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(北京強度環(huán)境研究所，北京 100076)

0 引言

目前，我國航天事業(yè)蓬勃發(fā)展，新一代運載火箭相繼研制并發(fā)射成功[1]，其燃料貯箱、級間段、整流罩、測試測量、控制等均為全新研制。具有“冰箭”之稱的長征五號運載火箭采用低溫燃料液氫和液氧，因此需要開展一系列低溫試驗以考核貯箱、輸送管路等相關(guān)結(jié)構(gòu)是否能夠在低溫條件下承載火箭的動態(tài)和靜態(tài)載荷。為此，研制了低溫加注增壓試驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)以液氮代替液氫和液氧作為試驗介質(zhì)，其加注量從60立方到400 立方不等，最大加載能力1.6 MPa。采用可編程控制器構(gòu)建了高可靠的測控系統(tǒng)，系統(tǒng)高度自動化。所有操作均具備遠程的手動控制和自動控制兩種模式，系統(tǒng)更加安全可靠，試驗風險大大降低。

1 低溫加注增壓試驗系統(tǒng)

如圖1所示，低溫加注增壓試驗系統(tǒng)由液氮容器、緩沖罐、試驗貯箱、液/氣路、各類傳感器和手/自動閥和測控系統(tǒng)組成。

圖1 低溫試驗系統(tǒng)原理圖

液氮容器為壓力容器，用于存儲液氮和氮氣。在試驗準備階段，可通過液氮容器內(nèi)的氮氣對試驗管路、試驗貯箱和緩沖罐進行吹除和預(yù)冷。在加注過程中，液氮容器能夠?qū)⒂梢旱圮嚭蛷S區(qū)輸入的不穩(wěn)定的液氮緩沖，起到穩(wěn)定流量的作用。汽化器E-1負責將液氮容器內(nèi)的一部分液氮汽化，提供液氮容器的自增壓氣體，使液氮容器維持一定壓力。汽化器E-2負責在增壓試驗中將液氮汽化進行增壓試驗。與試驗貯箱相連的緩沖罐用于加大氣枕空間，起到平衡穩(wěn)壓、緩沖壓力波動的作用，實現(xiàn)壓力的高精度控制。壓力傳感器、溫度傳感器、流量傳感器、液位傳感器是感知器，實時測量試驗過程參數(shù)。位于管路上的各類手動閥和自動閥是執(zhí)行器，在控制系統(tǒng)作用下完成液氮加注和增壓工藝。

2 試驗系統(tǒng)的測控技術(shù)

2.1 關(guān)鍵參數(shù)的測量

2.1.1 流量測量

低溫加注試驗中通過流量來計算液氮加注量，因此流量測量是該系統(tǒng)最重要的一項。在加注過程中，特別是加注初期，部分液氮蒸發(fā)變成氮氣，與液氮形成液氣兩相介質(zhì)通過管路加入到試驗箱內(nèi)，因此在流量測量中必須考慮兩相流的流量測量。為了準確測量兩相介質(zhì)的流量，近年來研制了新型低溫質(zhì)量流量計，即采用質(zhì)量測量方法進行流量測量，為克服兩相流給流量測量帶來的誤差起了關(guān)鍵作用。

采用低溫渦街流量變送器進行質(zhì)量流量測量的原理是：當在流體內(nèi)插入一個阻力體，流體流過該阻力體產(chǎn)生旋渦，并形成旋渦列，此漩渦列與流量之間的關(guān)系如下[3]：

由于在一定條件下，管道內(nèi)徑D、斯特勞哈爾數(shù)St1、流通面積與管道面積之比m、旋渦發(fā)生體特征寬度m均為常數(shù)，因此測量旋渦列的頻率f，即可得到流量Q。

測得流量后，通過對時間的積分運算得到總的液氮加注量。

2.1.2 液位測量

低溫加注試驗中通過試驗箱的液位計算液氮加注量，作為流量測量的一個補充和驗證。而試驗箱箱體內(nèi)部一般沒有諸如差壓式、電容式、浮標等形式的液位計，在試驗中一般也無法在箱體或者其他部位安裝液位計，因此必須通過間接形式測量試驗箱內(nèi)的液位。在試驗箱體加注液氮后，液氮液面以下低至-196 ℃，液面以上的溫度與液面的距離反作用關(guān)系：離液面越近，溫度越低；反之，溫度越高。由此，本系統(tǒng)中通過在箱體外部間隔布置熱電阻測點，通過測量箱體的溫度來間接得到試驗箱內(nèi)的液位。

在低溫測量過程中，當測量導線材質(zhì)不同并且存在溫度差時，在導線上將產(chǎn)生熱電勢，從而引入測量誤差[5]。因此，在選用測量引線時，使用同一型號、同一批次、甚至同一線軸上連續(xù)截取的純質(zhì)導線作為測量線，最大限度減小溫度的測量誤差。

由于通過溫度測量液位的方法存在一定的滯后，因此在加注到接近試驗規(guī)定值時，需要通過控制加注閥來降低加注速率以避免過加注。

2.1.3 壓力測量

一方面，注入到試驗箱內(nèi)的液氮在周圍環(huán)境溫度的作用下會發(fā)生汽化，造成箱內(nèi)壓力的升高。另一方面，在液氮加注完畢后的增壓試驗中，正是通過向試驗箱注入汽化的氮氣來進行增壓試驗。如果加注試驗中試驗箱內(nèi)壓力過高，超過試驗箱體承載能力，將導致箱體破裂，不僅試驗失敗，還會造成巨大財產(chǎn)損失，嚴重的還會引發(fā)試驗事故。如果壓力測量不準確，導致試驗數(shù)據(jù)無效，以該無效的數(shù)據(jù)作為研制依據(jù)，最終可能引起火箭發(fā)射的失敗。因此，壓力測量是該系統(tǒng)另一項重要的測量和控制參數(shù)。

低溫壓力參數(shù)可以用低溫壓力傳感器和常溫壓力傳感器來測量。低溫壓力傳感器耐低溫，可以直接安裝，但是仍然存在零位漂移，而且其產(chǎn)品成本和校準成本都比較高。常溫壓力傳感器的一般溫度范圍是-40～80℃[6]，用于低溫測量時必須連接合適長度的測壓管，利用測壓管中的空氣將低溫介質(zhì)與傳感器膜片隔離，傳感器的膜片基本處于常溫或略低于常溫。本試驗系統(tǒng)中，采用常溫型的薄膜壓力傳感器進行壓力測量，測量范圍0～1.6 MPa，其測壓管長度2米，內(nèi)徑4毫米。

2.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)完成液氮加注和氮氣增壓過程的控制。

2.2.1 測控系統(tǒng)組成

如圖2所示，控制系統(tǒng)由位于控制間的可編程控制器和監(jiān)控計算機、手動控制臺、連接線纜以及位于試驗現(xiàn)場的閥門和傳感器等部分組成。

圖2 控制系統(tǒng)組成框圖

可編程序控制器選用西門子公司S7-300系列PLC產(chǎn)品，包括CPU模塊、數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、以太網(wǎng)通訊模塊、PROFIBUS通訊模塊等。數(shù)字輸入模塊一方面連接手動操作臺，采集手動按鍵的狀態(tài)，實現(xiàn)手動控制；另一方面連接現(xiàn)場各類開關(guān)閥的反饋，采集開關(guān)閥的開關(guān)狀態(tài)。數(shù)字輸出模塊連接到現(xiàn)場的開關(guān)閥，根據(jù)工藝流程控制閥的開關(guān)，配合液路和氣路完成置換、加注和增壓等工作。模擬輸入模塊連接現(xiàn)場的溫度、壓力、流量等傳感器，完成過程參數(shù)的采集。模擬輸出模塊連接現(xiàn)場的比例調(diào)節(jié)閥，實現(xiàn)精確的加注和增壓控制。主控CPU模塊完成系統(tǒng)采集、控制和通訊等任務(wù)。以太網(wǎng)連接監(jiān)控計算機，完成數(shù)據(jù)發(fā)送和指令接受。PROFIBUS通訊接口與廠房的其他系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)更大范圍的自動化系統(tǒng)。

監(jiān)控計算機通過以太網(wǎng)與PLC通訊，將采集到的閥門及重要參數(shù)的變化情況以動態(tài)形式顯示在工藝流程圖上。同時，試驗人員操作虛擬開關(guān)對所有閥門參數(shù)進行實時控制及設(shè)定，并通過以太網(wǎng)下發(fā)給PLC執(zhí)行。監(jiān)控計算機在整個試驗過程中實時存儲重要參數(shù)，形成歷史記錄。

根據(jù)試驗系統(tǒng)安全性和可靠性要求以及試驗場地的布局，低溫加注控制間距加注受控設(shè)備在200米以上。因此，傳輸中的信號衰減，抗干擾等成長線傳輸要解決的重點問題[7]。本系統(tǒng)選取4～20 mA電流環(huán)傳輸采集和控制信號。

位于液氮貯箱和管路以及試驗箱體上的液位傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器和流量傳感器以及開關(guān)閥、比例調(diào)節(jié)閥等構(gòu)成測控系統(tǒng)的感知層和執(zhí)行層。

2.2.2 數(shù)字控制算法

在可編程控制器中，模擬采集模塊先對液位、溫度、壓力和流量等模擬量參數(shù)進行調(diào)理和采樣，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換，把模擬量變成數(shù)字量，然后傳給CPU。這些數(shù)字量在CPU內(nèi)按數(shù)字控制算法進行運算處理，運算結(jié)果通過數(shù)模轉(zhuǎn)換把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，通過輸出口送到執(zhí)行機構(gòu)控制被調(diào)量，使其達到設(shè)定值。低溫加注系統(tǒng)的被調(diào)參數(shù)，無論是壓力還是流量等參數(shù)，在氣液兩相狀態(tài)并存的環(huán)境條件下難以尋求到精確的數(shù)學模型。采用PID調(diào)節(jié)技術(shù)可以使復雜的工程問題得以解決，所以，數(shù)字PID調(diào)節(jié)技術(shù)比較適合于低溫加注系統(tǒng)的特點。對于該系統(tǒng)來說，在比例系數(shù)P、積分系數(shù)I和微分系數(shù)D的整定過程中，主要追求系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，響應(yīng)速度和系統(tǒng)帶寬放在第二位。

2.2.3 壓力的高精度控制

試驗介質(zhì)液氮的沸點是77K(-196℃)，在試驗過程中，它極其容易汽化。同時，大量液氮的存在導致低溫氮氣也很容易冷凝。因此試驗時由于液氮蒸發(fā)會造成貯箱壓力上升，低溫氮氣冷凝又會造成貯箱壓力下降，因此壓力波動較大。另一方面，試驗貯箱的氣枕壓力空間較小，導致壓力控制起來精度不高。

該系統(tǒng)中通過增加一個與試驗箱體相連的緩沖罐來加大氣枕空間起到平衡穩(wěn)壓、緩沖壓力波動的作用，通過調(diào)節(jié)緩沖罐排放閥實現(xiàn)貯箱壓力高精度控制。

貯箱增壓時，汽化器將液氮轉(zhuǎn)化為氮氣通過增壓閥門沿增壓管路將氣體輸送至貯箱。貯箱排氣時，貯箱排氣口通過排氣口排氣管路與緩沖罐相連，而在緩沖罐上安裝有三種規(guī)格的低溫截止閥組合成排氣閥組，控制器通過控制進氣閥與排氣閥組的開啟和關(guān)閉來實現(xiàn)壓力的穩(wěn)定。

圖3 壓力控制流程

如圖3所示是壓力控制流程。貯箱處于增壓狀態(tài)時，某級別增壓到壓力值設(shè)為P1，采集到的壓力值為P2，當P1-P2≤0.005 MPa時，關(guān)閉增壓閥，停止增壓；否則，打開增壓閥，進行增壓。當P2-P1≥0.005 MPa時，打開泄壓閥，進行泄壓；否則，關(guān)閉泄壓閥，停止泄壓。到達增壓級別后，發(fā)出增壓級別到信號給載荷測量設(shè)備，載荷測量設(shè)備開始測量載荷。待收到載荷測量設(shè)備返回的“繼續(xù)增壓”信號，并且增壓級別未完時，開始下一級增壓。

2.3 監(jiān)控報警系統(tǒng)

由于采用液氮為試驗介質(zhì)，因此無論是在試驗過程中試驗件的破損，還是試驗完畢后的泄壓，都會在瞬間泄出大量液氮，為了試驗人員的安全性，增加了氧氣濃度監(jiān)測和視頻監(jiān)測。

1)氧氣濃度監(jiān)測。

氧濃度監(jiān)測系統(tǒng)通過氧濃度探頭探測本系統(tǒng)測控間及總系統(tǒng)測控間氧氣濃度，并通過報警主機處理判斷完成濃度監(jiān)測工作, 能夠及時提醒操作人員，保證操作人員的人身安全。

2)視頻監(jiān)視。

視頻監(jiān)視系統(tǒng)由視頻記錄器、監(jiān)視器和5個攝像頭等組成。其中4個攝像頭在貯箱安裝塔架水平方向上90度均勻分布，固定于相關(guān)外圍設(shè)備上，1個攝像頭安裝立柱架上，攝制貯箱全景，可監(jiān)視貯箱狀態(tài)。視頻信號可由視頻記錄主機通過硬盤存儲，同時通過顯示器分屏顯示。在控制間可對攝像頭進行全方位控制。

3 某液氧貯箱的爆破試驗

為了考核某低溫貯箱的極限承載能力，進行了低溫加注增壓爆破試驗。如圖4所示，液氮加注分為十三個級別逐級加注，每一級別加注完畢，測得壓力穩(wěn)定一段時間后通過控制器向載荷測量系統(tǒng)發(fā)出測量信號。待接受到載荷測量系統(tǒng)返回的測量完畢信號后進行下一級加注，如此直至加注完畢。加注完畢后，以同樣的方式開始液氮汽化增壓加壓過程。

圖4 貯箱爆破試驗的液氮加注和加壓曲線

由圖4可知，加注和增壓過程控制平穩(wěn)，無過沖發(fā)生。本次試驗驗證了貯箱達到了設(shè)計極限載荷，獲得了極限承壓能力及破壞模式，不但保證了試驗的安全，降低了試驗成本，也為該貯箱研制提供了有力支撐，更為長征五號運載火箭首飛成功奠定堅實基礎(chǔ)。

4 結(jié)束語

自該低溫加注增壓試驗系統(tǒng)正式投入使用以來，進行了大量的結(jié)構(gòu)強度和環(huán)境試驗驗證工作。基于該系統(tǒng)開展了低溫靜力試驗自動加載技術(shù)研究，實現(xiàn)了液氮低溫介質(zhì)加注、泄出按流量自動控制，貯箱內(nèi)壓和軸壓、彎、剪力等載荷的自動協(xié)調(diào)加載，完成了包括新一代運載火箭一、二級氫箱和一、二級氧箱所有5 m直徑的大型貯箱的液氮介質(zhì)低溫靜力試驗，以及一級氧箱的爆破試驗等，獲得了完整的試驗數(shù)據(jù)，為運載火箭的研制和成功發(fā)射奠定了基礎(chǔ)[9]。

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