運(yùn)載火箭用蓄壓器膜盒容積測(cè)量方法及影響因素研究

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

引言

大型液體運(yùn)載火箭在飛行的過(guò)程中，通常發(fā)生不穩(wěn)定的自激縱向耦合振動(dòng)，稱(chēng)為POGO振動(dòng)[1-4]，使火箭的力學(xué)環(huán)境惡化，可能造成火箭上敏感元件及儀器設(shè)備受損或結(jié)構(gòu)超限，甚至導(dǎo)致飛行失敗[5-8]。POGO振動(dòng)是液體火箭動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定問(wèn)題之一，在液體火箭推進(jìn)劑輸送管上安裝蓄壓器是解決火箭POGO振動(dòng)的有效方法[9]，蓄壓器對(duì)抑制箭體結(jié)構(gòu)的POGO振動(dòng)現(xiàn)象發(fā)揮著重大作用[10]，是通過(guò)在推進(jìn)系統(tǒng)中增加柔性阻尼將箭體結(jié)構(gòu)和推進(jìn)系統(tǒng)的振動(dòng)頻率隔離從而抑制火箭縱向耦合振動(dòng)[11]。金屬膜盒式蓄壓器的主要構(gòu)件為膜盒和殼體，其中殼體主要作用為連通輸送管路中的推進(jìn)劑，膜盒則是起到抑制POGO振動(dòng)的重要部件。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)液體火箭的POGO振動(dòng)抑制，蓄壓器應(yīng)具有要求的能量值，即膜盒最大容積與初始充氣壓力的乘積。蓄壓器初始充氣壓力一般通過(guò)膜盒最大容積及給定的能量值來(lái)確定，因此，為實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄壓器能量值的控制，精確測(cè)量膜盒的最大容積值是關(guān)鍵。

蓄壓器膜盒是具有良好的拉伸和壓縮性能的彈性元件[12]，其中金屬膜片型面主要包括平板錐型和波紋型，如圖1所示。膜盒內(nèi)部充入工作介質(zhì)后，被拉伸至限位，此時(shí)膜盒容積可通過(guò)理論計(jì)算和試驗(yàn)測(cè)量?jī)煞N方式獲得。理論計(jì)算存在簡(jiǎn)化情況，為獲得盡可能精確的膜盒容積值，需對(duì)膜盒進(jìn)行測(cè)量。本研究以平板錐型金屬膜盒為例，介紹膜盒容積的測(cè)量方法，并對(duì)測(cè)量結(jié)果及影響因素進(jìn)行分析。

圖1 金屬膜片型面

1 測(cè)量方法

容積測(cè)量方法一般包括液體測(cè)量法和氣體測(cè)量法，針對(duì)金屬膜盒產(chǎn)品，液體測(cè)量方法將導(dǎo)致膜盒內(nèi)水介質(zhì)不易去除(主要是兩膜片之間的夾縫處)，需增加烘干等工序，對(duì)產(chǎn)品的后續(xù)使用(特別是有低溫工況時(shí))存在一定隱患；此外，使用液體測(cè)量方法時(shí)，需在膜盒產(chǎn)品上打孔，破壞產(chǎn)品本體結(jié)構(gòu)。因此，為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品百分之百容積測(cè)量，并排除膜盒內(nèi)存在水介質(zhì)等隱患，氣體測(cè)量法為首選方案。

氣體測(cè)量法的測(cè)量系統(tǒng)如圖2所示，備一容積與膜盒產(chǎn)品容積V(拉伸至限位時(shí)的容積)相近的氣罐(參考容器)，其容積已知為V1。將該氣罐用一帶閥門(mén)的導(dǎo)管與膜盒相連，閥門(mén)兩側(cè)的管路容積均已知，氣罐側(cè)的管路容積為V2，膜盒側(cè)的管路容積為V3。氣罐和膜盒用導(dǎo)管連接好之后，閥門(mén)關(guān)閉。

圖2 容積測(cè)量系統(tǒng)

在常溫下，若首先向被測(cè)膜盒內(nèi)充壓力為p1的氣體，則膜盒拉伸至上限位，如圖3所示，此時(shí)膜盒容積為V；打開(kāi)導(dǎo)管閥門(mén)，待膜盒內(nèi)壓力穩(wěn)定后記錄壓力值p2，根據(jù)波義耳定律，膜盒容積V即可用公式(1)計(jì)算求得：

(1)

在常溫下，若首先向已知容積的氣罐充壓力為p1的氣體，導(dǎo)管閥門(mén)打開(kāi)前，被測(cè)膜盒容積為V0(膜盒處于自由狀態(tài)時(shí)的容積)；打開(kāi)導(dǎo)管閥門(mén)后，氣體進(jìn)入膜盒內(nèi)使其拉伸至限位，如圖3所示，此時(shí)膜盒容積為V，待膜盒內(nèi)壓力穩(wěn)定后記錄壓力值p2，根據(jù)波義耳定律，膜盒容積V即可用公式(2)計(jì)算求得：

(2)

圖3 膜盒結(jié)構(gòu)示意圖

2 測(cè)量影響因素分析

在進(jìn)行膜盒容積測(cè)量時(shí)，充氣順序不同(先向已知容積的氣罐充氣和先向被測(cè)膜盒充氣)，膜盒容積測(cè)量結(jié)果遵循的公式不同，如式(1)和式(2)，對(duì)比這兩個(gè)公式可以看出，先向已知容積的氣罐充壓時(shí)，膜盒容積計(jì)算公式中多了一個(gè)影響因素V0(自由狀態(tài)下膜盒容積)，且被測(cè)膜盒自由狀態(tài)下容積V0實(shí)際為不定量，其受不同膜盒產(chǎn)品的差異性以及反復(fù)充放氣的影響，因此在計(jì)算過(guò)程中使用V0的理論值時(shí)，計(jì)算結(jié)果存在偏差。如果無(wú)法排除被測(cè)膜盒自由狀態(tài)下容積的影響，不建議采用先向已知容積的氣罐充氣的方式。

針對(duì)先向被測(cè)膜盒產(chǎn)品充氣的方式，分別以初始充氣壓力及壓力表精度對(duì)膜盒容積測(cè)量結(jié)果的影響進(jìn)行分析，具體如下。

1) 初始充氣壓力對(duì)膜盒容積測(cè)量結(jié)果的影響

首先向膜盒充壓時(shí)，膜盒容積測(cè)量結(jié)果可通過(guò)式(1)計(jì)算得到，將式(1)分別對(duì)初始充氣壓力p1、連通后穩(wěn)定壓力p2、容積V1、容積V2、容積V3求導(dǎo)，可得：

(3)

(4)

(5)

(6)

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)p1=0.4 MPa，p2=0.18 MPa，V1=2 L，V2=0.01965 L，V3=0.02467 L分別代入式(3)～式(5)，結(jié)果如下：

可以看出，膜盒容積主要受充氣壓力p1和系統(tǒng)連通后的穩(wěn)定壓力p2的影響，特別是p2。因此，在容積測(cè)量系統(tǒng)中，應(yīng)盡可能提高壓力測(cè)量精度，并且在系統(tǒng)連通后壓力須充分穩(wěn)定。

此外，為分析膜盒充氣壓力大小對(duì)膜盒容積測(cè)量結(jié)果的影響，將不同的充氣壓力p1(詳細(xì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1)代入式(3)～式(5)，結(jié)果如表2所示。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 充氣壓力的影響

從表2中可以看出，充氣壓力越高，膜盒容積受壓力讀數(shù)誤差的影響越小。

2) 壓力表精度對(duì)膜盒容積測(cè)量結(jié)果的影響

根據(jù)分析，膜盒容積測(cè)量結(jié)果的主要影響因素為充氣壓力p1和系統(tǒng)連通后穩(wěn)定壓力p2，壓力讀數(shù)誤差對(duì)容積測(cè)量結(jié)果的影響分析如表3所示。

從表3可以看出，使用同樣量程、同等級(jí)的壓力表時(shí)，膜盒充氣壓力越高，容積測(cè)量結(jié)果偏差越?。欢錃鈮毫σ欢〞r(shí)，同等級(jí)壓力表的量程越小，容積測(cè)量偏差越小。

表3 壓力表精度對(duì)容積測(cè)量結(jié)果的影響

3 結(jié)論

本研究提出了一種滿足低溫工況工作的蓄壓器膜盒類(lèi)彈性產(chǎn)品在無(wú)破損情況下百分百進(jìn)行容積測(cè)量的工程實(shí)用方法，并針對(duì)充氣方式、充氣壓力及壓力表精度等影響因素進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論：

(1) 無(wú)法排除膜盒等彈性產(chǎn)品初始容積的影響時(shí)，不建議采用先向已知?dú)夤蕹錃獾姆绞綄?duì)產(chǎn)品進(jìn)行容積測(cè)量；

(2) 充氣壓力越高，膜盒等彈性產(chǎn)品的容積測(cè)量結(jié)果受壓力讀數(shù)誤差的影響越小；

(3) 充氣壓力一定時(shí)，同等級(jí)壓力表的量程越小，膜盒等彈性產(chǎn)品的容積測(cè)量偏差越小。