三組元發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)供應(yīng)系統(tǒng)建模與仿真

孫偉　楊培源

摘要：為滿足三組元發(fā)動(dòng)機(jī)地面熱試車試驗(yàn)要求，設(shè)計(jì)了擠壓式三組元發(fā)動(dòng)機(jī)供應(yīng)系統(tǒng)。采用AMESim軟件建立了供應(yīng)系統(tǒng)的仿真模型，對(duì)系統(tǒng)起動(dòng)和轉(zhuǎn)工況過(guò)程中管路的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了仿真分析。依據(jù)仿真結(jié)果對(duì)方案布局進(jìn)行了優(yōu)化，并驗(yàn)證了該供應(yīng)系統(tǒng)的可行性。

關(guān)鍵詞：三組元發(fā)動(dòng)機(jī);擠壓式供應(yīng)系統(tǒng);AMESim仿真

中圖分類號(hào)：V434.23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）08-0055-03

0 引言

三組元發(fā)動(dòng)機(jī)是指以液氧、液氫和烴類燃料作為推進(jìn)劑的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。這種發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)在低空時(shí)使用高密度比沖推進(jìn)劑，在高空時(shí)使用高比沖推進(jìn)劑，達(dá)到降低運(yùn)載器結(jié)構(gòu)質(zhì)量的目的[1]，是實(shí)現(xiàn)運(yùn)載器單級(jí)入軌及可重復(fù)使用的重要部分。在地面試車階段，推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)一般有擠壓式和泵壓式[2]兩種工作方式。由于擠壓式供應(yīng)系統(tǒng)實(shí)施起來(lái)更加簡(jiǎn)單可靠，因此成為研究人員的首選。本文對(duì)某擠壓式三組元發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)供應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，采用AMESim軟件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)供應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行了建模，并對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)及轉(zhuǎn)工況過(guò)程進(jìn)行了仿真分析，驗(yàn)證該供應(yīng)系統(tǒng)的可行性。

1 供應(yīng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

擠壓式發(fā)動(dòng)機(jī)供應(yīng)系統(tǒng)的工作原理是使用高壓氣體來(lái)建立供應(yīng)壓力，在貯箱之前安裝高壓氣瓶，工作時(shí)氣瓶中高壓氣體進(jìn)入貯箱擠壓氧化劑、燃料，使其進(jìn)入燃燒室。根據(jù)地面試驗(yàn)要求，發(fā)動(dòng)機(jī)供應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

根據(jù)表1所列各參數(shù)的技術(shù)指標(biāo)要求，并結(jié)合實(shí)際情況，設(shè)計(jì)圖1所示的供應(yīng)系統(tǒng)方案。該系統(tǒng)包括三部分：液氧供應(yīng)系統(tǒng)、液氫供應(yīng)系統(tǒng)和煤油供應(yīng)系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)三組元工況和雙組元工況的方便轉(zhuǎn)換，將液氧供應(yīng)系統(tǒng)和氫氣供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成雙路傳遞。三組元工況由氫閥①控制，轉(zhuǎn)雙組元工況時(shí)打開(kāi)氫閥②即可。液氧供應(yīng)系統(tǒng)也采用與液氫供應(yīng)系統(tǒng)類似的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在三組元工況時(shí)氧閥①、氧閥②均開(kāi)啟，轉(zhuǎn)雙組元工況時(shí)關(guān)閉氧閥②。煤油供應(yīng)系統(tǒng)只設(shè)計(jì)一個(gè)閥門來(lái)控制，三組元工況時(shí)閥門打開(kāi)，轉(zhuǎn)到雙組元工況時(shí)只需關(guān)閉閥門就能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)工況過(guò)程。

2 仿真模型建立

2.1 系統(tǒng)模型搭建

AMESim是一款基于鍵合圖的建模、仿真及動(dòng)力學(xué)分析軟件，它為用戶提供了一個(gè)時(shí)域仿真建模環(huán)境，可使用已有模型或建立新的子模型元件，來(lái)構(gòu)建優(yōu)化設(shè)計(jì)所需的實(shí)際原型，方便用戶建立復(fù)雜系統(tǒng)及特定應(yīng)用實(shí)例，可修改模型和仿真參數(shù)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)及動(dòng)態(tài)仿真、繪制曲線并分析仿真結(jié)果[3]。采用AMESim平臺(tái)建立液氫、液氧和煤油供應(yīng)系統(tǒng)仿真模型如圖2所示。其中推進(jìn)劑、貯箱、管路選用軟件自帶模塊，文氏管、噴嘴、主閥和燃燒室根據(jù)問(wèn)題實(shí)際進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā)?？梢钥闯?，該仿真系統(tǒng)是做了一定程度簡(jiǎn)化的，主要體現(xiàn)在：（1）試驗(yàn)中貯箱壓力是氣體增壓得到的，仿真中則將其設(shè)為定值;（2）在管路中，沒(méi)有考慮液體溫度和密度的變化;（3）管路存在彎頭、重力等因素，仿真中則直接用流阻代替;（4）沒(méi)有考慮吹除及液氫用于冷卻的過(guò)程。

2.2 系統(tǒng)組件動(dòng)力學(xué)模型

2.2.1 燃料貯箱

擠壓式供應(yīng)系統(tǒng)采用高壓氣體擠壓推進(jìn)劑方式，所以仿真采用的流體源模型為壓力源模型。根據(jù)仿真的條件，壓力源模型采用恒壓型流體源。

2.2.2 噴注器[4]

對(duì)于噴注器，一個(gè)噴嘴相當(dāng)于一個(gè)很小的節(jié)流孔，如果完全按照實(shí)際情況處理則必須建立很多的分支節(jié)流孔，增加了仿真的復(fù)雜程度。根據(jù)公式：Q=CqA? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：Q——通過(guò)節(jié)流孔的體積流量，m3·s

Cq——流量修正系數(shù)

A——節(jié)流孔面積，m2

ΔP——壓差，Pa

ρ——過(guò)流液體的密度，kg·m3

在認(rèn)為流量修正系數(shù)Cq相同的情況下，可以將這些噴嘴的面積全部加起來(lái)作為一個(gè)節(jié)流孔，從而使問(wèn)題得以簡(jiǎn)化。

2.2.3 流體管路[5]

考慮流體的慣性和管路的摩擦損失，假設(shè)流體的密度不變，不考慮流體與管路的熱交換，則流體管路動(dòng)態(tài)方程為：

（2）

-gAsinθ-

u·? ? ? ? ? ? ? ? （3）

式中：q為管路體積流量，A為管路的流通面積，ρ為流體密度，d為管路直徑，θ為管路和水平方向夾角，ff為管路的摩擦損失系數(shù)，B為等效體積彈性模量

（4）

式中：Bf是流體的體積模量，Bf=，Bw為管路材料的楊氏模量。

將搭建好的液氫、液氧、煤油供應(yīng)系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，煤油貯箱6.5MPa，液氫貯箱7.8MPa，液氧貯箱8MPa。均為恒壓，工作時(shí)間5s。推進(jìn)劑的參數(shù)設(shè)置為：ρRP=800kg/m3，TRP=15℃;=70kg/m3，=1140kg/m3，== -90K。運(yùn)行仿真，仿真結(jié)果可以驗(yàn)證系統(tǒng)各部件設(shè)計(jì)參數(shù)的準(zhǔn)確性及整個(gè)供應(yīng)系統(tǒng)的可行性。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 起動(dòng)過(guò)程

發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)是試車能否轉(zhuǎn)入正常工作的關(guān)鍵。起動(dòng)段是變工況工作過(guò)程，各種參數(shù)值急劇變化。為保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作，本文從供應(yīng)系統(tǒng)出發(fā)，通過(guò)起動(dòng)過(guò)程仿真，分析閥門、調(diào)節(jié)元件和管路的不同布局對(duì)起動(dòng)過(guò)程的影響，從中選出最佳方案對(duì)供應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估和改進(jìn)。為了使分析過(guò)程更加方便直觀，本文將三組元供應(yīng)系統(tǒng)分成煤油供應(yīng)系統(tǒng)、液氫供應(yīng)系統(tǒng)和液氧供應(yīng)系統(tǒng)三部分，并分別進(jìn)行仿真，考察管路中壓力變化情況。系統(tǒng)的起動(dòng)時(shí)序參考了文獻(xiàn)[6]：0s時(shí)，煤油系統(tǒng)主閥、液氫系統(tǒng)①閥、液氧系統(tǒng)①、②閥打開(kāi)。

3.1.1 煤油供應(yīng)系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程仿真

煤油供應(yīng)系統(tǒng)的第一種布局是氣蝕文氏管在供應(yīng)系統(tǒng)主閥上游，第二種布局是主閥在氣蝕文氏管上游，如圖3所示。

圖4是兩種布局下管路壓力仿真結(jié)果對(duì)比?？梢钥吹剑瑑煞N情況下，煤油供應(yīng)系統(tǒng)在起動(dòng)過(guò)程中，管路中的壓力變化情況基本一致，汽蝕文氏管和主閥的不同布局對(duì)煤油供應(yīng)系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程影響很小。

3.1.2 液氫供應(yīng)系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程仿真

圖5是液氫供應(yīng)系統(tǒng)的兩種不同布局，圖6是管路壓力仿真結(jié)果對(duì)比。從液氫供應(yīng)系統(tǒng)的仿真結(jié)果來(lái)看，不同的布局對(duì)液氫供應(yīng)系統(tǒng)在起動(dòng)過(guò)程中的影響很大。從圖中可以看出，若采用第二種布局，起動(dòng)時(shí)管路中的壓力波動(dòng)非常劇烈，最大波幅是第一種布局的6倍左右。這會(huì)對(duì)系統(tǒng)的其它元件產(chǎn)生極大的負(fù)擔(dān)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使元件損毀，導(dǎo)致供應(yīng)系統(tǒng)崩潰。而且，在第二種布局情況下，起動(dòng)后壓力達(dá)到穩(wěn)定要比在第一種布局情況下延遲0.1s左右，這也將對(duì)燃燒室的點(diǎn)火會(huì)造成不利影響，達(dá)不到預(yù)期的試驗(yàn)效果。所以建議：在液氫供應(yīng)系統(tǒng)中采用先接汽蝕文氏管，后接主閥的布局方式。

3.1.3 液氧供應(yīng)系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程仿真

如圖7所示，液氧供應(yīng)系統(tǒng)仿真時(shí)的不同布局，與液氫供應(yīng)系統(tǒng)的仿真結(jié)構(gòu)相似。通過(guò)圖8液氧供應(yīng)系統(tǒng)的仿真結(jié)果圖可以發(fā)現(xiàn)，不同的結(jié)構(gòu)布局對(duì)液氧供應(yīng)系統(tǒng)在起動(dòng)時(shí)的影響不如對(duì)液氫供應(yīng)系統(tǒng)那么明顯。不過(guò)在第二種布局中，管路中壓力波動(dòng)的波幅還是要高于第一種布局。兩種布局中，供應(yīng)系統(tǒng)起動(dòng)后都需要0.3s～0.4s使壓力穩(wěn)定下來(lái)。盡管差別不是很明顯，本文還是推薦第一種布局結(jié)構(gòu)。而且最好三組系統(tǒng)都使用第一種布局，這樣安裝方便，利于操作，可以保證供應(yīng)系統(tǒng)穩(wěn)定工作。

3.2 轉(zhuǎn)工況過(guò)程

轉(zhuǎn)工況過(guò)程是液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工作的另一個(gè)重要階段。這一過(guò)程中，管路中的壓力和流量也會(huì)有很大變化。能否順利完成轉(zhuǎn)工況過(guò)程是對(duì)供應(yīng)系統(tǒng)的重要考驗(yàn)，也是評(píng)定該系統(tǒng)是否合格的重要指標(biāo)。

本文已經(jīng)選定了先接汽蝕文氏管，后接主閥的供應(yīng)系統(tǒng)布局方案，所以以該方案為基礎(chǔ)進(jìn)行了轉(zhuǎn)工況過(guò)程的仿真。起動(dòng)時(shí)序：0s時(shí)，煤油系統(tǒng)主閥、液氫系統(tǒng)①閥、液氧系統(tǒng)①、②閥打開(kāi);0.5s時(shí)，燃燒室點(diǎn)火。2.2s時(shí)轉(zhuǎn)工況，煤油系統(tǒng)主閥關(guān)閉，液氫系統(tǒng)②閥打開(kāi)，液氧系統(tǒng)②閥關(guān)閉。系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

從仿真結(jié)果圖9可以看出，在2.2s轉(zhuǎn)工況時(shí)液氫、液氧的壓力都有明顯的下降，在達(dá)到穩(wěn)定之前液氫有0.3s左右的波動(dòng)，波幅最大為5bar;液氧有0.4s ～0.5s的波動(dòng)，波幅最大為3bar。液氫、液氧在轉(zhuǎn)工況過(guò)程中的壓力變化與燃燒室的壓力（Pc）變化基本一致，這表明供應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)滿足試驗(yàn)要求。圖10是燃燒室內(nèi)三種推進(jìn)劑的流量轉(zhuǎn)工況過(guò)程的仿真結(jié)果，從中可以清楚看到：轉(zhuǎn)工況時(shí)，液氫流量上升，液氧流量減少，煤油流量減少為0，與實(shí)際情況相符，證明該供應(yīng)系統(tǒng)是可行的。

4 結(jié)論

本文根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)需要，設(shè)計(jì)了擠壓式三組元供應(yīng)系統(tǒng)。采用AMESim仿真平臺(tái)，對(duì)單個(gè)系統(tǒng)的起動(dòng)過(guò)程和全系統(tǒng)轉(zhuǎn)工況過(guò)程進(jìn)行了仿真，對(duì)方案可行性進(jìn)行了分析，得到了以下結(jié)果：

（1）通過(guò)對(duì)兩種不同布局起動(dòng)過(guò)程的仿真，發(fā)現(xiàn)先接汽蝕文氏管，后接主閥的布局方式要優(yōu)于第二種布局。特別是液氫供應(yīng)系統(tǒng)，采用第一種布局，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中管路內(nèi)壓力的波動(dòng)較弱，最大波幅僅為第二種布局的1/6，管路內(nèi)壓力達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間比第二種布局少用0.1s。（2）對(duì)轉(zhuǎn)工況過(guò)程的仿真，管路的仿真結(jié)果與燃燒室的仿真結(jié)果基本吻合，這證明了系統(tǒng)仿真的準(zhǔn)確性，也證明該供應(yīng)系統(tǒng)方案是可行的。

參考文獻(xiàn)

[1] 朱寧昌，劉國(guó)球，等.液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)（上、下）[M].北京：中國(guó)宇航出版社，1994.

[2] 郭霄峰，李耀華，等.液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)[M].北京：中國(guó)宇航出版社，1990.

[3] 付永領(lǐng)，祁曉野.AMESim系統(tǒng)建模和仿真[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[4] 李清廉.同軸式三組元噴嘴性能分析、工程應(yīng)用及設(shè)計(jì)評(píng)定[D].長(zhǎng)沙：國(guó)防科技大學(xué)，2003.

[5] 楊林濤，沈赤兵.基于AMESim的姿控發(fā)動(dòng)機(jī)壓力震蕩傳遞特性研究[J].火箭推進(jìn)，2016，45（3）：26-32.

[6] 范才智.三組元燃燒室實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程研究[D].長(zhǎng)沙：國(guó)防科技大學(xué)，2004.

Modeling and Simulation of Tripropellant Engine Test Feed System

SUN Wei， YANG Pei-yuan

（91550 Unit 41， Dalian Liaoning? 116023）

Abstract：In order to meet the test requirements of the tripropellant engine ground thermal test， a pressure-fed tripropellant engine feed system was designed. The simulation model of the feed system was established by AMESim， and the dynamic characteristics of the pipeline during the system start-up and transfer conditions were simulated and analyzed. The layout of the scheme was optimized based on the simulation results， and the feasibility of the feed system was verified.

Key words：tripropellant engine; pressure-fed feed system; AMESim simulation