張榮榮，任 楓，張 亮

（上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海201109）

0 引言

為提高承載能力，目前國內(nèi)外運(yùn)載火箭三子級(jí)、上面級(jí)和航天器的輸送系統(tǒng)多采用4個(gè)貯箱兩兩并聯(lián)的布局構(gòu)型，4個(gè)貯箱安裝在同一平面上，2個(gè)氧化劑與2個(gè)燃料貯箱兩兩并聯(lián)。如“MiTEx項(xiàng)目”上面級(jí)、“阿里安5”上面級(jí)、“Fregat”上面級(jí)、“第聶伯”火箭上面級(jí)、“AVUM”上面級(jí)、二代導(dǎo)航上面級(jí)、“阿波羅”載人登月飛船推進(jìn)系統(tǒng)、“神舟”飛船推進(jìn)系統(tǒng)等。飛行過程中，2個(gè)并聯(lián)貯箱內(nèi)同種推進(jìn)劑消耗會(huì)存在差異，這個(gè)差異稱為并聯(lián)貯箱排放不均衡量，排放不均衡會(huì)引起航天器的質(zhì)心變化，甚至?xí)绊懞教炱鞯恼ｏw行。因此，并聯(lián)貯箱的排放不均衡量一直是輸送系統(tǒng)的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)。并聯(lián)金屬膜片貯箱的排放不均衡量既與并聯(lián)的2個(gè)金屬膜片貯箱本身的金屬膜片壓差性能差異有關(guān)，也與增壓輸送系統(tǒng)的管路流阻特性和增壓性能偏差有關(guān)。

某型三級(jí)運(yùn)載火箭是我國新一代快速發(fā)射的液體運(yùn)載火箭。三子級(jí)增壓輸送系統(tǒng)為泵壓式雙組元系統(tǒng)。由增壓系統(tǒng)、推進(jìn)劑貯存和輸送系統(tǒng)及發(fā)動(dòng)機(jī)組成。推進(jìn)劑貯存和輸送系統(tǒng)由4個(gè)180 L金屬膜片貯箱及液路管路等組成，采用四氧化二氮和偏二甲肼作為推進(jìn)劑。本文主要研究并聯(lián)金屬膜片貯箱均衡排放控制措施，探討并聯(lián)金屬膜片貯箱均衡排放的分析評(píng)定和試驗(yàn)驗(yàn)證方法，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 并聯(lián)金屬膜片貯箱不均衡性評(píng)定方法

1.1 并聯(lián)金屬膜片貯箱輸送不均衡性計(jì)算原理

并聯(lián)貯箱推進(jìn)劑輸送不均衡量計(jì)算原理如下：

系統(tǒng)的過載為g；貯箱液面高度為Z，在兩貯箱中分別表示為H1和H2；貯箱內(nèi)膜片液側(cè)壓力分別為p1和p2；輸送總管的入口壓力為p；兩貯箱出口到總管入口的管路壓力損失分別為Δp1和Δp2；兩輸送支管內(nèi)的推進(jìn)劑流速分別為v1和v2；輸送支管面積為A。根據(jù)伯努力方程：

得，貯箱1：

貯箱2：

其中管路壓力損失

式中：λ1和λ2為沿程損失系數(shù)；l為管長；d為管內(nèi)徑；ξ1和ξ2為沿輸送支管各種局部阻力系數(shù)總和。

沿程阻力損失和液面高度差形成的壓差與其他項(xiàng)相比非常小，在計(jì)算中可進(jìn)行忽略，根據(jù)此原則，式（5）和（6）可變?yōu)橐韵滦问剑?/p>

將式（7）和（8）代入式（4），可得：

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中，氧化劑和燃料流量保持恒定，因而2根輸送支管中推進(jìn)劑流量和為恒定值，即

聯(lián)立式（9）和（10）即可求解出輸送支管的流速v1和v2。

再按下式對(duì)每一時(shí)刻的流量進(jìn)行積分，即可得總輸送不均衡量ΔM

由式（9），（10）和（11）可知，對(duì)于直徑恒定的并聯(lián)貯箱輸送管路，計(jì)算輸送不均衡量需要知道的參數(shù)有：①兩并聯(lián)貯箱液面壓力差p2-p1，在貯箱增壓壓力相同時(shí)，p2-p1為貯箱膜片翻轉(zhuǎn)壓力偏差；②管路阻力系數(shù)ξ1和ξ2；③時(shí)間t。

地面試驗(yàn)中用水代替真實(shí)推進(jìn)劑，試驗(yàn)得到的不均衡量是水的質(zhì)量，增壓輸送系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)是推進(jìn)劑的不均衡量，因此推進(jìn)劑的不均衡量需轉(zhuǎn)換成水的質(zhì)量才能評(píng)價(jià)并聯(lián)貯箱均衡排放試驗(yàn)是否滿足要求。

將水作為試驗(yàn)工質(zhì)后，式（7）中的密度ρ發(fā)生變化，為保證膜片翻轉(zhuǎn)壓力偏差p2-p1仍與實(shí)際推進(jìn)劑工作狀態(tài)一致，需改變兩輸送支管的流速v1和v2，即管路總流量v需發(fā)生變化，變化時(shí)需令：

按式（10）對(duì)試驗(yàn)水流量模化計(jì)算，結(jié)果見表1。

表1 水試驗(yàn)?zāi)；髁繐Q算結(jié)果Tab.1 Modeling flow conversion result for water test

推進(jìn)劑輸送不均衡量則按下式計(jì)算

1.2 并聯(lián)金屬膜片貯箱輸送不均衡性排放控制措施

針對(duì)并聯(lián)貯箱推進(jìn)劑輸送不均衡量的計(jì)算分析結(jié)果，影響推進(jìn)劑輸送不均衡性的主要因素及控制措施為：

1）增壓壓力偏差

增壓壓力偏差采用同組元貯箱氣枕連通的方法控制，增壓壓力偏差很小，可忽略不計(jì)。

2）膜片的翻轉(zhuǎn)壓力偏差

膜片的翻轉(zhuǎn)壓力為膜片本身特性，主要受膜片材料的機(jī)械性能和加工工藝影響。膜片材料的機(jī)械性能主要受材料的晶粒度、硬度及抗拉強(qiáng)度、伸長率等影響。對(duì)于同批次的材料，如果忽略材料機(jī)械性能方面的差異，那么膜片的翻轉(zhuǎn)壓力偏差受膜片加工工藝控制。由于膜片的壓降值無法預(yù)先測(cè)量，一般通過膜片的加工工藝過程控制厚度、硬度等重要參數(shù)，通過一定的子樣數(shù)來獲取膜片壓降的分布規(guī)律。評(píng)價(jià)一個(gè)批次中膜片厚度分布的一致性高低，主要考慮兩個(gè)方面：

一是各高度帶上膜片平均厚度偏差，以一批次膜片的平均厚度作為基準(zhǔn)，計(jì)算每一片膜片相對(duì)于本批次膜片平均厚度的差值，差值越大，表明該膜片厚度偏離本批次膜片平均水平越大，即該膜片厚度相對(duì)于本批次膜片平均水平的一致性越低。

二是同一高度帶上膜片厚度分布的不均勻性，即計(jì)算膜片在同一高度帶上周向厚度的標(biāo)準(zhǔn)差，標(biāo)準(zhǔn)差越大，表明該膜片在同一高度帶上周向厚度分布越不均勻，即該膜片自身厚度分布的一致性越低。

膜片厚度相對(duì)均值偏差越小、相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差越小，則該膜片相對(duì)于本批次膜片平均水平的一致性越高。選配的原則是選擇同一批次中膜片厚度分布一致性高、膜片硬度無較大超差的膜片。

3）管路流阻

管路的流阻可以通過理論計(jì)算和地面試驗(yàn)獲取，并通過節(jié)流圈來降低同種組元推進(jìn)劑排放不均衡量。在總裝管路布局時(shí)，對(duì)液路輸送管路設(shè)計(jì)時(shí)采用同種規(guī)格的導(dǎo)管，對(duì)同組元貯箱輸送管采用全對(duì)稱設(shè)計(jì)原則，減小管路流阻差異。

2 某典型金屬膜片貯箱不均衡量計(jì)算

某型運(yùn)載火箭三子級(jí)增壓輸送系統(tǒng)采用常溫氦定壓力增壓，4個(gè)180 L金屬膜片貯箱貯存推進(jìn)劑。設(shè)計(jì)時(shí)，在滿足指標(biāo)的前提下盡可能使系統(tǒng)簡化且系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化，在通過試驗(yàn)獲取并控制膜片翻轉(zhuǎn)壓力范圍后，增壓輸送系統(tǒng)采用壓力調(diào)節(jié)器增壓、液路導(dǎo)管對(duì)稱布局、輸送管路增加節(jié)流圈3項(xiàng)措施有效控制同種組元推進(jìn)劑排放不均衡量。增壓輸送系統(tǒng)整個(gè)工作過程中，假設(shè)貯箱膜片翻轉(zhuǎn)壓力≤0.1 MPa，膜片翻轉(zhuǎn)壓力偏差平均值≤0.015 MPa，進(jìn)行算例分析，當(dāng)其中1個(gè)貯箱推進(jìn)劑耗盡，停止計(jì)算，通過2個(gè)貯箱的推進(jìn)劑差值計(jì)算不均衡量。

管路阻力損失包含有輸送支管（含節(jié)流圈和電爆閥）阻力損失、液路過濾器阻力損失、輸送總管阻力和動(dòng)壓損失，氧燃輸送支路額定條件下（15℃，氧流量1.425 kg/s，燃流量0.7 345 kg/s）的阻力設(shè)計(jì)范圍分別為0.055±0.002 MPa和0.05±0.002 MPa，據(jù)此對(duì)輸送支路阻力系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果列于表2。

表2 輸送支路阻力系數(shù)計(jì)算結(jié)果Tab.2 Calculation result of resistance coefficient for feeding line

下面對(duì)不同翻轉(zhuǎn)壓力偏差下的不均衡量進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算時(shí)同種推進(jìn)劑兩側(cè)輸送支路分別選取管路阻力系數(shù)上下限值。

額定流量 （氧 1.425 kg/s，燃 0.7 345 kg/s）和額定溫度（15℃）下，不同翻轉(zhuǎn)壓力偏差引起的推進(jìn)劑輸送不均衡量變化情況見圖1。

圖1 某典型金屬膜片貯箱不均衡量計(jì)算結(jié)果Fig.1 Inequality calculation result for a certain type of metal diaphragm tank

可以看出，隨著翻轉(zhuǎn)壓力偏差的增大，推進(jìn)劑輸送不均衡量增大。其中，在0.015 MPa的最大翻轉(zhuǎn)壓力偏差下氧燃輸送不均衡量分別為35.3 kg和21.6 kg。同種組元推進(jìn)劑排放不均衡量控制滿足氧化劑不大于36 kg，燃料不大于22 kg，符合預(yù)期要求。

3 某典型金屬膜片貯箱均衡排放試驗(yàn)方案

并聯(lián)金屬膜片貯箱的均衡排放性能需要通過地面試驗(yàn)來驗(yàn)證。試驗(yàn)系統(tǒng)模擬整個(gè)三級(jí)氧箱和燃料箱的增壓輸送工況，貯箱外形和尺寸與真實(shí)貯箱原則保持一致，考慮膜片安裝的方便性，試驗(yàn)貯箱為2個(gè)半球法蘭結(jié)構(gòu)。增壓系統(tǒng)模擬箭上真實(shí)狀態(tài)，貯箱初始?xì)庹砣莘e和初始增壓壓力與真實(shí)狀態(tài)盡量一致；輸送系統(tǒng)由輸送管、電磁閥、節(jié)流圈和手動(dòng)蝶閥組成。在進(jìn)行均衡輸送性能試驗(yàn)時(shí)，由于貯箱內(nèi)金屬膜片的翻轉(zhuǎn)壓力時(shí)刻變化，將無法保證推進(jìn)劑擠壓壓力的穩(wěn)定。為保證推進(jìn)劑輸送流量的穩(wěn)定，試驗(yàn)采用了定流量的推進(jìn)劑輸送系統(tǒng)。定流量輸送系統(tǒng)主要控制部件為螺桿泵，通過轉(zhuǎn)速的設(shè)定可確定管路出口流量，泵的轉(zhuǎn)速由變頻電機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)。試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

為了保證在額定流量下氧燃輸送支路阻力達(dá)到設(shè)計(jì)要求 （氧 0.055±0.002 MPa，燃 0.05±0.002 MPa），須在輸送支管上選配一定孔徑的節(jié)流圈。因此，在均衡排放試驗(yàn)前，對(duì)配備不同孔徑節(jié)流圈狀態(tài)下的氧燃輸送支管阻力系數(shù)進(jìn)行了測(cè)試，最后通過節(jié)流圈將氧燃輸送支管流阻配平至設(shè)計(jì)要求值。

圖2 某典型金屬膜片貯箱均衡排放試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖Fig.2 Principle diagram of equal expulsion test system for a certain type of metal diaphragm tank

3.1 金屬膜片翻轉(zhuǎn)壓力偏差理論計(jì)算

根據(jù)金屬膜片的選配原則，實(shí)測(cè)同一批次14片膜片的厚度、表面硬度數(shù)據(jù)，進(jìn)行有限元分析計(jì)算，得到膜片的翻轉(zhuǎn)壓力偏差，如表3所示。

表3 膜片翻轉(zhuǎn)壓力偏差Tab.3 Reverse pressure deviation of metal diaphragms

由表3可得：

1)膜片翻轉(zhuǎn)壓力偏差的平均值為4.04 kPa；

2)根據(jù)正態(tài)分布理論，則膜片翻轉(zhuǎn)壓力偏差有99.73%的概率落在區(qū)間（0，13.99）。

根據(jù)金屬膜片相關(guān)試驗(yàn)統(tǒng)籌安排，某型號(hào)金屬膜片貯箱均衡排放試驗(yàn)選取H19和H20進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)4節(jié)不均衡量計(jì)算方法，對(duì)翻轉(zhuǎn)壓力偏差為0.003 64 MPa的2片金屬膜片在額定流量和額定溫度下，不均衡量為3.76 kg。

3.2 某典型金屬膜片貯箱均衡排放試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)在同樣增壓壓力偏差下，氧化劑輸送不均衡量要大于燃料輸送不均衡量。因此，金屬膜片均衡排放試驗(yàn)僅按照氧化劑狀態(tài)的模化流量，對(duì)氧化劑帶膜片并聯(lián)貯箱輸送不均衡量進(jìn)行測(cè)量。

實(shí)際試驗(yàn)流量約在1.20 L/s，與1.18 L/s的額定值較為接近，因而試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以反映實(shí)際狀態(tài)輸送管路阻力變化情況。從圖3中輸送管路阻力變化情況來看，工作過程中貯箱液腔至匯總口兩側(cè)平均壓差在0.058 MPa，去除動(dòng)壓影響后，兩側(cè)輸送支路平均流阻應(yīng)在0.054 MPa，在要求的0.055±0.002 MPa范圍內(nèi)。

從圖4和表4所得膜片特性來看，該組2片膜片翻轉(zhuǎn)趨勢(shì)接近一致，平均翻轉(zhuǎn)壓力不高于0.05 MPa，2個(gè)膜片的平均翻轉(zhuǎn)壓力偏差在0.003 5 MPa，與金屬膜片翻轉(zhuǎn)壓力偏差理論計(jì)算值一致，試驗(yàn)測(cè)得推進(jìn)劑不均衡量為2.87 kg，與理論計(jì)算3.76 kg接近。

圖3 均衡排放試驗(yàn)輸送管路壓力變化情況Fig.3 Pressure change in feeding pipeline in equal expulsion test

圖4 均衡排放試驗(yàn)?zāi)てD(zhuǎn)壓力變化情況Fig.4 Pressure changes of metal diaphragm in equal expulsion test

表4 均衡排放試驗(yàn)?zāi)てD(zhuǎn)特性Tab.4 Reversal features of metal diaphragm in equal expulsion test

4 結(jié)論

對(duì)某典型并聯(lián)金屬膜片貯箱的均衡排放控制方法展開研究，指導(dǎo)并建立了并聯(lián)貯箱均衡排放試驗(yàn)的評(píng)定方法，設(shè)計(jì)了能夠準(zhǔn)確測(cè)量并聯(lián)貯箱排放不均衡量的試驗(yàn)方案，并進(jìn)行了均衡排放試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算基本一致，說明分析方法正確。試驗(yàn)過程采取控制措施把金屬膜片貯箱的并聯(lián)排放不均衡量控制到了指標(biāo)要求范圍內(nèi)。

研究得出的并聯(lián)金屬膜片貯箱均衡排放控制措施如下：

1）從系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)及管路選擇和布局來降低同種推進(jìn)劑增壓偏差；

2）同種推進(jìn)劑貯箱采用同規(guī)格輸送管路并采用全對(duì)稱布局，同時(shí)采用節(jié)流圈調(diào)節(jié)的方法把管路系統(tǒng)的流阻差異調(diào)至最小；

3）提高金屬膜片加工精度，控制膜片的加工工藝過程，控制厚度、硬度，降低金屬膜片的翻轉(zhuǎn)壓力偏差。

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