)置緊急放氣電磁閥和冗余設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)緊急放氣和冗余備保增壓，可以確保貯箱射前增壓工作正常。