孫海雨,董宇峰,黃曉磊(西安航天動力研究所,陜西西安710100)
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泵壓式上面級發(fā)動機(jī)性能精度干擾因素研究
孫海雨,董宇峰,黃曉磊
(西安航天動力研究所,陜西西安710100)
摘要:性能精度是液體火箭發(fā)動機(jī)的一項(xiàng)重要指標(biāo),對于上面級發(fā)動機(jī)性能精度尤其重要。以某型泵壓式上面級發(fā)動機(jī)為研究對象,利用影響分析樹的方法識別了發(fā)動機(jī)生產(chǎn)、測試、性能調(diào)整過程中影響性能精度的干擾因素;針對所識別的干擾因素,通過仿真計(jì)算,得到了其偏差對發(fā)動機(jī)推力和混合比的影響。根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理,推導(dǎo)得到多項(xiàng)干擾因素影響概率的計(jì)算模型,并利用小子樣樣本對計(jì)算模型和程序的正確性進(jìn)行了驗(yàn)證。利用該概率計(jì)算模型,根據(jù)置信水平要求,確定了多項(xiàng)干擾因素對發(fā)動機(jī)性能的極限偏差影響。根據(jù)發(fā)動機(jī)性能精度要求,分解得到了單個干擾因素的控制目標(biāo)。
關(guān)鍵詞:上面級液體火箭發(fā)動機(jī);發(fā)動機(jī)性能精度;干擾因素;控制目標(biāo)
性能精度是液體火箭發(fā)動機(jī)一項(xiàng)重要指標(biāo),對于上面級液體火箭發(fā)動機(jī),其性能精度要求尤其嚴(yán)格。在液體火箭發(fā)動機(jī)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)及性能控制過程中,涉及產(chǎn)品加工裝配、組件測試,以及發(fā)動機(jī)性能調(diào)整等多個環(huán)節(jié)皆存在無法消除的偏差。例如,產(chǎn)品加工、裝配過程中的結(jié)構(gòu)尺寸公差,組件性能試驗(yàn)中系統(tǒng)的測試偏差,調(diào)整計(jì)算中的計(jì)算誤差,以及裝配中的誤差等等,均對發(fā)動機(jī)的實(shí)際性能精度產(chǎn)生干擾,需要對這些干擾進(jìn)行控制。
有效地識別強(qiáng)干擾因素并進(jìn)行控制是控制發(fā)動機(jī)性能精度的關(guān)鍵。為此,本文通過影響分析樹、仿真計(jì)算、統(tǒng)計(jì)學(xué)推導(dǎo)、小子樣樣本驗(yàn)證、一致性偏差干擾因素影響計(jì)算、性能精度指標(biāo)分解等途徑,對液體火箭發(fā)動機(jī)性能干擾因素和控制方法進(jìn)行了研究。
發(fā)動機(jī)的性能控制過程是根據(jù)流量、壓力、功率平衡的原理,在給定的發(fā)動機(jī)工作條件下(額度工作條件),以發(fā)動機(jī)入口壓力、推進(jìn)劑溫度、各組件流阻、性能計(jì)算關(guān)系式為輸入條件,通過選取節(jié)流元件,將發(fā)動機(jī)推力、流量調(diào)整到預(yù)期值。發(fā)動機(jī)各組件流阻特性主要是通過液流試驗(yàn)獲得,性能計(jì)算關(guān)系式通過理論及經(jīng)驗(yàn)修正公式獲得,皆依賴于試驗(yàn)的測量精度以及模型的準(zhǔn)確度;發(fā)動機(jī)入口壓力及推進(jìn)劑溫度由試驗(yàn)或使用單位調(diào)節(jié)保證。若發(fā)動機(jī)入口壓力、推進(jìn)劑溫度、各組件流阻特性或性能關(guān)系式偏離調(diào)整值,則發(fā)動機(jī)實(shí)際推力將偏離預(yù)期值,其偏離幅度即為發(fā)動機(jī)性能精度。
影響發(fā)動機(jī)性能精度的干擾因素可分為外部干擾因素和內(nèi)部干擾因素。外部干擾因素主要包括發(fā)動機(jī)入口壓力及推進(jìn)劑溫度,在發(fā)動機(jī)性能精度評定過程中,根據(jù)實(shí)際值對發(fā)動機(jī)性能進(jìn)行了外部干擾因素影響的修正,故在發(fā)動機(jī)性能精度研究過程中可不考慮外部干擾因素。
內(nèi)部干擾因素是指在發(fā)動機(jī)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)過程中,由于生產(chǎn)加工、試驗(yàn)測試、性能調(diào)整等環(huán)節(jié)的誤差,導(dǎo)致的發(fā)動機(jī)實(shí)際性能偏離設(shè)計(jì)性能。根據(jù)某型泵壓式上面級液體火箭發(fā)動機(jī)工作原理、系統(tǒng)組成,按組件將發(fā)動機(jī)性能精度干擾因素分為渦輪泵、燃?xì)獍l(fā)生器、推力室、閥門、總裝管路等5類;然后根據(jù)各組件工作特性細(xì)化分解得到對發(fā)動機(jī)性能可能產(chǎn)生影響的關(guān)鍵因素,將其確定為干擾因素,例如,渦輪泵共識別出6項(xiàng)干擾因素;最后,對所有組件的干擾因素進(jìn)行匯總,并形成了分析樹(見圖1),共得到該型發(fā)動機(jī)性能精度內(nèi)部干擾因素27項(xiàng)。
根據(jù)發(fā)動機(jī)工作原理,引入所識別出的干擾因素,建立發(fā)動機(jī)靜態(tài)仿真模型,計(jì)算干擾因素單獨(dú)作用時(shí)對發(fā)動機(jī)性能的影響。為一致評估各干擾因素的影響強(qiáng)度,將其進(jìn)行無量綱化處理,再對發(fā)動機(jī)性能偏差進(jìn)行無量綱化處理,最終確定其影響強(qiáng)度。
將發(fā)動機(jī)性能精度聚焦于推力和混合比。根據(jù)各干擾因素對發(fā)動機(jī)性能的影響,將其影響強(qiáng)度分為4個等級:在干擾因素偏差為10%的情況下,若造成的發(fā)動機(jī)性能偏差不大于1%,則該因素為弱影響因素;若造成的發(fā)動機(jī)性能偏差位于1%~4%,則該因素為一般影響因素;若造成的發(fā)動機(jī)性能偏差位于4%~10%,則該因素為強(qiáng)影響因素;若造成的發(fā)動機(jī)性能偏差大于10%,則該因素為超強(qiáng)影響因素。
2.1渦輪泵干擾因素影響強(qiáng)度
渦輪泵組件的干擾因素有6項(xiàng),分別為渦輪壓比偏差、渦輪效率偏差、氧化劑泵揚(yáng)程偏差、燃料泵揚(yáng)程偏差、氧化劑泵效率偏差和燃料泵效率偏差。利用發(fā)動機(jī)靜態(tài)仿真計(jì)算模型和程序,分別對該6項(xiàng)干擾因素在偏差為10%的情況下對發(fā)動機(jī)性能的影響進(jìn)行了仿真計(jì)算,具體如表1所示。分析可知:
1)渦輪壓比偏差為發(fā)動機(jī)推力的一般影響因素、混合比的弱影響因素;
2)渦輪效率偏差為發(fā)動機(jī)推力的超強(qiáng)影響因素、混合比的一般影響因素;
圖1 內(nèi)部干擾因素分析樹Fig.1 Analysis tree of interior interference factors
表1 渦輪泵干擾因素偏差10%對發(fā)動機(jī)性能的影響Tab.1 Influence of interference factors of turbopump with 10%deviations on engine performance
3)氧化劑泵和燃料泵揚(yáng)程偏差是發(fā)動機(jī)推力的強(qiáng)影響因素、混合比的超強(qiáng)影響因素;
4)氧化劑泵和燃料泵效率偏差是發(fā)動機(jī)推力的強(qiáng)影響因素、混合比的弱影響因素。
2.2燃?xì)獍l(fā)生器干擾因素影響強(qiáng)度
燃?xì)獍l(fā)生器的干擾因素有5項(xiàng),分別為燃?xì)釸T值偏差、燃?xì)饨^熱指數(shù)偏差、發(fā)生器室壓關(guān)系式偏差、氧化劑路流阻偏差和燃料路流阻偏差。利用發(fā)動機(jī)靜態(tài)仿真計(jì)算模型和程序,分別對該5項(xiàng)干擾因素在偏差為10%情況下對發(fā)動機(jī)性能的影響進(jìn)行了仿真計(jì)算,具體如表2所示,分析可知:
1)燃?xì)獍l(fā)生器燃?xì)釸T值偏差為發(fā)動機(jī)推力的超強(qiáng)影響因素、混合比的一般影響因素;
2)燃?xì)獍l(fā)生器燃?xì)饨^熱指數(shù)偏差為發(fā)動機(jī)推力的超強(qiáng)影響因素、混合比的一般影響因素;
3)燃?xì)獍l(fā)生器室壓-流量關(guān)系式偏差為發(fā)動機(jī)推力的強(qiáng)影響因素、混合比的一般影響因素;
4)燃?xì)獍l(fā)生器氧化劑路流阻偏差為發(fā)動機(jī)推力和混合比的弱影響因素;燃料流阻偏差為發(fā)動機(jī)推力的一般影響因素、混合比的弱影響因素。
表2 燃?xì)獍l(fā)生器干擾因素偏差10%對發(fā)動機(jī)性能的影響Tab.2 Influence of interference factors of gas-generator with 10%deviations on engine performance
2.3推力室干擾因素影響強(qiáng)度
推力室組件對發(fā)動機(jī)性能精度的干擾因素有4項(xiàng),分別為推力室比沖偏差、推力室室壓關(guān)系式偏差、推力室氧化劑路流阻偏差和推力室燃料路流阻偏差。利用發(fā)動機(jī)靜態(tài)仿真計(jì)算模型和程序,分別對該4項(xiàng)干擾因素在偏差為10%情況下對發(fā)動機(jī)性能的影響進(jìn)行了仿真計(jì)算,具體如表3所示,分析可知:
1)推力室比沖偏差為發(fā)動機(jī)推力的強(qiáng)影響因素,對發(fā)動機(jī)混合比無影響;
2)推力室室壓-流量關(guān)系式偏差為發(fā)動機(jī)推力的強(qiáng)影響因素、混合比的弱影響因素;
3)推力室流阻偏差是發(fā)動機(jī)推力的弱影響因素、混合比的一般影響因素。
表3 推力室干擾因素偏差10%對發(fā)動機(jī)性能的影響Tab.3 Influence of interference factors of thrust chamber with 10%deviations on engine performance
2.4閥門干擾因素影響強(qiáng)度
閥門組件對發(fā)動機(jī)性能精度的干擾因素有4項(xiàng),分別為氧化劑泵前隔離閥流阻偏差、燃料泵前隔離閥流阻偏差、氧化劑主閥流阻偏差和燃料主閥流阻偏差。利用發(fā)動機(jī)靜態(tài)仿真計(jì)算模型和程序,分別對該4項(xiàng)干擾因素在偏差為10%的情況下對發(fā)動機(jī)性能的影響進(jìn)行了仿真計(jì)算,具體如表4所示。
分析可知:閥門的4種干擾因素皆為發(fā)動機(jī)推力和混合比的弱影響因素。
表4 閥門干擾因素偏差10%對發(fā)動機(jī)性能的影響Tab.4 Influence of interference factors of valves with 10%deviations on engine performance
2.5總裝管路干擾因素影響強(qiáng)度
總裝管路對發(fā)動機(jī)性能精度的干擾因素有8項(xiàng),分別為氧化劑泵前管路流阻偏差、燃料泵前管路流阻偏差、氧化劑泵后管路流阻偏差、燃料泵后管路流阻偏差、氧化劑主系統(tǒng)流阻偏差、燃料主系統(tǒng)流阻偏差、氧化劑副系統(tǒng)流阻偏差和燃料副系統(tǒng)流阻偏差。利用發(fā)動機(jī)靜態(tài)仿真計(jì)算模型和程序,分別對該8項(xiàng)干擾因素在偏差為10%情況下對發(fā)動機(jī)性能的影響進(jìn)行了仿真計(jì)算,具體如表5所示,分析可知:
1)發(fā)動機(jī)泵前管路流阻、泵后管路流阻皆為發(fā)動機(jī)推力和混合比的弱影響因素;
2)主系統(tǒng)流阻偏差是發(fā)動機(jī)推力的弱影響因素,是發(fā)動機(jī)混合比的一般影響因素;
3)氧化劑副系統(tǒng)管路流阻偏差是發(fā)動機(jī)推力和混合比的弱影響因素;
4)燃料副系統(tǒng)管路流阻偏差是發(fā)動機(jī)推力參數(shù)的強(qiáng)影響因素、混合比的弱影響因素。
表5 總體管路干擾因素偏差10%對發(fā)動機(jī)性能的影響Tab.5 Influence of interference factors of pipes with 10%deviations on engine performance
2.6小結(jié)
該型發(fā)動機(jī)推力“強(qiáng)”以上干擾影響因素共計(jì)11項(xiàng),由強(qiáng)到弱為渦輪效率散差、燃?xì)饨^熱指數(shù)偏差、氧化劑泵揚(yáng)程偏差、燃?xì)釸T值偏差、燃?xì)獍l(fā)生器室壓關(guān)系式偏差、燃料泵效率偏差、推力室比沖性能偏差、氧化劑泵效率偏差、推力室室壓關(guān)系式偏差、燃料泵揚(yáng)程偏差、燃料副系統(tǒng)管路流阻偏差(見圖2);混合比“強(qiáng)”以上干擾因素有2項(xiàng),由強(qiáng)到弱分別為燃料泵揚(yáng)程偏差和氧化劑泵揚(yáng)程偏差(見圖3)。
圖2 發(fā)動機(jī)推力干擾因素強(qiáng)度Fig.2 Influence intensity of interference factors on engine thrust
圖3 發(fā)動機(jī)混合比干擾因素強(qiáng)度Fig.3 Influence intensity of interference factors on mixture ratio
在發(fā)動機(jī)工作過程中,有多種內(nèi)部干擾因素影響發(fā)動機(jī)性能。在發(fā)動機(jī)性能精度干擾因素控制過程中,面臨控制目標(biāo)選擇和制定的問題。若發(fā)動機(jī)共識別出M項(xiàng)干擾因素,在M項(xiàng)干擾因素綜合影響下,可能表現(xiàn)為N項(xiàng)(N≤M)一致性偏差,每項(xiàng)的出現(xiàn)存在一定的概率,可根據(jù)置信度水平反向計(jì)算出M項(xiàng)干擾因素影響中最多可出現(xiàn)的一致性偏差數(shù)量N。
3.1問題描述及采用的假設(shè)
1)發(fā)動機(jī)性能精度干擾因素的項(xiàng)數(shù)記為M,每項(xiàng)干擾因素對發(fā)動機(jī)性能的影響存在極限正偏差、極限負(fù)偏差和零偏差3種情況。
2)各項(xiàng)干擾因素之間互相獨(dú)立,其對發(fā)動機(jī)性能的影響也相互獨(dú)立。
3)不同干擾因素對發(fā)動機(jī)性能精度的影響可以互相抵消。
數(shù)學(xué)模型簡化為:共發(fā)生M項(xiàng)事件,每項(xiàng)事件有極限正偏差、極限負(fù)偏差和零偏差3種可能性,且每兩項(xiàng)事件間可相互抵消,求M項(xiàng)事件發(fā)生相互抵消后存在N項(xiàng)及以上極限正偏差或負(fù)偏差的概率。
3.2計(jì)算模型推導(dǎo)
由于
所以
而
P1(抵消后存在N項(xiàng)及以上正偏差)
所以首先需要計(jì)算M個事件抵消后有k個為正的概率。
“抵消之后,有k個為正”有如下兩種可能:1) 有k個正,其余全為零;2) 有k+i個正的,還有i個負(fù)的,剩下的為零(i=1,2,…且)。第一種情況可以歸結(jié)到第二種情況里,對應(yīng)于i=0的情形。所以:
將公式(4)代入到公式(3)和(2)中,并整理最后得到:共發(fā)生M項(xiàng)事件中相互抵消后存在N項(xiàng)及以上極限正偏差或N項(xiàng)及以上極限負(fù)偏差的概率為
3.3計(jì)算模型和程序的正確性驗(yàn)證
根據(jù)公式(5)編制了計(jì)算程序,并利用小子樣數(shù)據(jù)(當(dāng)M=2和M=3時(shí))驗(yàn)證了計(jì)算模型和程序的正確性,具體如下:
1)對于M=2的情形,正偏差、負(fù)偏差和零偏差分別用+、0、-表示,事件發(fā)生共有9種可能,分別為“++、+0、+-、0+、00、0-、-+、-0、--”。
其中正負(fù)抵消后有1個為正的事件為2個(+0、0+),正負(fù)抵消后有2個為正的事件為1個(++);正負(fù)抵消后有1個為負(fù)的組合為2個(-0、0-),正負(fù)抵消后有2個為負(fù)的組合為1個(--)。所以,1個及以上為正或1個及以上為負(fù)的概率為6/9=0.666 67,2個及以上為正或2個及以上為負(fù)的概率為2/9=0.222 22。
利用公式(5)及所編制程序計(jì)算的1個及以上為正或1個及以上為負(fù)的概率為0.66667,2個及以上為正或2個及以上為負(fù)的概率為0.222 22,計(jì)算結(jié)果與小子樣枚舉法結(jié)果一致。
2)對于M=3的情形,正偏差、負(fù)偏差和零偏差分別用+、0、-表示,事件發(fā)生共有27種可能,分別為“+++、++0、++-、+0+、+00、+0-、+-+、+-0、+--、0++、0+0、0+-、00+、000、00-、0-+、0-0、0--、-++、-+0、-+-、-0+、-00、-0-、--+、--0、---”。
其中正負(fù)抵消后有1個為正的事件為6個(++-、+00、+-+、0+0、00+、-++),正負(fù)抵消后有2個為正的事件為3個(++0、+0+、0++),正負(fù)抵消后有3個為正的組合為1個(+++)。所以,1個及以上為正或1個及以上為負(fù)的概率為20/27=0.740 741,2個及以上為正或2個及以上為負(fù)的概率為8/27=0.296 30,3個及以上為正或3個及以上為負(fù)的概率為2/27=0.074 074。
利用公式(5)及所編制程序計(jì)算的1個及以上為正或1個及以上為負(fù)的概率為0.740 741,2個及以上為正或2個及以上為負(fù)的概率為0.296 30,3個及以上為正或3個及以上為負(fù)的概率為0.074 074,計(jì)算結(jié)果與小子樣枚舉法結(jié)果一致。
根據(jù)公式(5)得到了M項(xiàng)干擾因素中,相互抵消、綜合影響造成N項(xiàng)(N≤M)一致性偏差概率的計(jì)算模型,利用計(jì)算程序得到27項(xiàng)干擾因素對發(fā)動機(jī)性能精度的影響中,出現(xiàn)N項(xiàng)及以上一致性(極限正偏差或極限負(fù)偏差)偏差的概率,具體如圖4和表6所示。
圖4 N項(xiàng)及以上一致干擾偏差發(fā)生的概率Fig.4 Probability of appearing N or more uniform interference deviations
表6 N項(xiàng)及以上一致干擾偏差發(fā)生的概率Tab.6 Probability of appearing N or even more uniform interference deviations
根據(jù)計(jì)算結(jié)果查圖和表可知,27項(xiàng)干擾因素中,出現(xiàn)10項(xiàng)及以上干擾因素造成發(fā)動機(jī)性能出現(xiàn)一致性偏差的可能性為0.0241。若要求發(fā)動機(jī)性能精度控制置信度為0.97,則在該置信水平下可確定,27項(xiàng)干擾因素中最高只可能對發(fā)動機(jī)性能精度造成10項(xiàng)的一致性偏差。
根據(jù)給定的置信度水平確定干擾因素影響一致性偏差的最高項(xiàng)數(shù),進(jìn)而根據(jù)發(fā)動機(jī)性能偏差總要求,分解得到每項(xiàng)干擾因素對發(fā)動機(jī)性能精度影響的控制目標(biāo)。例如,若某發(fā)動機(jī)性能精度控制總要求為5%,而在0.97置信度下,27項(xiàng)干擾因素綜合作用下,最多只能造成發(fā)動機(jī)性能精度出現(xiàn)10項(xiàng)一致性偏差,則將27項(xiàng)干擾因素每項(xiàng)的影響控制目標(biāo)確定為5%/10=0.5%。
1)所研究的泵壓式上面級發(fā)動機(jī)共識別出內(nèi)部干擾因素27項(xiàng),其中渦輪效率偏差等11項(xiàng)干擾因素對發(fā)動機(jī)推力影響強(qiáng)烈,燃料泵揚(yáng)程偏差和氧化劑泵揚(yáng)程偏差2項(xiàng)干擾因素對發(fā)動機(jī)混合比影響強(qiáng)烈。這些干擾因素若發(fā)生10%的偏差,將單獨(dú)造成發(fā)動機(jī)推力或混合比出現(xiàn)超過4%的偏差。
2)利用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理,推導(dǎo)得到“M項(xiàng)干擾因素綜合影響下,造成發(fā)動機(jī)性能精度出現(xiàn)N項(xiàng)及以上一致性干擾影響偏差的概率”計(jì)算模型。利用小子樣舉列對比,驗(yàn)證了該計(jì)算模型和相關(guān)計(jì)算程序的正確性。
3)計(jì)算得到某型泵壓式上面級發(fā)動機(jī)27項(xiàng)干擾因素綜合作用下,造成發(fā)動機(jī)性能精度出現(xiàn)N項(xiàng)(N=1,2,…,27)及以上一致性偏差的概率,該概率隨N數(shù)量遞減。
4)在0.97置信度下,27項(xiàng)干擾因素中最多只能出現(xiàn)10項(xiàng)一致性偏差,據(jù)此將27項(xiàng)干擾因素對發(fā)動機(jī)性能的影響控制目標(biāo)定為不大于0.5%,此時(shí)可確保發(fā)動機(jī)總性能偏差不大于5%。
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(編輯:陳紅霞)
中圖分類號:V434-34
文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A
文章編號:1672-9374(2016)03-0033-08
收稿日期:2015-08-26;修回日期:2015-10-18
基金項(xiàng)目:國家863項(xiàng)目(2012AA702302)
作者簡介:孫海雨(1983—),男,高級工程師,研究領(lǐng)域?yàn)橛詈酵七M(jìn)理論與工程
Influence of interference factors on performance and
accuracy of turbopump-fed upper stage liquid rocket engine
SUN Haiyu,DONG Yufeng,HUANG Xiaolei
(Xi'an Aerospace Propulsion Institute,Xi'an 710100,China)
Abstract:Performance precision is an important control objective in manufacture of liquid rocket engines,especially for upper stage liquid rocket engines.In this paper,a certain turbopump-fed upper stage liquid rocket engine is taken as an object of study.The interference factors that affect manufacture,testing and performance adjustment are recognized by using analysis-tree method. According to these recognized interference factors,the influence of deviation on the engine thrust and mixture ratio were found by means of simulation calculation.The calculation model of affecting the probability by the interference factors was obtained by derivation based on principle of statistics.The correctness of the calculation model and program were validated with small sub-samples.According to the requirement of the confidence level,the effects of the limit deviation of interference factors on engine performance were determined by means of the probability model.The control objective of each single interference factor was obtained according to the requirement of the performance and precision.
Keywords:upper stage liquid rocket engine;engine performance precision;interference factor;control objective