王 梁，李 根，孫 賀，劉卓然，王洪麗

(北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京 100076)

0 引言

液體火箭推進劑貯箱在射前流程中要進行地面增壓，以滿足發(fā)動機點火啟動時的初始壓力要求。目前貯箱地面增壓方式主要包括3種：手閥控制增壓、基于壓力傳感器控制電磁閥增壓和基于壓力信號器控制電磁閥增壓。手閥控制增壓是通過地面配氣臺崗位人員操作增壓供氣手動截止閥給貯箱充氣至要求值，該方式無法實現(xiàn)遠程控制，目前主要應用于國內(nèi)常規(guī)推進劑運載火箭；基于壓力傳感器控制貯箱增壓是在地面配氣臺的貯箱測壓氣路上設置壓力傳感器器或直接利用箭上貯箱壓力傳感器采集貯箱壓力數(shù)據(jù)，通過軟件設置控制增壓供氣電磁閥啟閉，實現(xiàn)貯箱自動增壓，該方式可以實現(xiàn)遠程控制，但對動力測控系統(tǒng)軟件設計提出更高的要求，目前主要應用于國內(nèi)新研型號低溫運載火箭；基于壓力信號器控制貯箱增壓是在地面配氣臺的貯箱測壓氣路上設置壓力信號器，通過壓力信號器通斷來控制增壓供氣電磁閥啟閉，實現(xiàn)貯箱自動增壓，該方式技術(shù)簡單可靠，同時又能實現(xiàn)遠程控制，目前仍廣泛應用于我國現(xiàn)役某些成熟型號運載火箭。本文將結(jié)合發(fā)射場實際應用情況對基于壓力信號器控制的貯箱地面增壓技術(shù)進行介紹分析，為同類技術(shù)應用提供參考。

1 基本組成及工作原理

基于壓力信號器控制的貯箱地面增壓系統(tǒng)基本組成如圖1所示，主要包括：增壓電磁閥、節(jié)流孔板、壓力信號器、供氣管路及動力繼電器機柜。其中，增壓電磁閥用于控制氣路通斷；節(jié)流孔板用于控制充氣流量；壓力信號器通過測壓管路與貯箱氣相空間連通，用于控制增壓繼電器電路通斷；動力繼電器機柜內(nèi)設增壓繼電器用于控制增壓電磁閥電路通斷，增壓控制基本電路如圖2所示。

圖1 貯箱地面增壓系統(tǒng)基本組成Fig.1 Basic components of tank ground pressurization system

圖2 貯箱地面增壓控制基本電路Fig.2 Basic circuit of tank ground pressurization control

選用的壓力信號器為常閉式機械感應壓力開關(guān)，基本結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由膜盒、定片觸點、動片頂桿、膜盒頂桿和殼體等組成。當貯箱壓力上升至壓力信號器設定值時，膜片產(chǎn)生變形，推動動片頂桿和動片觸點運動，動片觸點與定片觸點分離，壓力信號器斷開。當貯箱壓力下降至壓力信號器設定值時，膜片變形復位，動片觸點與定片觸點接觸，壓力信號器接通。

圖3 壓力信號器結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Structural representation of pressure switch

基于壓力信號器控制的貯箱地面增壓原理為：貯箱增壓前先接通前端配氣臺扭子開關(guān)，之后后端動力測控系統(tǒng)啟動增壓程序，動力繼電器機柜內(nèi)KB0繼電器接通，進而驅(qū)動KB1繼電器接通，控制增壓電磁閥開啟，開始給貯箱充氣。當貯箱壓力升高達到壓力信號器設定值時，壓力信號器斷開，驅(qū)動KB1繼電器斷開，增壓電磁閥關(guān)閉，停止給貯箱充氣。當貯箱壓力下降至壓力信號器設定值時，壓力信號器再次接通，繼續(xù)給貯箱補壓，維持貯箱壓力在要求值范圍內(nèi)。

2 發(fā)射場技術(shù)應用情況

2.1 常溫貯箱地面增壓

常溫推進劑貯箱射前地面增壓時間較為寬裕，對增壓速度無嚴格要求，主要保證增壓精度，一般采用單氣路單壓力信號器控制增壓，增壓系統(tǒng)組成同圖1所示。

圖4 某常溫貯箱射前增壓壓力曲線Fig.4 Pressurization process of a room temperature tank

從圖4中可以看出：該常溫貯箱增壓近似呈線性增壓過程，在45 s時，貯箱壓力升高至壓力信號器設定值0.253 MPa；在52 s時，貯箱壓力達到最高值0.263 MPa；之后由于貯箱穩(wěn)壓，貯箱壓力逐漸緩慢下降并趨于穩(wěn)定，一直持續(xù)至氣管連接器脫落。貯箱穩(wěn)壓過程中貯箱壓力仍高于壓力信號器設定值，壓力信號器未再次接通補壓。

2.2 低溫貯箱地面增壓

低溫貯箱推進劑加注一直持續(xù)至臨射前幾分鐘，貯箱射前增壓時間較為緊張，因此在滿足增壓精度要求的基礎(chǔ)上，低溫貯箱射前地面增壓還要求較快地增壓速率，一般采用雙氣路雙壓力信號器控制增壓。典型低溫貯箱地面增壓系統(tǒng)組成如圖5所示，其中一路增壓氣路使用較大通徑孔板，用于保證增壓速率；另一路增壓氣路使用較小通徑孔板，以保證增壓精度。大增壓力信號器設定值小于小增壓力信號器。

圖5 低溫貯箱地面增壓系統(tǒng)基本組成Fig.5 Basic components of cryogenic tank ground pressurization system

低溫貯箱射前地面增壓流程及工作原理為：增壓開始時，大增供氣路電磁閥和小增供氣路電磁閥同時接通，雙氣路同時供氣給貯箱增壓；當貯箱壓力達到大增壓力信號器設定值時，大增壓力信號器斷開，控制大增路增壓電磁閥關(guān)閉，大增供氣路停止增壓，小增供氣路則繼續(xù)保持增壓；當貯箱壓力繼續(xù)升高達到小增壓力信號器設定值，小增壓力信號器斷開，控制小增供氣路增壓電磁閥關(guān)閉，停止給貯箱充氣。當貯箱壓力下降至小增壓力信號器設定值時，小增壓力信號器再次接通，繼續(xù)給貯箱補壓，維持貯箱壓力在要求值范圍內(nèi)。

圖6 某低溫貯箱射前增壓壓力曲線Fig.6 Pressurization process of a cryogenic tank

從圖中可以看出：在雙壓力信號器同時接通時，貯箱增壓曲線斜率較大，增壓速率較大，在18 s時，貯箱壓力升高至大增壓力信號器設定值；大增壓力信號器斷開后，僅小增壓力信號器接通時，增壓曲線斜率較變緩，增壓速率減小，在28 s時，貯箱壓力升高至小增壓力信號器設定值；在38 s時，貯箱壓力達到最高值0.350 MPa；之后，由于貯箱穩(wěn)壓，貯箱壓力逐漸緩慢下降，由于貯箱穩(wěn)壓過程中貯箱壓力降至低于壓力信號器設定值，小增壓力信號器再次接通二次進行補壓，直至氣管連接器脫落。

3 增壓后效控制分析

從圖5和圖6增壓過程曲線可以看出，貯箱壓力在達到壓力信號器設定值時，壓力信號器斷開，增壓停止，但貯箱壓力仍會上升至一最高值，即存在增壓后效?；鸺A箱上設置有安溢活門，當貯箱壓力高于安溢活門開啟值，會導致安溢活門打開，增加箭上活門射前動作隱患。因此，貯箱射前增壓在滿足貯箱最終壓力要求的前提下，還必須將增壓后效控制在合理范圍。

貯箱射前地面增壓過程近似是一個定容積充氣過程，地面增壓系統(tǒng)通過供氣管路將增壓供氣高壓氣體輸送至貯箱。為便于分析，作出如下假設：

1)增壓氣體近似為理想氣體，氣體壓縮性系數(shù)取為1；

2)增壓過程貯箱氣枕溫度保持不變；

3)忽略箭上單向閥開啟壓差。

結(jié)合貯箱地面增壓系統(tǒng)組成及工作原理進行分析，增壓后效主要由兩部分組成：1) 由于壓力信號器、測控系統(tǒng)電路、增壓電磁閥組成的增壓控制回路存在一定的動作響應時間，在該響應時間內(nèi)，當壓力信號器斷開時，增壓氣體仍然持續(xù)進入貯箱，產(chǎn)生壓力后效，即增壓停止動作響應時間內(nèi)進入貯箱多余的氣體產(chǎn)生的壓力后效；2)增壓電磁閥設置在發(fā)射塔架配氣臺內(nèi)，配氣臺與箭體貯箱之間通過一定長度的供氣管路相連通。因此增壓電磁閥與貯箱之間存在一定的管路氣體容積，增壓停止時，增壓電磁閥與貯箱間的供氣管路仍存有較高壓力的氣體，該部分氣體由于與貯箱間存在壓力差會導致管路內(nèi)氣體繼續(xù)進入貯箱直至與貯箱達到壓力平衡，即增壓停止后增壓電磁閥與貯箱之間供氣管路中較高壓力的氣體進入貯箱產(chǎn)生的壓力后效。即

=+

(1)

貯箱氣枕壓力計算公式為

(2)

式中，為貯箱氣枕壓力，單位Pa；為貯箱氣枕氣體質(zhì)量，單位kg；為氣體壓縮性系數(shù)，理想氣體取=1；為氣體常數(shù)，單位J/(kg·K)；為貯箱氣枕溫度，單位K；為貯箱氣枕容積，單位m。

則

(3)

式中，為增壓電磁閥動作響應時間內(nèi)進入貯箱多余的氣體質(zhì)量，單位kg，=；為增壓電磁閥動作響應時間，單位s；為增壓充氣流量，單位kg/s，由于較小，認為時間內(nèi)，保持不變。

則

(4)

忽略箭上單向閥開啟壓差，則有

(5)

式中，為增壓電磁閥與貯箱之間供氣管路氣體容積，單位m；為增壓電磁閥與貯箱之間供氣管路氣體壓力，單位Pa；為貯箱增壓目標壓力，即壓力信號器起跳值壓力，單位Pa。

則

(6)

對上式進行分析，對于給定設計輸入(增壓氣體介質(zhì)、貯箱氣枕容積、貯箱氣枕溫度)的貯箱地面增壓系統(tǒng)，影響增壓壓力后效大小的主要因素包括：增壓充氣流量、增壓電磁閥動作響應時間、增壓電磁閥后供氣管路氣體容積。顯然，在其他因素不變的情況下，增壓充氣流量越大，貯箱增壓壓力后效越大；增壓電磁閥動作響應時間越長，貯箱增壓壓力后效越大；增壓電磁閥后供氣管路氣體容積越大，貯箱增壓壓力后效越大。

增壓充氣流量由增壓供氣管路進出口壓差、管路通徑、管路流阻共同決定。在確定增壓供氣壓力和管路通徑的情況下，一般通過設置節(jié)流孔板來改變管路流阻，進而控制充氣流量。節(jié)流孔板流量計算公式為

(7)

由式(7)可知，節(jié)流孔板通徑越大，增壓充氣流量越大。顯然，孔板后管路壓力也越高。因此，結(jié)合式(6)分析可知，節(jié)流孔板通徑越大，在增壓電磁閥動作響應時間內(nèi)，進入貯箱多余的氣體就越多，增壓后效越大。

貯箱地面增壓系統(tǒng)設計時，對于選定的硬件而言，增壓動作響應時間可以通過試驗進行確定；增壓電磁閥與貯箱之間的供氣管路規(guī)格、長度確定后，可以計算出供氣管路氣體容積；在初步確定供氣管路節(jié)流孔板通徑后，通過理論計算或者借助工程仿真軟件AMESIM進行增壓仿真分析來計算增壓后效大小，再根據(jù)計算結(jié)果并結(jié)合發(fā)射場試驗對增壓孔板通徑進行調(diào)整，進而控制增壓充氣流量，使貯箱增壓壓力后效滿足要求。

圖7 貯箱地面增壓仿真模型Fig.7 Simulation model of ground pressurization of tank

表1 仿真模型主要參數(shù)配置

圖8 不同孔板通徑下的貯箱增壓壓力曲線Fig.8 Pressurization process of tank with different orifices

從圖8中可以看出，節(jié)流孔板通徑越大，貯箱增壓過程中達到的壓力最高值越大，即增壓后效越大。同時可以看出，節(jié)流孔板通徑越大，貯箱增壓速度越快，貯箱增壓到目標壓力所需時間也越短。0.5 mm,1 mm，1.5 mm節(jié)流孔板通徑下的貯箱增壓壓力滿足要求；2 mm，2.5 mm節(jié)流孔板通徑下的貯箱增壓最高壓力已超出目標值要求，因此初步可以選擇增壓孔板通徑為0.5 mm，1 mm，1.5 mm。最終孔板通徑大小需進一步結(jié)合發(fā)射場試驗情況，并綜合考慮增壓時間進行確定。

4 壓力信號器失效故障應對分析

壓力信號器作為貯箱地面增壓系統(tǒng)關(guān)鍵控制元件，壓力信號器失效將直接影響貯箱射前增壓功能實現(xiàn)，甚至導致發(fā)射任務推遲。壓力信號器為常閉式壓力開關(guān)，其主要失效模式為通斷異常，具體如下：

1)壓力升到設定值未斷開，造成的影響是貯箱增壓不止。

2)壓力降到設定值未接通，造成的影響是貯箱壓力下降后無法自動補壓。

針對上述故障模式，貯箱地面增壓系統(tǒng)在設計時通過設置緊急放氣電磁閥、冗余備份壓力信號器和冗余備份增壓電磁閥，在原壓力信號器失效的情況下，可以實現(xiàn)緊急放氣和冗余備保增壓，確保貯箱射前增壓工作正常。典型系統(tǒng)設計如圖9所示。

圖9 典型貯箱地面增壓系統(tǒng)設計Fig.9 Typical design of tank ground pressurization system

5 結(jié)論

基于壓力信號器控制貯箱地面增壓技術(shù)簡單可靠，目前仍廣泛應用于我國現(xiàn)役某些型號運載火箭。常溫貯箱射前地面增壓時間較為寬裕，一般采用單氣路單壓力信號器控制增壓；低溫貯箱射前地面增壓時間較短，要求較快的增壓速率，一般采用雙氣路雙壓力信號器控制增壓。

貯箱射前地面增壓存在壓力后效，影響壓力后效大小的主要因素包括：增壓充氣流量、增壓電磁閥動作響應時間、增壓電磁閥后供氣管路氣體容積。發(fā)射場實際應用過程中，通過在供氣管路上設置合適的節(jié)流孔板來控制增壓充氣流量，進而控制貯箱增壓壓力后效滿足要求。

針對壓力信號器失效故障模式，通過設置緊急放氣電磁閥和冗余設計實現(xiàn)緊急放氣和冗余備保增壓，可以確保貯箱射前增壓工作正常。