衛(wèi)星并聯(lián)貯箱均衡排放的研究

朱一驍,王申,張乾鵬,夏勇

(1. 上?？臻g推進(jìn)研究所,上海 201112; 2. 上?？臻g發(fā)動(dòng)機(jī)工程技術(shù)研究中心,上海 201112;3. 上海衛(wèi)星工程研究所,上海 201109)

0 引言

國(guó)內(nèi)外大型的推進(jìn)系統(tǒng)大多采用4只貯箱并聯(lián)布局的方式,4只貯箱分別為2只氧化劑貯箱和2只燃料貯箱。同種組元的貯箱兩兩并聯(lián),為下游發(fā)動(dòng)機(jī)提供推進(jìn)劑[1]。由于并聯(lián)的貯箱上下游壓力存在偏差,導(dǎo)致貯箱內(nèi)的推進(jìn)劑排放不均衡,進(jìn)一步導(dǎo)致整星質(zhì)心產(chǎn)生偏移[2-3]。因此,推進(jìn)系統(tǒng)并聯(lián)貯箱均衡排放具有十分重要的意義。

目前,為保證并聯(lián)貯箱均衡排放性能,主要是通過(guò)配平流阻的方式來(lái)實(shí)現(xiàn),做法為在系統(tǒng)交付前進(jìn)行地面水試試驗(yàn),通過(guò)在貯箱出口各支路設(shè)置不同的孔板進(jìn)行流阻配平來(lái)實(shí)現(xiàn)[4-5]。在試驗(yàn)過(guò)程中,需要對(duì)孔板的孔徑進(jìn)行初步的預(yù)估,由于后續(xù)的修正工作全部基于孔板初始尺寸進(jìn)行,因此孔板加工初始尺寸的準(zhǔn)確度直接影響到整個(gè)地面水試試驗(yàn)的時(shí)間。

隨著衛(wèi)星研制周期的不斷縮短,減小地面水試試驗(yàn)的時(shí)間成為必需之舉。本文以某型號(hào)衛(wèi)星的管路布局為基礎(chǔ),在眾多能夠進(jìn)行液壓氣動(dòng)系統(tǒng)數(shù)值模擬的軟件中[6],選取AMESim軟件建立并聯(lián)貯箱均衡排放的預(yù)測(cè)模型,對(duì)孔板初始尺寸進(jìn)行預(yù)測(cè)并在后續(xù)的地面水試試驗(yàn)中進(jìn)行驗(yàn)證。

1 系統(tǒng)建模

圖1為某型號(hào)衛(wèi)星的推進(jìn)系統(tǒng)燃料和氧化劑管路的Creo模型示意圖。系統(tǒng)包括燃料部分和氧化劑部分,每個(gè)部分均有支路和主路。主要由直管、彎管、孔板、三通和自鎖閥組成。在數(shù)值模擬建模時(shí),為便于計(jì)算,對(duì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化。其中,自鎖閥由于其工作原理,可以近似用孔板進(jìn)行數(shù)值模擬。根據(jù)系統(tǒng)原理,使用AMESim的液壓庫(kù)和液阻庫(kù),分別建立了系統(tǒng)氧化劑支路和燃料支路的AMESim數(shù)值模擬模型,如圖2所示。其中,管路直徑為6.4mm,自鎖閥和孔板的初始尺寸為3.2mm,初始流量系數(shù)Cq為0.7,氧路/燃路的流阻為(0.1±0.01)MPa。

圖1 推進(jìn)系統(tǒng)模型示意圖

圖2 推進(jìn)系統(tǒng)建模示意圖

2 模型仿真

根據(jù)自鎖閥產(chǎn)品的測(cè)試結(jié)果,分別對(duì)氧化劑支路(TOA/TOB)和燃料支路(TFA/TFB)的自鎖閥模型進(jìn)行修正,仿真結(jié)果與測(cè)試數(shù)據(jù)的對(duì)比如表1所示。

表1 各支路自鎖閥數(shù)據(jù)對(duì)比表(校準(zhǔn)前)

根據(jù)產(chǎn)品測(cè)試結(jié)果,對(duì)自鎖閥尺寸進(jìn)行修正,保持自鎖閥流量系數(shù),修正后的自鎖閥尺寸及其仿真結(jié)果如表2所示。從表中可以看出,自鎖閥尺寸經(jīng)過(guò)修正后,仿真結(jié)果與產(chǎn)品測(cè)試結(jié)果吻合。

表2 各支路自鎖閥數(shù)據(jù)對(duì)比表(校準(zhǔn)后)

根據(jù)推進(jìn)系統(tǒng)使用需求,要保證各支路總流阻在(0.1±0.01)MPa,根據(jù)使用需求對(duì)各支路孔板尺寸進(jìn)行預(yù)測(cè)。

3 地面水試試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

并聯(lián)貯箱試驗(yàn)系統(tǒng)原理如圖3—圖4所示。系統(tǒng)主要包括兩個(gè)表面張力貯箱及相關(guān)閥門(mén)管路組成的兩個(gè)并聯(lián)貯箱支路,貯箱TKA所在支路為A支路,貯箱TKB所在支路為B支路,并聯(lián)貯箱支路包括貯箱和液路管組件(含大流量自鎖閥、液路管和節(jié)流孔板)。

圖3 流阻調(diào)節(jié)系統(tǒng)圖

圖4 流阻調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理圖

球閥SV5和SV7分別用于雙貯箱模擬工質(zhì)加注和氣路增壓,球閥SV6控制貯箱模擬工質(zhì)排出,針閥ZV1用于調(diào)節(jié)并聯(lián)貯箱的排放流量,流量計(jì)MS1用于測(cè)量排放流量,電子秤測(cè)量貯箱模擬工質(zhì)的加注量和剩余量。壓力傳感器PT1、PT2測(cè)量貯箱氣路的壓力,PT3測(cè)量節(jié)流孔板三通下游的壓力。

3.2 試驗(yàn)參數(shù)

主要試驗(yàn)參數(shù)如下:

1)增壓氣體:氮?dú)?按GB/T8980—96要求,增壓壓力0.9～1.0MPa;

2)試驗(yàn)介質(zhì):去離子水,按GB6682—92要求三級(jí)水以上;

3)貯箱:加注量約95%;

4)流阻調(diào)試要求:氧路調(diào)試水當(dāng)量為45.2g/s,液路管組件流阻(0.1±0.01)MPa;燃路調(diào)試水當(dāng)量為35.2g/s,液路管組件流阻為(0.1±0.01)MPa;并聯(lián)貯箱支路流阻偏差不大于0.003MPa;

5)不均衡排放指標(biāo):流阻調(diào)節(jié)完成后,進(jìn)行并聯(lián)貯箱恒壓排放測(cè)試,單個(gè)貯箱加注量大于200L且加注液面應(yīng)位于貯箱柱段;要求不均衡排放量≤1%單個(gè)貯箱容積(內(nèi)控指標(biāo))。若不均衡排放量不滿足該指標(biāo)要求,需重新進(jìn)行流阻調(diào)節(jié)。

3.3 試驗(yàn)設(shè)備

并聯(lián)貯箱均衡排放試驗(yàn)產(chǎn)品配套包括表面張力貯箱、自鎖閥、節(jié)流孔板(圖5)、三通組件等。配套設(shè)備包括貯箱停放工裝、高精度電子秤、操作臺(tái)、測(cè)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。

圖5 節(jié)流孔板實(shí)物圖

3.4 試驗(yàn)流程

試驗(yàn)前完成試驗(yàn)設(shè)備的檢查準(zhǔn)備工作,用氮?dú)鈱?duì)試驗(yàn)管路吹氣,吹除多余物,之后進(jìn)行并聯(lián)貯箱流阻調(diào)節(jié)試驗(yàn)。

1)把貯箱下游加注口管路斷開(kāi),開(kāi)SV5,其余全關(guān),對(duì)管路進(jìn)行沖洗后連好管路,水截至貯箱下游球閥SV3、SV4處,關(guān)SV5;

2)對(duì)貯箱及停放架進(jìn)行質(zhì)量稱量;

3)通過(guò)SV3、SV4對(duì)貯箱進(jìn)行加注,單個(gè)貯箱加注量200～670L;

4)并聯(lián)貯箱同步排放,過(guò)程中為保證液路管組件流阻為(0.1±0.01)MPa,并聯(lián)貯箱支路流阻偏差不大于0.003MPa的要求,需持續(xù)拆卸、修正、安裝孔板,直至滿足需求。

3.5 試驗(yàn)結(jié)果

氧化劑路(TOA/TOB)孔板尺寸為φ2.6mm,TOA流阻為0.101 5～0.101 6MPa,TOB流阻為0.101 6～0.101 7MPa;燃料路(TFA/TFB)孔板尺寸為φ2.15mm,TFA流阻為0.101 2～0.101 3MPa,TFB流阻為0.100 9～0.101 0MPa。

4 誤差分析

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試的各支路流阻,使用仿真模型對(duì)孔板尺寸進(jìn)行計(jì)算,基于孔板結(jié)構(gòu),流量參數(shù)選取0.8～1.0進(jìn)行仿真,對(duì)比結(jié)果如表4所示。

表4 孔板尺寸數(shù)據(jù)對(duì)比表

考慮到試驗(yàn)過(guò)程中孔板修正操作對(duì)孔板流量系數(shù)的影響,孔板的流量系數(shù)在0.9左右,仿真誤差為4.62%～14.7%,誤差來(lái)源主要為:1)自鎖閥閥芯行程有所差異,測(cè)試結(jié)果存在10%左右的誤差;2)測(cè)試管路與仿真管路存在加工誤差;3)測(cè)試管路與仿真管路的表面粗糙度存在誤差。

通過(guò)誤差分析,對(duì)仿真模型提出兩種修正方案,分別為尺寸系數(shù)修正(αX)和尺寸常數(shù)修正(X+β)。基于本文仿真和測(cè)試數(shù)據(jù),初步得到α=0.87～0.96,β=-0.12～-0.32。修正后的仿真模型經(jīng)該型號(hào)后續(xù)衛(wèi)星試驗(yàn)驗(yàn)證,可以較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)孔板尺寸,后續(xù)擬根據(jù)其他型號(hào)衛(wèi)星地面試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步修正,得出具有普適性的修正方程。

5 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)某型號(hào)衛(wèi)星的推進(jìn)系統(tǒng),基于AMESim建立了并聯(lián)貯箱均衡排放的預(yù)測(cè)模型,采用自鎖閥產(chǎn)品的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正后,應(yīng)用于后續(xù)的地面水試試驗(yàn)。試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真模型的可行性并提出了仿真模型的修正參數(shù)。修正后的仿真模型可以較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)該型號(hào)后續(xù)衛(wèi)星的孔板尺寸,節(jié)約了地面水試試驗(yàn)的時(shí)間,可為縮短衛(wèi)星型號(hào)研制周期提供幫助。