表面張力貯箱泡破點盲測技術(shù)研究

郝貴欣，張 華，董 飛

（西安航天發(fā)動機廠，陜西西安710100）

0 引言

表面張力貯箱是姿控發(fā)動機重要組件，貯箱內(nèi)管理裝置的主要作用是保證貯箱在不同姿態(tài)下出液口都能連續(xù)輸出無夾氣的推進劑。泡破點是貯箱的關(guān)鍵特性參數(shù)之一，如果貯箱泡破點降低，貯箱輸出的推進劑會夾雜氣體，使推進劑管理能力下降或推進劑供應(yīng)流量不足，最終導(dǎo)致姿控發(fā)動機動力系統(tǒng)性能下降。

1 貯箱泡破點的定義

在空間環(huán)境下,貯箱處于完全失重或微重力狀態(tài)，此時液體的表面張力是影響液體行為的主要因素，見圖1所示。在液體的表面張力作用下，氣液界面的平衡條件是

式中：△p為氣液界面兩面的壓差；σ為液體表面張力；R1和R2為液面的主曲率半徑。

如果液面為球面的一部分，則

采用篩網(wǎng)作為管理裝置的毛細元件時，它所能維持的最大靜壓力就是篩網(wǎng)的泡破點值△pcr，也是氣體穿過篩網(wǎng)時所需的壓差。由式（2）得

式中：DBP為篩網(wǎng)的有效孔徑。

由此可見，篩網(wǎng)泡破點值理論上僅與工作介質(zhì)表面張力和篩網(wǎng)的有效孔徑有關(guān)，其值就是氣體穿過篩網(wǎng)孔徑時所產(chǎn)生的壓力差，所以可以通過測量此壓力差的方法得到篩網(wǎng)的泡破點值。

2 貯箱結(jié)構(gòu)簡介及測試現(xiàn)狀

2.1 貯箱結(jié)構(gòu)簡介

貯箱由上半球、圓筒段、下半球和管理裝置焊接而成，如圖2（a）所示。

管理裝置位于下半球內(nèi)，由隔板組件、角杯、通道和底收集器等組成，其中角杯、通道與底收集器共同組成一個空腔，通過出液口與外部連通。

2.2 泡破點測試現(xiàn)狀

目前泡破點測試只能對未裝入貯箱的管理裝置進行測試，方法是將管理裝置放入盛有無水乙醇的貯液槽內(nèi)，通過手動操作氣體減壓器，給管理裝置內(nèi)腔緩慢增壓，觀察篩網(wǎng)表面，直至第一個氣泡穿過網(wǎng)片，此時測得的網(wǎng)片兩側(cè)壓差就是泡破點值。

3 盲測原理及難點分析

管理裝置裝入貯箱后，管理裝置完全看不見，傳統(tǒng)的泡破點測試方法無法進行，這時只能進行盲測。盲測就是不用人眼觀察數(shù)據(jù)和不用人工控制壓力，整個測試過程完全由計算機獨立控制并輸出測得的貯箱泡破點值。

3.1 盲測原理

盲測原理是向貯箱內(nèi)加注一定量的試驗介質(zhì)并使管理裝置篩網(wǎng)上形成完整的液膜，然后通過如圖3所示的系統(tǒng)緩慢給貯箱增壓，控制臺上的計算機實時采集和分析壓力傳感器傳來的壓力數(shù)據(jù)，并且與預(yù)定的增壓速率進行比對，實時輸出計算得到的PID參數(shù)給壓力控制器，以使增壓速率恒穩(wěn)，當壓力傳感器的壓力數(shù)據(jù)出現(xiàn)突然變小并短時間內(nèi)無回升時，即可判定突變時刻的壓力值為泡破點值。

3.2 難點分析

貯箱殼體不透明，無法觀察到其內(nèi)管理裝置的狀態(tài)，因此，盲測有以下難點：

1）管理裝置在貯箱內(nèi)，如何保證入口濾網(wǎng)和隔板窗不形成液膜而管理裝置的篩網(wǎng)表面形成完整的液膜，避免這三層篩網(wǎng)均形成液膜，導(dǎo)致密閉死腔形成；

2）如何通過自動控制增壓，并保證管理裝置內(nèi)腔實時為準平衡狀態(tài)（即內(nèi)腔各處壓力值基本一致），減小誤差，提高測量準確性；

3）無水乙醇（試驗介質(zhì)）為易蒸發(fā)液體，蒸汽遇冷的管理裝置容易凝結(jié)液滴，也會在隔板窗形成液膜，如何縮短測試時間和減少蒸發(fā)量。

4 技術(shù)方案

用試驗介質(zhì)將貯箱內(nèi)的管理裝置浸濕，使網(wǎng)片表面形成液膜，用計算機自動控制給貯箱緩慢增壓，實時采集貯箱的壓力并繪制壓力曲線，在入口壓力保持緩慢、平穩(wěn)的前提下，當壓力增長到一定值，氣體打破網(wǎng)片液膜的表面張力，在壓力曲線上表現(xiàn)為突然下折，此時測得的網(wǎng)片兩側(cè)的壓力差就是貯箱的泡破點值。

4.1 試驗介質(zhì)加注

從貯箱的出液口到進氣口有三層篩網(wǎng)，如果這三層篩網(wǎng)均形成液膜，管理裝置內(nèi)部便會形成一個被液膜密封的空腔，又由于試驗介質(zhì)蒸汽壓的影響，將不能準確測量管理裝置的泡破點值。試驗介質(zhì)加注方案是：從出液口加注，控制加注介質(zhì)量，使貯箱以任何姿態(tài)放置試驗介質(zhì)均不能碰到隔板窗。試驗介質(zhì)的最大加注量可以依據(jù)貯箱的結(jié)構(gòu)通過理論計算得到。

4.2 篩網(wǎng)表面液膜形成方案

試驗介質(zhì)的加注方法和加注量可保證隔板窗無試驗介質(zhì)，但在管理裝置上液膜形成過程中必須保證隔板窗與試驗介質(zhì)無粘連。液膜形成方案是：先使通道浸濕，再浸濕通道末端的角杯，然后浸濕底收集器，最后將貯箱倒立，使通道和底收集器內(nèi)的多余試驗介質(zhì)流至通道末尾，減小試驗過程中介質(zhì)流動干擾，保證管理裝置外表面被潤濕，而其他網(wǎng)片不潤濕。

4.3 增壓方案

管理裝置到進氣口之間的空腔比較大，致使增壓時間很長，而且篩網(wǎng)與進氣口的距離比較遠，篩網(wǎng)表面的液膜破裂時造成的壓力差必須克服隔板窗和入口濾網(wǎng)兩道篩網(wǎng)阻隔，壓力損失比較大，對測量準確度影響很大。管理裝置到出液口之間的空腔很小，而且距離壓力測量裝置也比較近，壓力損失非常小，增壓方案確定為從出液口增壓。

4.4 微壓力平穩(wěn)控制

只有控制管理裝置內(nèi)腔壓力的平穩(wěn)緩慢增加，才能使篩網(wǎng)液膜破裂時內(nèi)腔壓力為準平衡狀態(tài)，提高測量的準確性。篩網(wǎng)入口壓力控制采用進口ER3000壓力控制器及節(jié)流孔板，并在控制程序中運用當前工業(yè)控制應(yīng)用最廣泛的PID控制方式，實時計算P，I，D三個參數(shù)，實現(xiàn)對流量的限制及壓力的實時調(diào)整控制。

4.5 縮短試驗時間的技術(shù)方案

試驗介質(zhì)蒸氣遇冷容易在管理裝置和隔板窗上聚集成液滴，形成液膜，需要盡量縮短試驗時間，減小試驗介質(zhì)的蒸發(fā)量。流量控制采用節(jié)流孔板，如果試驗從始至終采用小孔徑節(jié)流孔板，試驗時間會很長。綜合考慮時間和流量，采用了分段控制方式，試驗前期通過較大孔徑節(jié)流孔板增壓，縮短試驗時間，試驗后期則采用較小孔徑的節(jié)流孔板限流，保證篩網(wǎng)兩側(cè)壓力的準平衡狀態(tài)，滿足控制精度和響應(yīng)速度的要求。

5 系統(tǒng)的組成及實現(xiàn)方法

5.1 系統(tǒng)組成及工作原理

系統(tǒng)由氣路、測控兩部分組成，其中氣路部分是系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)保障，包括壓力傳感器、減壓閥、壓力控制器、截止閥以及管路等，主要完成氣源減壓、微壓供給和壓力感知等任務(wù)；測控部分是系統(tǒng)的控制核心，包括計算機、顯示器、采集板、信號轉(zhuǎn)換板和軟件等，主要負責數(shù)據(jù)采集、控制信號輸出及儀表顯示等。測控部分軟件采用LabVIEW 8.6作為開發(fā)平臺，主要由負責窗口調(diào)用的界面模塊及負責試驗過程控制方式的試驗控制模塊、負責不同產(chǎn)品試驗參數(shù)和控制方式的樣本管理模塊、負責試驗曲線再現(xiàn)的數(shù)據(jù)回放模塊等組成。全部自動控制動作指令皆由控制軟件發(fā)出。系統(tǒng)工作時，壓力變送器將管路壓力數(shù)據(jù)傳送到采集板卡并進入計算機，交付給控制軟件處理，控制軟件將數(shù)據(jù)輸出到屏幕，并經(jīng)判斷處理后的數(shù)據(jù)自動發(fā)出控制指令，控制電動閥的開啟或關(guān)閉，控制ER3000壓力控制器的PID參數(shù)，調(diào)整進入貯箱內(nèi)腔的壓力變化速度，使貯箱內(nèi)腔按預(yù)定的速度增壓?？刂栖浖崟r處理和分析壓力數(shù)據(jù)，并以曲線形式顯示出來，通過自動判讀分析、判斷，得出貯箱的泡破點值數(shù)據(jù)，工作原理如圖4所示。

5.2 測量控制

軟件試驗?zāi)K負責試驗的全過程控制，過程是先應(yīng)用預(yù)定義的試驗樣本參數(shù)，包括壓力控制目標值、試驗通道和分段控制劃分等，然后緩慢對貯箱增壓，并實時控制增壓速率，實時采集篩網(wǎng)內(nèi)腔的壓力數(shù)據(jù)并繪制壓力曲線。如果壓力曲線出現(xiàn)突然彎折（此時液膜突然破裂），并短時間內(nèi)無跳躍和回升，即可判定突折拐點處的最高壓力為貯箱的泡破點值。檢查短時間內(nèi)壓力是否回升是為了排除篩網(wǎng)自身變形引起的壓力突變，雖然篩網(wǎng)自身變形也能夠引起較大的壓力曲線突變，但壓力會迅速回升。

樣本管理是將貯箱、管理裝置及其內(nèi)部各待測零組件根據(jù)試驗方法的不同進行歸類管理，每一類都可以獨立設(shè)置自己的試驗通道、試驗過程控制方式、壓力目標值及分段控制劃分等控制參數(shù)，不但增加了系統(tǒng)對試驗過程控制的靈活性而且互不干擾。

分段控制是為加快試驗過程，縮短試驗時間，減小試驗介質(zhì)蒸發(fā)量的控制方式，就是將整個試驗過程劃分為若干段，后一段的增壓速率總是小于前一段的增壓速率，使貯箱增壓過程中，逐漸向準平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變，直至液膜破裂。分段控制既減小了試驗介質(zhì)蒸發(fā)帶來的誤差，又使液膜破裂時貯箱為準平衡狀態(tài)，提高了測量精度。

5.3 微壓閉環(huán)控制

進入篩網(wǎng)內(nèi)腔的壓力控制采用了PID控制方式，結(jié)合測量系統(tǒng)要求采取了有針對性的控制技術(shù)，確保被控參數(shù)的控制精度。壓力控制器基本控制原理見圖5所示。

采用了數(shù)字PID增量公式為數(shù)學模型，以采樣時刻的偏差（偏差=目標壓力給定值-壓力反饋值）計算控制量與上一時刻控制量的累加，并輸出到壓力控制器的執(zhí)行元件，從而調(diào)節(jié)篩網(wǎng)內(nèi)腔壓力趨近給定值，滿足控制精度要求。PID增量按下面公式計算

比例系數(shù)Kp影響系統(tǒng)的增壓速度和精度；積分時間KI影響系統(tǒng)的壓力穩(wěn)態(tài)精度；微分時間KD影響系統(tǒng)的動態(tài)特性。這三者的整定是實現(xiàn)PID控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，由于試驗系統(tǒng)和控制元件沒有數(shù)學模型，因此通過理論計算難以確定PID參數(shù)，只有通過經(jīng)驗取值預(yù)設(shè)，然后再根據(jù)實際的閉環(huán)運行，觀察系統(tǒng)的增壓曲線做手動調(diào)整，反復(fù)試湊參數(shù)，最終達到滿意的結(jié)果。

6 試驗驗證

采用上述技術(shù)研制的貯箱泡破點盲測系統(tǒng)實物見圖6。

用該系統(tǒng)對貯箱毛細元件和貯箱泡破點進行測試驗證，盲測壓力曲線見圖7。與現(xiàn)有測試方法進行比對，測量誤差小于0.1 kPa，滿足貯箱泡破點盲測要求。

7 結(jié)論

1）貯箱泡破點盲測采用的微壓閉環(huán)控制技術(shù)，解決了泡破點盲測過程管理裝置內(nèi)腔壓力維持準平衡狀態(tài)的難題。

2）研制的貯箱泡破點盲測系統(tǒng)具有自動控制、自動判讀和測試精度高等特點，經(jīng)試驗驗證，滿足貯箱泡破點盲測要求。

[1]JAEKLE D E,Jr.Propellant management device conceptual designandanalysis，AIAA-97-2811[R].USA:AIAA,1997.

[2]陳志堅,孟慶平,李建.表面張力貯箱推進劑管理裝置流阻的計算[J].上海航天,2001(5):23-32.

[3]李治,沈赤兵,周進.通道式表面張力貯箱通道的計算和確定[J].火箭推進,2003,24(3):244-246.

[4]氣動技術(shù)編寫組.氣動技術(shù)[M].北京:北京出版社,1981.

[5]羅秦,王金玉,謝紀績.流量測量手冊[M].北京:計量出版社,1982.

[6]盛敬超.液壓流體力學[M].北京:機械工業(yè)出版社,1980.

[7]李慶揚,關(guān)治,白峰衫.數(shù)值計算原理[M].北京:清華大學出版社,2000.

[8]王順晃,舒迪前.智能控制系統(tǒng)及其應(yīng)用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005.

[9]劉君華.現(xiàn)代檢測技術(shù)與測試系統(tǒng)設(shè)計[M].西安:西安交通大學出版社,1999.