王慶華 王金剛 關(guān) 威 洪曉鵬

(1 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部,北京 100094)

(2 北京控制工程研究所,北京 100080)

(3 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所,北京 100094)

1 引言

衛(wèi)星裝配、總裝與測(cè)試(AIT)階段需要對(duì)電測(cè)產(chǎn)生的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行判讀,檢查測(cè)試數(shù)據(jù)是否在設(shè)計(jì)指標(biāo)范圍內(nèi)。同時(shí),為了檢查系統(tǒng)級(jí)、分系統(tǒng)級(jí)、單機(jī)指標(biāo)測(cè)試數(shù)據(jù)在各階段測(cè)試的一致性和穩(wěn)定性,需要按照時(shí)間軸縱向?qū)ν粋€(gè)參數(shù)的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。對(duì)于多星星座系統(tǒng),還需要對(duì)同一個(gè)測(cè)試階段同一系統(tǒng)級(jí)、分系統(tǒng)級(jí)、單機(jī)的同一個(gè)遙測(cè)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試數(shù)據(jù)的橫向比對(duì),以考查各衛(wèi)星系統(tǒng)、分系統(tǒng)、單機(jī)指標(biāo)的一致性和穩(wěn)定性。為方便對(duì)海量的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行管理,開(kāi)發(fā)了衛(wèi)星測(cè)試數(shù)據(jù)一致性比對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng),通過(guò)數(shù)據(jù)接口將測(cè)試數(shù)據(jù)導(dǎo)入衛(wèi)星測(cè)試數(shù)據(jù)一致性比對(duì)系統(tǒng),對(duì)每個(gè)遙測(cè)參數(shù)制定相應(yīng)的判讀規(guī)則,按照規(guī)則進(jìn)行自動(dòng)比對(duì)和判讀[1]。對(duì)于只與自身相關(guān)或只涉及簡(jiǎn)單相關(guān)變量的遙測(cè)參數(shù),其判讀和比對(duì)的規(guī)則相對(duì)簡(jiǎn)單,但對(duì)于涉及復(fù)雜相關(guān)參數(shù)的遙測(cè)參數(shù),在制定規(guī)則時(shí),對(duì)與之相關(guān)的變量都要考慮其中。推進(jìn)系統(tǒng)壓力參數(shù)與介質(zhì)壓力、環(huán)境壓力、環(huán)境溫度、靜置時(shí)間、壓力傳感器供電電壓及所在管路段的總泄漏率有關(guān),因此在制定判讀和比對(duì)規(guī)則時(shí),需要考慮多種情況,對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行復(fù)雜的處理和換算,以給出正確的比對(duì)和判讀結(jié)論[2]。本文以某雙組元衛(wèi)星為例,給出AIT階段推進(jìn)系統(tǒng)壓力參數(shù)在測(cè)試數(shù)據(jù)一致性比對(duì)系統(tǒng)中的判讀規(guī)則,作為單星各測(cè)試階段時(shí)間軸縱向數(shù)據(jù)以及多星間同一測(cè)試階段橫向數(shù)據(jù)比對(duì)和判讀的依據(jù),通過(guò)該方法還可以間接檢查相應(yīng)管路的氣密性。

2 整星AIT階段壓力傳感器所測(cè)的壓力

圖1 某雙組元衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)原理圖[4]Fig.1 Frame of some bi-propellant propulsion system

某雙組元衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)原理如圖1所示。在系統(tǒng)中高壓氣路、氧路、燃路分別裝有一個(gè)壓力傳感器,通過(guò)壓力傳感器的遙測(cè)參數(shù)獲取相應(yīng)管路中壓力情況,三個(gè)壓力傳感器所在部分管路的配置情況如圖中線框部分所示。其中位于高壓氣路的壓力傳感器為高壓壓力傳感器PT1,在管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)上,它直接與高壓氣瓶相通,因此它所測(cè)量的壓力就代表氣瓶的壓力[3](如圖1中虛線框所示)。另外兩個(gè)壓力傳感器分別位于氧化劑貯箱和燃燒劑貯箱的下游(圖1中實(shí)線框所示),編號(hào)分別為PT2 和PT3,氧路和燃路部件配置完全對(duì)稱(chēng)。以氧路壓力傳感器PT2為例(圖1中左邊實(shí)線框),它位于兩組常閉電爆閥之間,其上游氧箱液口的常閉電爆閥PV16,在加注前地面起爆,下游的兩個(gè)并聯(lián)的常閉電爆閥PV2 和PV11,在星箭分離后起爆。為了防止加注過(guò)程中推進(jìn)劑和管路中氣體混雜,導(dǎo)致姿控推力器點(diǎn)火時(shí)推力不連續(xù)或無(wú)推力,貯箱的液口端設(shè)置了一個(gè)低壓常閉電爆閥PV 16,在加注前對(duì)圖中實(shí)線框部分的管路抽真空后起爆為常開(kāi)狀態(tài),然后再進(jìn)行推進(jìn)劑加注。為了保證加注后至星箭分離前,氧化劑能夠與燃燒劑及發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)完全隔離,保證地面加/排推進(jìn)劑操作簡(jiǎn)便安全,提高系統(tǒng)在發(fā)射過(guò)程中的安全性、可靠性,在壓力傳感器下游、發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)上游設(shè)置了一組并聯(lián)的常閉電爆閥PV2 和PV11。因此,在整星AIT階段,貯箱與壓力傳感器之間的通路沒(méi)有打通之前,即在衛(wèi)星加注之前,壓力傳感器PT2所測(cè)得的壓力,只代表圖中實(shí)線框所示的介于兩組低壓常閉電爆閥之間的局部管路壓力,衛(wèi)星加注后至在軌運(yùn)行期間它們才反映貯箱的壓力[4]。

3 整星AIT階段推進(jìn)系統(tǒng)管路密封性要求及充壓要求

推進(jìn)系統(tǒng)的密封性要求分為系統(tǒng)級(jí)密封要求和單點(diǎn)密封要求。系統(tǒng)級(jí)密封要求包括氣路和液路密封性要求。系統(tǒng)級(jí)密封性要求的檢測(cè)方法為被測(cè)系統(tǒng)在密閉的收集室靜置一定時(shí)間,通過(guò)系統(tǒng)外環(huán)境檢測(cè)氣體濃度的變化,來(lái)計(jì)算得到系統(tǒng)級(jí)漏率指標(biāo)[5]。單點(diǎn)密封包括焊接點(diǎn)和螺接點(diǎn)密封,一般情況下焊接點(diǎn)的密封效果優(yōu)于螺接點(diǎn),因此推進(jìn)系統(tǒng)管路的連接,原則上采用焊接,對(duì)于系統(tǒng)測(cè)試試驗(yàn)過(guò)程中,可能產(chǎn)生拆裝操作或加排工質(zhì)的連接點(diǎn)一般采用螺接。焊接點(diǎn)的漏率在10-4Pa·L/s 量級(jí)以下,螺接點(diǎn)漏率在10-3Pa·L/s 以下。單點(diǎn)的漏率通過(guò)氦質(zhì)譜儀檢測(cè)[5]。

整星AIT階段推進(jìn)系統(tǒng)的靜置存儲(chǔ)壓力一般為0.2M Pa。在氣路聯(lián)試、力學(xué)試驗(yàn)、檢漏等試驗(yàn)時(shí),才根據(jù)具體要求給相關(guān)管路及壓力容器充壓。試驗(yàn)完成后,系統(tǒng)中仍保留0.2M Pa 的保護(hù)氣體。在整星電測(cè)期間推進(jìn)系統(tǒng)充壓按照存儲(chǔ)壓力設(shè)置,即0.2M Pa。

4 推進(jìn)系統(tǒng)壓力參數(shù)比對(duì)和判讀方法

4.1 計(jì)算公式

推進(jìn)系統(tǒng)共有5個(gè)壓力參數(shù),其中高壓壓力傳感器有一個(gè)遙測(cè)參數(shù)PJ1,氧箱壓力傳感器PT2 有兩個(gè)遙測(cè)參數(shù)PJ2 和PJ4,燃箱壓力傳感器PT3 有兩個(gè)遙測(cè)參數(shù)PJ3 和PJ5。5個(gè)壓力參數(shù)中PJ4 和PJ5為精遙測(cè)參數(shù),在壓力低于1M Pa時(shí),只顯示為1個(gè)常數(shù),不顯示真值。整星地面測(cè)試階段,壓力傳感器段管路一般充壓0.2M Pa,因此,在進(jìn)行測(cè)試數(shù)據(jù)判讀時(shí),不對(duì)PJ4 和PJ5 進(jìn)行比對(duì)和判讀。

對(duì)于一般遙測(cè)參數(shù)的判讀和比對(duì),通常是給出參數(shù)的正常值范圍,首先,看測(cè)量值是否在正常值范圍內(nèi),其次,看歷次測(cè)量參數(shù)的變化是否穩(wěn)定收斂。對(duì)于壓力遙測(cè)參數(shù),由于其受所充介質(zhì)壓力、介質(zhì)所處的環(huán)境溫度、外界環(huán)境壓力、靜置時(shí)間及所在管路段的總泄漏率有關(guān),單從遙測(cè)參數(shù)的測(cè)量值上看,通常是不收斂的,并且由于上述因素的影響,測(cè)量值的差別可能很大,因此在制定判讀和比對(duì)規(guī)則時(shí),不能簡(jiǎn)單給一個(gè)參數(shù)的范圍或者按照趨勢(shì)收斂進(jìn)行正確性判讀,需要對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的處理和換算。公式(1)給出壓力傳感器遙測(cè)參數(shù)一致性比對(duì)和判讀的處理方法。

式(1)中Pt0為t0時(shí)刻壓力傳感器遙測(cè)參數(shù)測(cè)量值,單位M Pa;

P(t0+Δt)為(t0+Δt)時(shí)刻壓力傳感器遙測(cè)參數(shù)測(cè)量值,單位MPa;

Tt0為t0時(shí)刻介質(zhì)所處的環(huán)境溫度,單位K;

T(t0+Δt)為(t0+Δt)時(shí)刻介質(zhì)所處的環(huán)境溫度,單位K;

V為與壓力傳感器連通的管路及壓力容器的總體積,單位L;

Δt為前后兩次測(cè)量的時(shí)間差,單位s;

QWi為第i條焊縫的漏率,單位Pa·L/s;

QSj為第j個(gè)螺接點(diǎn)的漏率,單位Pa·L/s;

i為該段管路上的焊縫條數(shù);

j為該段管路上的螺接點(diǎn)個(gè)數(shù)。

公式(1)考慮了壓力傳感器所在部分管路的總漏率及環(huán)境溫度的差異。對(duì)于工程應(yīng)用,根據(jù)具體情況可對(duì)公式(1)進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算。

4.2 管路總漏率的選取

壓力傳感器段管路上焊接點(diǎn)數(shù)量大約有20個(gè),螺接點(diǎn)2個(gè):一個(gè)是壓力傳感器螺接點(diǎn),一個(gè)是加排閥螺接點(diǎn)。加排閥的螺紋密封是加排閥與系統(tǒng)外部間的密封,對(duì)應(yīng)漏率為加排閥的外漏率QS1。整星AIT階段對(duì)加排閥的操作較多,為防止反復(fù)擰緊加排閥螺帽致使加排閥球頭密封面或密封螺紋損傷,AIT階段加排閥采用材料硬度較小的工藝堵帽密封,且擰緊力矩受限,實(shí)測(cè)其密封效果一般為QS1小于1×10-2Pa·L/s。加排閥內(nèi)部還有一道彈簧密封,介于系統(tǒng)高壓部分和螺紋密封形成的低壓腔之間,與系統(tǒng)外部不接觸,對(duì)應(yīng)漏率為加排閥的內(nèi)漏率QMV內(nèi),實(shí)測(cè)結(jié)果一般小于3×10-2Pa·L/s。在加排閥沒(méi)有擰螺帽時(shí),彈簧密封便與系統(tǒng)外接觸,加排閥的內(nèi)漏率水平,也就代表了加排閥向系統(tǒng)外泄漏工質(zhì)的情況。根據(jù)多顆衛(wèi)星統(tǒng)計(jì)結(jié)果,焊接點(diǎn)漏率一般小于1×10-5Pa·L/s,壓力傳感器螺接點(diǎn)漏率一般小于1×10-5Pa·L/s,由此看出,加排閥的外漏率QS1對(duì)壓力傳感器所在的管路部分漏率貢獻(xiàn)最大,比其他所有連接點(diǎn)的總漏率要大2～3個(gè)數(shù)量級(jí)。因此,在采用公式(1)進(jìn)行計(jì)算時(shí)總漏率可以近似只考慮加排閥的漏率QS1。有

考慮極限,即取沒(méi)有工藝堵帽的情況,此時(shí)加排閥向系統(tǒng)外的泄漏按加排閥的內(nèi)漏率QMV內(nèi)進(jìn)行計(jì)算,有關(guān)系式QMV 內(nèi)≥QS1,于是,公式(1)進(jìn)行推導(dǎo)可以簡(jiǎn)化為

以某星氧路壓力傳感器遙測(cè)參數(shù)PJ2為例,A階段某月5日14:00:00 電測(cè)時(shí)Pt0=0.161MPa,B 階段當(dāng)月15日14:00:00 電測(cè)時(shí),P(t0+Δt)=0.149MPa,環(huán)境溫度一致,QMV內(nèi)取≤3×10-2Pa·L/s,管路體積取30ml。按照公式(3)計(jì)算,考慮管路的正常泄漏時(shí),計(jì)算兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)之間的壓差為0.864MPa(公式不等號(hào)右邊),而實(shí)際壓差僅為0.012MPa(公式不等號(hào)左邊),因此,認(rèn)為PJ2 雖然在變化,但加排閥的正常泄漏足以引起這個(gè)變化,是正常的。

將公式(1)進(jìn)行推導(dǎo),即可得到該段管路的總漏率表達(dá)式

上述算例按照公式(4)計(jì)算得到該段管路總漏率為4.2×10-4Pa·L/s,小于加排閥的內(nèi)漏率3×10-2Pa·L/s。因此認(rèn)為該段管路的泄漏情況正常。

4.3 常溫下判讀方法的簡(jiǎn)化

常溫常壓下環(huán)境溫度的波動(dòng),對(duì)壓力參數(shù)的影響較小,可以忽略,壓力參數(shù)的判讀方法可以簡(jiǎn)化為

對(duì)于氣容大的管路系統(tǒng),溫度變化對(duì)氣體壓力的影響較小[6],因此,在非常溫狀態(tài)時(shí),也可以采用公式(5)進(jìn)行計(jì)算,比如熱試驗(yàn)時(shí),高壓壓力傳感器遙測(cè)參數(shù)的判讀,可以按照公式(5)進(jìn)行;當(dāng)氣容小時(shí),溫度對(duì)壓力的影響顯著。特別是氧箱和燃箱下游的壓力傳感器所在的管路,體積只有30ml 左右,在熱試驗(yàn)時(shí),由溫度引起的壓力變化在0.05M Pa 以上,不能忽略溫度的影響。

4.4 環(huán)境壓力對(duì)壓力參數(shù)的影響

衛(wèi)星氧箱壓力傳感器和燃箱壓力傳感器選用雙膜片壓阻式壓力傳感器,其中一個(gè)膜片測(cè)介質(zhì)壓力P1,另一個(gè)膜片測(cè)環(huán)境壓力P0,二者做減法,得到壓力傳感器的測(cè)量壓力P[7]。因此環(huán)境壓力對(duì)壓力傳感器的遙測(cè)參數(shù)也有影響。

當(dāng)環(huán)境壓力為大氣環(huán)境時(shí),P0為當(dāng)?shù)丨h(huán)境大氣壓,當(dāng)熱試驗(yàn)時(shí),環(huán)境壓力為真空罐的壓力,近似為0M Pa。在不考慮管路泄漏的情況下,衛(wèi)星從大氣環(huán)境到進(jìn)入真空環(huán)境,氧箱壓力傳感器和燃箱壓力傳感器的遙測(cè)參數(shù),會(huì)增大一個(gè)當(dāng)?shù)丨h(huán)境大氣壓。熱試驗(yàn)的罐前測(cè)試和進(jìn)入真空罐的測(cè)試數(shù)據(jù)比對(duì),采用公式(6)作為判據(jù)。

衛(wèi)星高壓壓力傳感器選用的是單膜片壓阻式壓力傳感器,只有一個(gè)測(cè)介質(zhì)壓力P1的膜片,壓力傳感器的測(cè)量壓力P 等于介質(zhì)壓力P1[7]。因此環(huán)境壓力對(duì)壓力傳感器的遙測(cè)參數(shù)不產(chǎn)生影響。

大氣壓力隨海拔高度的增加而減小[8],在不考慮管路泄漏的情況下,衛(wèi)星從海拔低的地方運(yùn)至海拔高的地方,壓力傳感器的遙測(cè)參數(shù)也會(huì)相應(yīng)增加。

4.5 壓力傳感器供電電壓對(duì)壓力參數(shù)的影響

壓阻式壓力傳感器的測(cè)量原理是將硅膜片的機(jī)械應(yīng)變?chǔ)抛兂呻娮柚底兓?從而引起測(cè)量電路輸出電壓的變化[9]。測(cè)量電路是典型的惠斯登電橋,如圖2所示。

圖2 壓阻式壓力傳感器測(cè)量電路Fig.2 Acircuit of Wheatstone bridge used in piezoresistive pressure transducer

假設(shè)電源電壓為E ,輸出電壓為U ,當(dāng)被測(cè)壓力加在膜片上時(shí)電阻R1和R3處于正應(yīng)力區(qū),阻值增大,電阻R2和R4處于負(fù)應(yīng)力區(qū),阻值變小。則輸出電壓可以表示為[10]

由公式(7)可以看出,給壓力傳感器供電的電源電壓對(duì)輸出電壓有直接影響,而壓力傳感器的輸出電壓與測(cè)量壓力之間呈線性關(guān)系,因此供電電壓的變化將影響壓力測(cè)量值。在供電電源不變的情況下,該因素可以不考慮。

4.6 其他影響壓力參數(shù)比對(duì)結(jié)果的因素

在按照時(shí)間縱向數(shù)據(jù)對(duì)壓力傳感器的遙測(cè)參數(shù)進(jìn)行一致性比對(duì)和判讀時(shí),需要注意的是兩次壓力監(jiān)測(cè)之間應(yīng)沒(méi)有進(jìn)行過(guò)壓力傳感器遙測(cè)系數(shù)的修改,并且沒(méi)有進(jìn)行過(guò)加排閥的操作。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合某雙組元衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì),分析了AIT階段壓力傳感器所測(cè)管路壓力的特性,結(jié)合衛(wèi)星選用的壓阻式壓力傳感器的特點(diǎn),考慮介質(zhì)壓力、環(huán)境壓力、環(huán)境溫度、靜置時(shí)間、管路泄漏、供電電壓等多種因素對(duì)壓力遙測(cè)參數(shù)一致性比對(duì)結(jié)果的影響,在理想氣體狀態(tài)方程的基礎(chǔ)上加以推導(dǎo),結(jié)合工程應(yīng)用實(shí)際,總結(jié)出AIT階段衛(wèi)星雙組元推進(jìn)系統(tǒng)壓力傳感器遙測(cè)參數(shù)的處理方法,為星上數(shù)據(jù)比對(duì)和判讀提供判讀依據(jù),以指導(dǎo)工程應(yīng)用。該方法運(yùn)算簡(jiǎn)單,不需要借助工具,計(jì)算精度能夠滿(mǎn)足工程使用要求,同時(shí)起到間接檢查管路氣密性的作用。

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