沈繼彬，曾曉軍，曹慶紅

（西安航天動力試驗技術(shù)研究所，陜西西安710100）

0 引言

推力參數(shù)測量的精確與否對評價發(fā)動機的性能意義重大。隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展，對液體火箭發(fā)動機試驗推力測量精度要求不斷提高，推力參數(shù)由以往單因素分析向多因素分析方向快速發(fā)展。液體火箭發(fā)動機試驗中，影響推力測量精度的因素較多，包括推力測量傳感器的精度對測量數(shù)據(jù)處理的影響，推力現(xiàn)場校準過程與試驗過程系統(tǒng)狀態(tài)一致性對校準精度的影響，試車架的結(jié)構(gòu)剛度、承力變形量對力傳遞系數(shù)的影響，推進劑供應(yīng)管道對推力測量的影響等。120噸液氧/煤油發(fā)動機為我國新一代大推力、無毒、無污染、高壓補燃發(fā)動機，地面試驗中要求試車臺具備較高的推力測量精度。因此，開展推力測量影響因素分析研究，一方面滿足型號研制需求，另一方面為后續(xù)重型運載發(fā)動機研制和多分推力計量測試技術(shù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

本文針對某120噸液氧/煤油發(fā)動機試驗臺，研究了推進劑供應(yīng)管道上設(shè)置的水平波紋管對推力測量的影響。

1 波紋管對推力的影響分析

某120噸液氧/煤油發(fā)動機試驗臺推進劑供應(yīng)泵前主管道上共安裝了6臺波紋管補償器，其中發(fā)動機入口豎直管道上各有2臺垂直波紋管，都位于動架內(nèi)，用于發(fā)動機推進劑入口管道對接安裝和管道溫度補償，對推力測量沒有影響；而管道從試車架定架進入動架各有1臺水平波紋管，主要用于動架與定架的柔性分離，降低主管道的剛性，減少推力損失，提高試車架的推力傳遞系數(shù)，如圖1所示。

圖1 某試驗系統(tǒng)推進劑管道布置圖Fig.1 Layout of propellant pipelines in a test system

氧路和煤油泵前管路的2臺水平波紋管設(shè)置在試車架的動架與定架的力分離面上，相連的一端管路固定在定架上，相連的另一端管路與動架連接，在試車或校準時隨動架移動，可產(chǎn)生豎向位移，降低了推進劑泵前管道的豎向剛度，減小了試車架受力位移引起的管道牽扯力，提高了推力傳遞系數(shù)。但波紋管的安裝也引入了許多復(fù)雜的力學(xué)影響，如波紋管自身的剛性和低溫下剛性的變化、波紋管內(nèi)介質(zhì)的壓力引起的盲板力、波紋管的安裝固定方式等也影響推力測量的準確性，需對其進行分析。

1.1 波紋管推力損失分析

波紋管自身存在徑向剛度，通過仿真分析得到20℃時液氧和煤油水平波紋管的徑向（即推力豎向）剛度分別為887.8 N/mm和683.9 N/mm，且徑向剛度不受內(nèi)部壓力影響，但與溫度有關(guān)，見圖2所示。

圖2 波紋管的變形應(yīng)力分析結(jié)果Fig.2 Deformation stress analysis result of bellows

再根據(jù)校準過程施加1 200 kN標準力時波紋管與動架固定一端的豎向位移測量結(jié)果，液氧管道波紋管豎向位移0.690 mm，煤油管道波紋管豎向位移0.710 mm。按公式（1）可以得出動架承受1 200 kN推力時推進劑管道波紋管引起的推力損失，計算結(jié)果如表1所示。

式中：F為波紋管豎向力；Ky為波紋管徑向剛度；y為波紋管豎向位移。

為驗證波紋管的推力損失，進行了波紋管推力損失驗證試驗。試驗采用校準方法，分別在拆除管道水平波紋管前（原位狀態(tài)）、拆除管道水平波紋管后進行零位記錄和推力校準，根據(jù)校準數(shù)據(jù)分析得到液氧管道波紋管和煤油管道波紋管的推力損失。仿真與試驗結(jié)果見表1所示。

理論計算結(jié)果與試驗值較接近，可以確定：在常溫下推力系統(tǒng)加載1 200 kN力時，推進劑管道波紋管對動架的牽扯力約為1 kN。該牽扯力為彈性作用力，可以通過在常溫下的推力校準予以消除，不影響測量精度，只是降低了試車架的推力傳遞系數(shù)，但由校準狀態(tài)與試驗狀態(tài)液氧波紋管溫度不一致引起的波紋管剛度的變化需要進一步分析。

1.2 液氧管道波紋管低溫影響分析

發(fā)動機試車過程中，液氧管道及波紋管處于低溫狀態(tài)，與推力校準時狀態(tài)不一致，因此需要對低溫影響因素進行分析。通過仿真分析，液氧管道水平波紋管溫度從20℃降低至-183℃時，其徑向剛度由887.8 N/mm升高至951.2 N/mm。波紋管剛度變大增加了試車架的總剛度，使低溫下的校準斜率略有增加，因此將常溫校準斜率用于試車對推力測量精度有一定的影響。

表1 推力損失計算及試驗結(jié)果Tab.1 Calculation and experimental results of thrust loss

對試車臺歷次的常溫校準與低溫校準進行比較分析，結(jié)果見表2所示。

經(jīng)過比較分析，低溫下校準斜率比常溫下高0.036 6%，由于低溫下校準更接近于發(fā)動機試車過程，校準精度更高。因此，采用常溫校準系數(shù)計算發(fā)動機推力時推力值偏小，按1 200 kN計算，偏小了0.439 kN。因此，建議對常溫推力校準系數(shù)進行修正。

表2 常溫、低溫校準比較分析結(jié)果Tab.2 Comparison of calibration coefficients at low and normal temperatures

1.3 介質(zhì)壓力的影響分析

發(fā)動機試車過程中，發(fā)動機入口需要增壓，使波紋管處于一定的壓力條件下，波紋管內(nèi)的壓力使波紋管對兩固定端產(chǎn)生作用力，由于力分離面上的波紋管軸線并非完全垂直于發(fā)動機推力軸線，與推力軸線成角度α。因此，此作用力可以投影為沿推力方向的負推力。壓力引起的負推力表達式如下

式中：p為波紋管內(nèi)的壓力；Ae為波紋管有效截面積。

負推力的大小通過負推力試驗獲得，表3為試驗臺歷次進行的負推力試驗結(jié)果。

表3 負推力試驗結(jié)果Tab.3 Test results of negative thrust

由負推力試驗結(jié)果分析并根據(jù)試驗區(qū)平均大氣壓為0.093 MPa，可以得到以下關(guān)系：

a.液氧入口壓力與負推力的關(guān)系

λy=3.875 0/(0.55+0.093)=6.026 4 kN/MPa（絕壓）

b.煤油入口壓力與負推力的關(guān)系

λf=0.952 7/(0.20+0.093)=3.251 5 kN/MPa（絕壓）

為了減小負推力的影響，目前試驗系統(tǒng)采用發(fā)動機點火前-2 s的推力測量值作為負推力值對推力零位進行了修正，此時發(fā)動機推進劑入口已經(jīng)預(yù)增壓完畢，減小了負推力的影響。但由于發(fā)動機點火前-2 s的入口壓力與試驗過程中不一致，且試驗過程中發(fā)動機入口壓力在一定范圍內(nèi)實時變化，因此理想的修正方法應(yīng)根據(jù)入口壓力變化進行實時修正。修正方法見下面表達式：

式中：F-2為點火前-2 s的推力測量值，kN；pio-2和pif-2分別為點火前-2 s的發(fā)動機液氧和煤油入口壓力，MPa（絕壓）；pio和pif分別為試車過程中發(fā)動機液氧和煤油入口壓力，MPa（絕壓）。

2 波紋管的安裝要求

通過波紋管的仿真計算和試驗分析可知推力損失、低溫影響、負推力大小等因素都與波紋管的安裝狀態(tài)有關(guān)，主要分為波紋管安裝時的軸向壓縮量、豎向偏移量、傾斜角度和固定方式。通過分析總結(jié)出以下安裝要求：

1）波紋管在使用時不能使金屬網(wǎng)套受到牽扯力，因此安裝時必須有壓縮量，根據(jù)波紋管的長度及兩側(cè)管道的長度計算。在液氧溫度下，兩側(cè)管道的收縮量約為3 mm，而波紋管的金屬網(wǎng)套在低溫下也收縮，約1.5 mm。因此波紋管安裝時壓縮量要控制在5～10 mm，太小會使金屬網(wǎng)套受力影響動架受力狀態(tài)，太大影響波紋管的使用壽命。

2）安裝時要調(diào)整波紋管兩側(cè)的推進劑管道，使兩側(cè)管道的軸線重合，盡量減小波紋管的橫向偏移量，降低波紋管豎向應(yīng)力，也便于安裝。

3）波紋管的傾斜度受兩側(cè)管道的傾斜度的影響，要盡量使波紋管保持水平狀態(tài)，消除負推力。

4）波紋管兩側(cè)的管道分別固定在動架和定架上，固定要可靠，試驗中不允許產(chǎn)生位移或松動，以保證牽扯力值線性，避免發(fā)生滑移、碰撞等非線性受力影響，保證推力校準狀態(tài)與試車狀態(tài)一致。

3 結(jié)論

通過對某試驗臺液氧和煤油泵前管道推力分離面上的2臺水平波紋管的受力分析及波紋管在低溫狀態(tài)和受壓狀態(tài)下對推力測量的影響分析，得出以下結(jié)論：

1)試車時動架的位移引起波紋管豎向變形，產(chǎn)生推力損失，大小約1 kN，但該推力損失可以采用推力校準消除，不影響推力測量精度。

2)低溫下推力校準系數(shù)比常溫下推力校準系數(shù)大0.036 6%，采用常溫校準系數(shù)計算發(fā)動機推力時，推力值偏小，按1 200 kN計算，偏小了0.439 kN，因此，建議對常溫推力校準系數(shù)進行修正。

3)通過負推力試驗分析得到液氧和煤油管道入口壓力與負推力的關(guān)系為液氧6.026 4 kN/MPa、煤油3.251 5 kN/MPa，并提出了負推力表達式。

4)為減小波紋管的安裝狀態(tài)對推力測量的影響，提出波紋管的安裝要求，為波紋管的固定安裝提供了指導(dǎo)。

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