冀 鵬,肖明杰,梁樹強(qiáng)
(1.西安航天動(dòng)力研究所 液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西安 710100; 2.航天推進(jìn)技術(shù)研究院, 西安 710100)
肼類單組元推進(jìn)劑有良好的處理特性、易于貯存、分解產(chǎn)物清潔,故肼類單組元?jiǎng)恿ο到y(tǒng)廣泛應(yīng)用于各類空間飛行器的姿態(tài)控制、軌道轉(zhuǎn)移以及末速修正等任務(wù)中,其性能以及穩(wěn)定性直接影響著航天器的控制精度、壽命和可靠性。集合了多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)在大部分工作時(shí)間都處在脈沖工作狀態(tài),系統(tǒng)內(nèi)多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)頻繁地起動(dòng)與關(guān)機(jī),發(fā)動(dòng)機(jī)之間的相互影響不可避免。這種影響會(huì)導(dǎo)致響應(yīng)延遲,進(jìn)而影響飛行器控制,因此需要對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程開展仿真預(yù)示研究。國外Moore對(duì)某推進(jìn)系統(tǒng)的氣路增壓模塊開展了試驗(yàn)與仿真研究工作,分析了初始?xì)馄繅毫Α①A箱壓力、貯箱體積、等因素對(duì)增壓時(shí)間的影響,但研究中未考慮液路系統(tǒng)及推力室組件。國內(nèi)孫得川采用CFD方法對(duì)單臺(tái)HAN基單組元發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過程和穩(wěn)態(tài)工作過程進(jìn)行了研究,其他學(xué)者對(duì)雙組元姿控動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真平臺(tái)的搭建與研究,但缺少單組元發(fā)動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)仿真模塊;并且動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的研究以相同推力量級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)之間的相互影響為主,未見研究不同推力量級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)過程的相互影響。
因此,本文在借鑒已有研究成果的基礎(chǔ)上,基于MWorks軟件平臺(tái)開發(fā)含有不同推力量級(jí)單組元發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)仿真模型,計(jì)算分析不同推力量級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)過程之間的相互影響規(guī)律,旨在為動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)和飛行器姿態(tài)控制策略提供參考。
單組元姿控動(dòng)力系統(tǒng)是由氣路增壓系統(tǒng)、液路推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)以及推力室組成。對(duì)于恒壓擠壓式姿控動(dòng)力系統(tǒng),因貯箱增壓壓力基本保持不變,可忽略氣路增壓系統(tǒng)特性對(duì)姿控動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、關(guān)機(jī)等工作過程影響,故僅建立液路推進(jìn)劑管路、閥門及推力室等典型組件的動(dòng)力學(xué)模型。
在建立液體管路模型時(shí)不考慮管道變形,認(rèn)為管道為剛性;管道橫截面上的速度分布是均勻的,即液體流動(dòng)為一維。根據(jù)所研究的動(dòng)力學(xué)范圍,采用分段集中參數(shù)模型。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),采用的分段原則是將分段管長取為波長的4%以內(nèi),即:≤004。
對(duì)于一段長度為、截面積的管道,考慮慣性、黏性時(shí)的流動(dòng)方程為:
(1)
式中,為管路內(nèi)推進(jìn)劑流量;、分別為管路入口和出口壓力;為推進(jìn)劑密度;為總的流阻系數(shù),由管路的沿程損失和局部損失組成。
考慮液體壓縮性的方程為:
(2)
其中=表示管路的流容系數(shù),表征流體的壓縮性。
在液體姿控動(dòng)力系統(tǒng)中一般采用常閉式電磁閥,主要用于實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑流路的打開和關(guān)閉,因此電磁閥的動(dòng)態(tài)特性直接影響動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程。
對(duì)于系統(tǒng)仿真中所關(guān)注的電磁閥響應(yīng)時(shí)間和閥門開度進(jìn)行建模,
(3)
是電磁閥開度與流量系數(shù)的乘積(即=)。它主要由實(shí)驗(yàn)來確定,將實(shí)驗(yàn)結(jié)果用列表法或曲線擬合給出與時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。當(dāng)缺乏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí),通常采用下述方法來確定。
當(dāng)閥門打開時(shí):
(4)
當(dāng)閥門關(guān)閉時(shí):
(5)
式中,,和,為電磁閥閥芯開啟與關(guān)閉的動(dòng)作時(shí)間;,和,為電磁閥開啟與關(guān)閉的響應(yīng)時(shí)間;為試驗(yàn)曲線擬合指數(shù),主要由-的曲線形狀而定,一般情況下=1~3。
考慮到催化床內(nèi)復(fù)雜的物理化學(xué)過程,引入燃燒室時(shí)滯模型,假設(shè)推進(jìn)劑在一定轉(zhuǎn)化時(shí)間之后分解為燃?xì)?此時(shí)間包括了推進(jìn)劑蒸發(fā)、流動(dòng)、分解時(shí)間的總和)。假設(shè)在該轉(zhuǎn)化時(shí)間內(nèi)推進(jìn)劑的轉(zhuǎn)化速率均勻,并且分解后的氣體在任何瞬時(shí)也是均勻分布的,即氨的解離過程與DT-3的分解過程同時(shí)進(jìn)行,則液體推進(jìn)劑及氣體分解產(chǎn)物在催化床中的質(zhì)量變化分別為:
(6)
(7)
由于催化床內(nèi)裝載著緊密的催化劑,因此推進(jìn)劑流過催化床時(shí)需要克服阻力(床流阻)。假設(shè)催化床的流阻都通過一個(gè)壓降面來實(shí)現(xiàn),故催化床內(nèi)的壓力平衡方程為:
=+
(8)
式中,、、分別為催化床入口壓力、床流阻和推力室室壓。催化劑的裝填工藝對(duì)于床流阻有較大的影響,考慮到催化床內(nèi)復(fù)雜的物理化學(xué)過程,床流阻常采用文獻(xiàn)中的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。
假設(shè)催化床內(nèi)氣體服從完全氣體狀態(tài)方程,則催化床內(nèi)壓力的變化為:
(9)
在液體推進(jìn)劑輸送系統(tǒng)中,由于多個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)共用一套推進(jìn)劑輸送系統(tǒng),其中存在多個(gè)推進(jìn)劑管路的分支;通常忽略分支處的壓力損失,而采用分支點(diǎn)處各支路壓力相等、流量平衡來計(jì)算。
以上述單組元發(fā)動(dòng)機(jī)典型組件的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ),將各組件定義為具有一定輸入輸出關(guān)系的模塊,利用Modelica語言的非因果建模和面向?qū)ο蠊δ?,在多領(lǐng)域統(tǒng)一建模與仿真分析軟件平臺(tái)MWorks(MWorks由華中科技大學(xué)開發(fā),支持Modelica語言,適用于復(fù)雜工程系統(tǒng)的建模、仿真、分析與優(yōu)化。)上編制開發(fā)了發(fā)動(dòng)機(jī)各典型組件的參數(shù)化、通用化的仿真模塊。
為了驗(yàn)證模型的正確性,選取如圖1所示的某單組元姿控動(dòng)力系統(tǒng)為對(duì)象,以某次熱試車試驗(yàn)結(jié)果作為驗(yàn)證依據(jù)。
圖1 某單組元?jiǎng)恿ο到y(tǒng)原理示意圖
該動(dòng)力系統(tǒng)中配置了多臺(tái)100 N量級(jí)的軌控發(fā)動(dòng)機(jī)與10 N量級(jí)的姿控發(fā)動(dòng)機(jī),其中A類為軌控發(fā)動(dòng)機(jī),B類為姿控發(fā)動(dòng)機(jī)。熱試車過程中,為了考驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)之間的工作協(xié)調(diào)性,在多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)處于工作狀態(tài)時(shí),向處于關(guān)機(jī)狀態(tài)的A1、B1發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出開機(jī)指令,同時(shí)向處于工作狀態(tài)的A2、B2發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出關(guān)機(jī)指令。仿真采用定步長的四階Runge-Kutta法,計(jì)算時(shí)間步長取10s。
圖2為A1發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)、A2發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)的計(jì)算結(jié)果和試車結(jié)果對(duì)比圖。
圖3為B1發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)、B2發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)的計(jì)算結(jié)果和試車結(jié)果對(duì)比圖。
圖2 軌控發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)過程計(jì)算值與測量值曲線
圖3 姿控發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)過程計(jì)算值與測量值曲線
從圖2可以看到,與A1單機(jī)起動(dòng)過程相比,多機(jī)動(dòng)作時(shí)A1發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程的壓力波動(dòng)幅度更大;2種狀態(tài)下A2發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)機(jī)過程差異則更為顯著,多機(jī)動(dòng)作時(shí)室壓曲線存在一個(gè)明顯的凹坑,而A2單機(jī)關(guān)機(jī)時(shí)則不存在此現(xiàn)象。這是由于在兩臺(tái)較大推力的軌控發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)動(dòng)作段,A1起動(dòng)和A2關(guān)機(jī)引起供應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)供應(yīng)壓力變化相互影響所致。而從圖3中發(fā)現(xiàn),在兩臺(tái)較小推力姿控發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)動(dòng)作和同時(shí)動(dòng)作狀態(tài)下,B1起動(dòng)和B2關(guān)機(jī)的室壓變化都較為一致,無明顯差異。因此,在單組元液體姿控動(dòng)力系統(tǒng)中,較大推力的軌控發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)作會(huì)影響整個(gè)供應(yīng)系統(tǒng),進(jìn)而對(duì)同時(shí)動(dòng)作的其他發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生影響。
另外,在多機(jī)同步動(dòng)作狀態(tài)下的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合度較好,證實(shí)了所建立的仿真模型較為準(zhǔn)確。
盡管上節(jié)的結(jié)果表明,在單組元姿控動(dòng)力系統(tǒng)中應(yīng)盡量避免較大推力量級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)作的同時(shí)其余位置發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)作,但這在飛行器需要姿控調(diào)整和軌道保持時(shí)難以避免。并且姿控動(dòng)力系統(tǒng)中不同位置發(fā)動(dòng)機(jī)的閥門實(shí)際動(dòng)作時(shí)間存在一定的散差,不同發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)作難以達(dá)到完全同步,會(huì)存在一定的時(shí)間差。因此,下文將計(jì)算分析連續(xù)工作和脈沖工作2種狀態(tài)下,2種推力發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)作存在的時(shí)間差對(duì)姿控發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)過程的影響。考慮到仿真計(jì)算的實(shí)際設(shè)置問題,此時(shí)間差可以通過調(diào)整對(duì)不同位置發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出控制指令的時(shí)間差(即指令時(shí)差)來實(shí)現(xiàn)。
圖4給出了A1和B發(fā)動(dòng)機(jī)在不同指令時(shí)差條件下,單臺(tái)A1發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)分別對(duì)B1發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)和B2發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)室壓曲線的影響。
可以看到,當(dāng)A1發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)提前于B1和B2發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)作時(shí)(即圖4中Δ=-20 ms),B1發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過程不受A發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)作所影響,而B2發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)機(jī)過程將受到較大的影響,會(huì)在關(guān)機(jī)前產(chǎn)生明顯的壓力波動(dòng)。而在A1發(fā)動(dòng)機(jī)滯后于B1和B2發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)作時(shí)(即圖4中Δ=20 ms),B1發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)室壓波動(dòng)幅值和頻率有明顯的增加,B2發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)機(jī)過程則不會(huì)受到A1發(fā)動(dòng)機(jī)的滯后動(dòng)作影響。在A1發(fā)動(dòng)機(jī)和B1、B2發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)動(dòng)作(即圖4中Δ=0 ms)時(shí),B1發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過程受到的影響較小,而B2發(fā)動(dòng)機(jī)的室壓曲線出現(xiàn)了明顯波動(dòng)。
產(chǎn)生這種情況的原因是,A1發(fā)動(dòng)機(jī)的提前起動(dòng)會(huì)使動(dòng)力系統(tǒng)產(chǎn)生較大壓力波動(dòng),使得B2發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)產(chǎn)生較為明顯的波動(dòng);而在A1發(fā)動(dòng)機(jī)滯后起動(dòng)時(shí),B2發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)機(jī)過程已結(jié)束,所以沒有受到明顯影響。B1發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)受到A類發(fā)動(dòng)機(jī)滯后起動(dòng)的影響,這是由于A1發(fā)動(dòng)機(jī)滯后起動(dòng)時(shí),B1發(fā)動(dòng)機(jī)的室壓已上升接近穩(wěn)態(tài)值,A1發(fā)動(dòng)機(jī)此時(shí)起動(dòng)使得系統(tǒng)壓力產(chǎn)生一定波動(dòng),因此B1發(fā)動(dòng)機(jī)受到了較為明顯的影響。
圖4 A1起動(dòng)與B類發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)作指令時(shí)差的影響曲線
圖5給出了A1和B發(fā)動(dòng)機(jī)在不同指令時(shí)差條件下,單臺(tái)A1發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)分別對(duì)B1發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)和B2發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)室壓曲線的影響。
圖5 A1發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)與B類發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)作指令時(shí)差的影響曲線Fig.5 Effect of command time lag between engine-A1
可以看到,當(dāng)A1發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)提前于B1和B2發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)作時(shí)(即圖5中Δ=-20 ms),B1發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過程不受A1發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)作影響,而B2發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)機(jī)過程將受到較大的影響,在關(guān)機(jī)前產(chǎn)生較大的波動(dòng)。而當(dāng)A1發(fā)動(dòng)機(jī)滯后于B1和B2發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)作時(shí)(即圖5中Δ=20 ms),B1發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)室壓波動(dòng)幅值增大,B2發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)機(jī)過程則不受A1發(fā)動(dòng)機(jī)的滯后影響。
上述結(jié)果產(chǎn)生的原因是,由于A1發(fā)動(dòng)機(jī)提前關(guān)機(jī)會(huì)使動(dòng)力系統(tǒng)產(chǎn)生較大壓力波動(dòng),使得B2發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)時(shí)產(chǎn)生較為明顯的波動(dòng),而在A1發(fā)動(dòng)機(jī)滯后關(guān)機(jī)時(shí),B2發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)機(jī)過程已結(jié)束,所以沒有受到明顯影響。B1發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)受到A1發(fā)動(dòng)機(jī)滯后關(guān)機(jī)的影響,這是由于A1發(fā)動(dòng)機(jī)滯后起動(dòng)時(shí),關(guān)機(jī)引起的壓力波動(dòng)較晚傳播到B1發(fā)動(dòng)機(jī)前,故B1發(fā)動(dòng)機(jī)的室壓上升至接近穩(wěn)態(tài)值時(shí)有一定的波動(dòng)增大現(xiàn)象。
圖6為B1姿控發(fā)動(dòng)機(jī)在單獨(dú)工作和軌控A1發(fā)動(dòng)機(jī)脈沖工作影響下的一段脈沖工作過程室壓曲線,其中實(shí)線表示單獨(dú)工作,虛線表示存在軌控發(fā)動(dòng)機(jī)脈沖工作的情況。
圖6 不同狀態(tài)下B1發(fā)動(dòng)機(jī)脈沖工作過程曲線
可以看到,前幾個(gè)脈沖的關(guān)機(jī)后效沖量較大,尤其是第1個(gè)脈沖。而在A1發(fā)動(dòng)機(jī)影響的情況下,各脈沖的關(guān)機(jī)壓力拖尾更小一些。這是受到閥門關(guān)閉特性的影響,當(dāng)A1發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí),供應(yīng)系統(tǒng)的壓降更高,使小發(fā)動(dòng)機(jī)的入口壓力有所降低,閥門的關(guān)閥響應(yīng)更快。
發(fā)動(dòng)機(jī)的脈沖工作過程是以單個(gè)脈沖循環(huán)中的沖量為主要特性參數(shù)的。圖7表示了不同指令時(shí)序差情況下,B1發(fā)動(dòng)機(jī)前5次脈沖工作的沖量變化。
從圖7觀察到,隨著指令時(shí)差的增加,第1個(gè)脈沖沖量出現(xiàn)了明顯的降低,但在第2個(gè)脈沖又迅速增加。脈沖沖量隨連續(xù)脈沖數(shù)增加而逐漸減小,當(dāng)軌控和姿控發(fā)動(dòng)機(jī)脈沖工作指令同時(shí)發(fā)出時(shí),姿控(B1)發(fā)動(dòng)機(jī)的脈沖沖量整體較小,這與穩(wěn)態(tài)工作的影響結(jié)果相似。較大推力的軌控發(fā)動(dòng)機(jī)脈沖工作指令先于較小推力的姿控發(fā)動(dòng)機(jī)脈沖工作指令時(shí),對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)耦合工作的影響較小。
工作占空定義為發(fā)動(dòng)機(jī)脈沖工作中開機(jī)時(shí)間與關(guān)機(jī)時(shí)間之比。對(duì)于衛(wèi)星飛行器軌道調(diào)整而言,飛行器所需脈沖總沖量為一固定值。因此,脈沖工作中的不同工作占空由脈沖過程的關(guān)機(jī)時(shí)間長短決定,而開機(jī)時(shí)間相同。
圖7 不同指令時(shí)差下B1發(fā)動(dòng)機(jī)脈沖工作沖量曲線
在A1發(fā)動(dòng)機(jī)脈沖工作情況下,工作占空分別為1和0.5的B1發(fā)動(dòng)機(jī)脈沖工作過程如圖8所示。實(shí)線表示工作占空為1,虛線表示工作占空為0.5。
圖8 不同工作占空下姿控發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程曲線
可以看到,不同工作占空時(shí),姿控發(fā)動(dòng)機(jī)工作段內(nèi)的壓力上升過程和平臺(tái)壓力近似相同。但當(dāng)工作占空為0.5時(shí),由于閥門關(guān)閉時(shí)間的增長,姿控發(fā)動(dòng)機(jī)脈沖關(guān)機(jī)壓力拖尾明顯減小。這會(huì)對(duì)整個(gè)姿控發(fā)動(dòng)機(jī)脈沖工作產(chǎn)生明顯的影響。
在飛行器和衛(wèi)星調(diào)整姿態(tài)時(shí),需要?jiǎng)恿ο到y(tǒng)中各類發(fā)動(dòng)機(jī)都提供相對(duì)穩(wěn)定的總沖量,一般為額定沖量的±10%。為此計(jì)算了不同工作占空下,姿控B1發(fā)動(dòng)機(jī)的脈沖總沖量,結(jié)果如圖9所示。圖中無量綱沖量為發(fā)動(dòng)機(jī)十次脈沖的平均無量綱沖量。
可以看到,隨著工作占空的逐漸減小,即在一個(gè)脈沖中關(guān)機(jī)時(shí)間逐漸增加,沖量逐漸增加,當(dāng)工作占空為0.25時(shí),沖量已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。
在所計(jì)算的算例中,當(dāng)工作占空大于0.5時(shí),沖量小于額定沖量的90%,該狀態(tài)下無法滿足總體的穩(wěn)定工作沖量要求。這表明在軌姿控動(dòng)力系統(tǒng)脈沖工作重合的情況下,姿控發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)存在一個(gè)臨界穩(wěn)定工作占空,當(dāng)工作占空大于此值時(shí),脈沖總沖量會(huì)減小至相對(duì)穩(wěn)定沖量以下。因此,在軌姿控動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和飛行器總體姿態(tài)動(dòng)力學(xué)分析中需要考慮該因素的影響。
圖9 工作占空對(duì)脈沖總沖量的影響曲線
1) 軌控發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)動(dòng)作會(huì)對(duì)姿控發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)過程產(chǎn)生明顯影響,在姿控發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)、關(guān)機(jī)等動(dòng)態(tài)過程中應(yīng)盡量避免軌控發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)動(dòng)作。
2) 在軌控發(fā)動(dòng)機(jī)與姿控發(fā)動(dòng)機(jī)脈沖工作重合時(shí)間內(nèi),姿控發(fā)動(dòng)機(jī)的工作占空如果大于臨界值,姿控發(fā)動(dòng)機(jī)將不能提供所需的額定沖量。因此姿控發(fā)動(dòng)機(jī)工作占空應(yīng)小于臨界值,才能保證軌姿控發(fā)動(dòng)機(jī)脈沖重合工作段的脈沖沖量。