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        液體火箭艙段熱環(huán)境保障系統(tǒng)仿真及試驗(yàn)研究

        2018-07-06 09:24:32遲鵬陽黃小春孫軍超何志超
        關(guān)鍵詞:環(huán)境質(zhì)量模型

        遲鵬陽,黃小春,孫軍超,何志超

        0 引 言

        新一代運(yùn)載火箭采用-252 ℃液氫和-183 ℃液氧低溫推進(jìn)劑,導(dǎo)致艙段內(nèi)溫度較低,超出了一般儀器設(shè)備的溫度使用范圍,致使部分儀器設(shè)備于低溫環(huán)境下工作,另外低溫環(huán)境還可能導(dǎo)致艙內(nèi)空氣結(jié)露或結(jié)冰,影響設(shè)備可靠性[1~3],為滿足簡(jiǎn)易發(fā)射要求,需要熱環(huán)境保障系統(tǒng)來保障艙段內(nèi)溫濕度。俄羅斯的Zenit運(yùn)載火箭和Proton系列火箭均采用射前脫落熱環(huán)境保障系統(tǒng)[4,5],目前中國(guó)僅有孫培杰在文獻(xiàn)[6]中對(duì)熱環(huán)境保障系統(tǒng)做了詳細(xì)介紹,并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)分析,分別對(duì)不加注液氧工況和加注液氧工況兩個(gè)狀態(tài)進(jìn)行了試驗(yàn),但未對(duì)系統(tǒng)流量分配進(jìn)行分析。本文介紹了熱環(huán)境保障系統(tǒng)工作原理,分析了關(guān)鍵參數(shù)對(duì)系統(tǒng)流量分配的影響,利用AMESim建立了熱環(huán)境保障系統(tǒng)仿真模型,以仿真分析與試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法,對(duì)孔板喉部面積組合進(jìn)行全面的分析研究,并進(jìn)行了試驗(yàn)研究,為液體火箭艙段熱環(huán)境保障系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及流量合理分配提供一定的參考依據(jù)。

        1 熱環(huán)境保障系統(tǒng)理論分析

        1.1 熱環(huán)境保障系統(tǒng)原理

        熱環(huán)境保障系統(tǒng)原理如圖 1所示,采用熱氮環(huán)路送風(fēng),箭上系統(tǒng)采用送風(fēng)主管和支管、艙內(nèi)溫度和濕度傳感器、箭體尾部插拔連接器和箭體內(nèi)部環(huán)形管路布局,每個(gè)環(huán)管前有一個(gè)孔板,進(jìn)行系統(tǒng)流量分配。該系統(tǒng)四周均勻送風(fēng),需要的風(fēng)量小,溫度均勻性好,箭體外管路沿導(dǎo)管整流罩布置,不用其他附屬設(shè)備,起飛時(shí)與箭體脫落,能保證低溫艙段溫度維持在要求的范圍內(nèi)。

        圖1 熱環(huán)境保障系統(tǒng)原理Fig.1 The Schematic of Thermal Environment Control System

        1.2 熱環(huán)境保障系統(tǒng)理論分析

        由于孔板喉部氣流流速較大,質(zhì)量流量保持不變,連續(xù)性方程如下:

        式中mq為孔板質(zhì)量流量;ρ為氣體密度;u為流體流動(dòng)速度;A為管道截面積;C為常數(shù)。

        對(duì)式(1)作如下演算:

        則,連續(xù)性方程的微分形式為

        動(dòng)量方程的微分形式為

        式中 p為絕對(duì)壓力;xd為氣體微團(tuán)長(zhǎng)度;τ0為xd微段管壁作用在氣體上的摩擦切應(yīng)力;D為x處的管徑。

        由RTpρ=,R為氣體常數(shù),可以得出氣體狀態(tài)方程的微分形式為

        式中 T為溫度;。

        與外界無熱功交換的一元定常流動(dòng)的能量方程的微分形式為

        式中 h為位置高度。

        將管路氣體流出孔板視為理想氣體流過收縮管,孔板外界壓力Ρb基本等于大氣壓力,即Ρb≤0.528Ρ0時(shí),孔板出口馬赫數(shù)大于 1,且出口壓力 Ρc大于孔板外界壓力,Ρc>Ρb,所以超臨界流動(dòng)的質(zhì)量流量為

        式中 C為流量系數(shù);Ρ0為管路內(nèi)總壓力;T0為管路內(nèi)總溫度;Ac為出口面積;k為絕熱指數(shù),氮?dú)饨^熱指數(shù)=1.402;氮?dú)鈿怏w常數(shù)=0.2968 kJ/(kg﹒K)。

        該系統(tǒng)為并聯(lián)系統(tǒng),總質(zhì)量流量qmz等于n個(gè)分支上元件的質(zhì)量流量qmi之和,有

        根據(jù)并聯(lián)回路的總壓降ΡΔ等于每個(gè)分支上元件兩端壓降之和,有

        當(dāng)全部元件都處于壅塞流態(tài)下,并聯(lián)回路的有效截面積[7]:

        2 仿真模型建立與仿真分析

        采用AMESim軟件提供的氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)庫,面向?qū)嶋H系統(tǒng)對(duì)艙段熱環(huán)境保障系統(tǒng)建模,根據(jù)超臨界流動(dòng)的質(zhì)量流量公式,搭建孔板喉部面積控制部分,艙段熱環(huán)境保障系統(tǒng)仿真模型示意如圖2所示[8,9],模型參數(shù)設(shè)置如下,主管直徑為 14 mm,支管直徑為14 mm,孔板出口三通及環(huán)管直徑為20 mm。

        圖2 艙段熱環(huán)境保障系統(tǒng)AMESim仿真模型示意Fig.2 The AMESim Simulation Model of Thermal Environment Control System

        在模型中設(shè)置孔板理論需求出口流量qm',其中, qm1'=250 g/s,qm2'=360 g/s,qm3'=310 g/s,qm4'=190 g/s,qm5'=120 g/s,qm6'=190 g/s,qm7'=90 g/s,運(yùn)行仿真模型后得到相應(yīng)孔板喉部面積k,k1=4.94 mm2,k2=7.24 mm2,k3=6.58 mm2,k4=4.14 mm2,k5=2.60 mm2,k6=4.40 mm2,k7=2.10 mm2,由此計(jì)算出孔板喉部直徑d,d1=2.51 mm,d2=3.04 mm,d3=2.89 mm,d4=2.30 mm,d5=1.82 mm,d6=2.37 mm,d7=1.64 mm。圖3為孔板仿真出口流量曲線,由圖4可知,孔板距離送風(fēng)入口越遠(yuǎn),其出口流量趨于穩(wěn)定時(shí)間越長(zhǎng);根據(jù)仿真曲線得到,qm1=249.37 g/s,qm2=359.09 g/s,qm3=309.22 g/s,qm4=189.52 g/s,qm5=119.70 g/s,qm6=189.53 g/s,qm7=89.77 g/s,與理論流量qm'近似,驗(yàn)證了模型控制部分的正確性。

        圖3 孔板出口流量仿真曲線Fig.3 The Flow Simulation Curve of Plate Outlet

        3 試驗(yàn)及結(jié)果分析

        為了對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,利用配氣臺(tái)和合練箭艙段熱環(huán)境保障系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn),配氣臺(tái)實(shí)物如圖 4所示。

        圖4 配氣臺(tái)實(shí)物Fig.4 The Physical Map of Gas Distribution Station

        試驗(yàn)原理如圖 5所示。氣源為氮?dú)庠?,配氣臺(tái)的艙段熱環(huán)境保障支路包括手動(dòng)截止閥、機(jī)械壓力表、電子壓力表、減壓閥、流量計(jì)、安全閥和過濾器等,配氣臺(tái)至箭體管路上連接一個(gè)濾網(wǎng)過濾器和一個(gè)麂皮過濾器。在孔板前各安裝一塊壓力表。送風(fēng)壓力為22.6 MPa,送風(fēng)時(shí)間5 min。

        圖5 試驗(yàn)原理Fig.5 The Test Schematic

        配氣臺(tái)送風(fēng)入口溫度近似為孔板前氣體溫度,根據(jù)孔板前壓力,計(jì)算出孔板質(zhì)量流量,試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1,從表1可以看出,孔板質(zhì)量流量和仿真流量基本保持一致,說明該模型能夠反映實(shí)際系統(tǒng)工作情況。

        表1 孔板實(shí)際質(zhì)量流量與理論流量對(duì)比Tab.1 Comparison of Actual Mass Flow and Theoretical Flow of Orifice Plate

        4 結(jié)束語

        對(duì)低溫艙段熱氮環(huán)路送風(fēng)熱環(huán)境保障系統(tǒng)工作原理進(jìn)行研究,并對(duì)系統(tǒng)流量分配做了理論分析,運(yùn)用AMESim軟件建立了低溫艙段熱氮環(huán)路送風(fēng)熱環(huán)境保障系統(tǒng)仿真模型,依據(jù)系統(tǒng)實(shí)際參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。仿真得出孔板喉部直徑,同時(shí)仿真曲線表明孔板距離送風(fēng)入口越遠(yuǎn),其出口流量趨于穩(wěn)定越慢;通過試驗(yàn)計(jì)算孔板實(shí)際質(zhì)量流量,與仿真流量基本一致,表明模型的正確性,為今后其他型號(hào)熱環(huán)境保障系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和流量分配提供了理論依據(jù)。

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