用于并聯金屬膜片貯箱均衡排放的一種控制方法

魏彥祥，趙 京

（上?？臻g推進研究所，上海 200233）

0 引言

為提高承載能力，目前大型靜止軌道衛星、飛船、深空探測器等航天器普遍采用四貯箱兩兩并聯的布局構型：兩個氧化劑貯箱并聯，兩個燃料貯箱并聯。航天器工作過程中，相同組元兩個并聯貯箱內的推進劑消耗質量會存在差異，這個差異稱為并聯貯箱排放不均衡量。并聯貯箱的排放不均衡會引起航天器的質心變化，超差時會影響航天器的正常工作，嚴重時甚至能導致航天器失控翻轉，因此并聯貯箱的排放不均衡量一直是推進系統的一個重要技術指標。并聯金屬膜片貯箱的排放不均衡量既與并聯的兩個金屬膜片貯箱本身的金屬膜片壓差性能差異有關，也與推進系統的管路流阻特性有關。

本文主要研究并聯金屬膜片貯箱均衡排放的控制措施，探討并聯金屬膜片貯箱均衡排放的分析評定和試驗驗證方法，并通過試驗驗證并聯金屬膜片貯箱均衡排放的控制措施。

1 并聯金屬膜片貯箱均衡排放試驗方案

1.1 試驗系統配置

并聯金屬膜片貯箱的均衡排放性能，需要通過地面試驗來驗證。并聯貯箱均衡排放試驗采用全系統配置，充分考慮貯箱性能差異和管路布局不同對并聯均衡排放的影響。

1.2 試驗稱重方案

采用全系統配置進行并聯貯箱均衡排放試驗，能夠真實模擬推進系統工作過程中兩個并聯貯箱內推進劑（模擬工質）的消耗過程，但是怎樣實時、準確地測量兩個貯箱內推進劑的質量卻比較困難。如果直接在貯箱出口安裝流量計，也能實時測出貯箱的流量，但是破壞了推進系統的管路特性，系統管路走向和流阻發生了變化，試驗結果不能反映真實產品的性能。如果采用非接觸式流量計，系統管路的流阻特性沒變，但是流量計的精度不能滿足試驗要求。推進系統的貯箱通常安裝在星體的主承力結構上，采用電子秤無法直接測量貯箱內推進劑的質量。如果不用星體結構、貯箱直接放在電子秤上，也能實時測出貯箱內推進劑的質量，但是管路走向、布局無法保證，試驗結果也不能反映真實產品的性能。

本文以采用并聯金屬膜片貯箱布局構型的一個推進系統為例，探討并聯金屬膜片貯箱均衡排放試驗的設計和控制措施。該推進系統的貯箱安裝構型見圖1，4個貯箱（2個并聯氧化劑貯箱＋2個并聯燃料貯箱）通過底端法蘭安裝在星體主結構上。

為實時、準確測量貯箱內推進劑的質量，仍采用星體結構來安裝和固定貯箱、氣瓶等組件和管路系統，但同時對星體結構進行改造，使電子秤能夠直接測量單個貯箱的重量。把星體結構上連接貯箱安裝法蘭的部位切掉，使貯箱通過支撐座直接落在電子秤上，由電子秤支撐貯箱，試驗系統的稱重方法示意見圖2。和貯箱連接的鈦合金管路對貯箱有剛性支撐作用，會使電子秤測量的重量不是貯箱的真實重量。為消除剛性管路對貯箱的支撐，可把與貯箱直接相連的管路改成軟管，或者把與貯箱相連的所有管路緊固裝置松開，使貯箱上下運動時管路不對貯箱產生牽引力。如果貯箱的連接管路采用軟管，管路的走向難于固定，管路流阻與真實產品不同，所以試驗采用松開管路緊固裝置的方法來消除剛性管路對貯箱的牽引力。

并聯金屬膜片貯箱的均衡排放試驗，模擬了推進系統的真實工作過程，它通過4個電子秤，實時測量4個金屬膜片貯箱內的推進劑（模擬工質）質量，得到并聯金屬膜片貯箱的并聯排放不均衡量。

2 并聯貯箱均衡排放試驗的評定方法

地面試驗用模擬工質代替真實推進劑，試驗得到的不均衡量是模擬工質的質量。推進系統的技術指標是推進劑的不均衡量，推進劑的不均衡需要轉換成模擬工質的質量，才能評價并聯貯箱均衡排放試驗是否滿足要求。

并聯貯箱不均衡量指標為3%，即兩個并聯貯箱在推進系統全程工作過程中貯箱內推進劑消耗質量的差異不超過單個貯箱加注量的3%，用公式表示如下：

式中：Q1為1＃貯箱的推進劑質量流量；Q2為2＃貯箱的推進劑質量流量；t為排放推進劑的工作時間。

試驗時使用去離子水作模擬工質，貯箱的推進劑質量流量與去離子水的質量流量的關系如下：

式中：Q1水為1＃貯箱去離子水質量流量；Q2水為2＃貯箱內去離子水質量流量；ρ為推進劑密度；ρ水為去離子水密度。

把公式 （2）中 Q1和 Q2關于 Q1水、Q2水的表達式代入公式（1），得到兩并聯貯箱水流量不同步的表達式：

上式t為排放推進劑的工作時間，需要把t轉化為排放去離子水的時間t水。在公式（3）兩邊乘得到試驗過程兩并聯貯箱排放去離子水允許的不均衡質量：

式中：M為推進劑加注量（氧化劑加注1 619 kg，燃料加注981 kg）；M水為試驗時去離子水的加注量（1 120 kg）；η為貯箱排放效率。

由公式（4）和公式（5）算出氧化劑路并聯貯箱允許的最大不均衡質量為16.8 kg，燃料路并聯貯箱允許的最大不均衡質量為15.8 kg，用公式表示如下：

公式（6）的物理意義是：按照并聯貯箱不均衡量3%的指標要求，地面用模擬工質試驗時，兩個并聯氧化劑路貯箱的最大不均衡量不超過16.8 kg及兩個并聯燃料路貯箱的最大不均衡量不超過15.8 kg時，推進系統并聯貯箱均衡排放滿足技術指標要求。

3 并聯金屬膜片貯箱均衡排放試驗和均衡排放控制措施研究

3.1 并聯金屬膜片貯箱均衡排放試驗

按照上述試驗方法，進行并聯金屬膜片貯箱均衡排放試驗。試驗采用全系統配置，安裝四個金屬膜片貯箱。試驗過程氧化劑貯箱和燃料貯箱的重量變化見圖3和圖4，試驗全程兩個氧化劑貯箱并聯排放最大不均衡量是29.1 kg，兩個燃料貯箱并聯排放最大不均衡量是13.5 kg。氧化劑路不均衡量超過了16.8 kg的指標要求，燃料路滿足不超過15.8 kg的指標要求。

試驗過程兩個氧化劑貯箱的膜片壓差散布不超過0.005 MPa，兩個燃料貯箱膜片壓差程散布不超過0.003 MPa。氧化劑貯箱0.005 MPa的壓差散布會導致7.8 kg模擬工質的不均衡量，燃料貯箱0.003 MPa的壓差散布會導致4.7 kg模擬工質的不均衡量。并聯金屬膜片貯箱本身的性能差異導致的并聯排放不均衡量約占不均衡量指標的30%～46%，不會造成并聯貯箱均衡排放超差。因為影響并聯貯箱均衡排放性能的兩個主要因素是貯箱本身的性能差異和管路系統流阻，所以兩路氧化劑的管路系統流阻不平衡就是導致氧化劑路并聯貯箱均衡排放超差的主要原因。

3.2 并聯金屬膜片貯箱均衡排放控制措施研究

3.2.1 并聯貯箱均衡排放超差原因的試驗驗證

并聯金屬膜片貯箱均衡排放試驗結果氧化劑路貯箱并聯均衡排放超差，經理論分析認為超差是由管路系統流阻不平衡導致。為確認氧化劑路貯箱并聯均衡排放超差的原因，設計并進行了驗證試驗。氧化劑貯箱用兩個相同空殼貯箱替換，剝離貯箱性能差異對并聯均衡排放的影響后進行氧化劑路的并聯排放試驗，試驗得到氧化劑貯箱的并聯不均衡量為23 kg。驗證試驗結果說明，剝離貯箱本身性能差異的影響，兩路氧化劑管路系統流阻的差異已經導致貯箱的并聯均衡排放指標超差，證明了兩路氧化劑管路系統流阻不平衡是導致氧化劑路貯箱并聯均衡排放超差的原因。

因貯箱和主發動機氧化劑控制閥、燃料控制閥的空間布局位置限制，試驗系統的兩路氧化劑管路長度和走向不同、兩路燃料管路長度和走向基本相同，試驗系統的管路實際狀態會導致兩路氧化劑管路系統流阻不平衡，與試驗結果一致。

3.2.2 并聯貯箱均衡排放控制措施研究

既然管路系統流阻不平衡是導致并聯貯箱均衡排放超差的原因，那么把管路系統流阻調平就是控制并聯貯箱均衡排放的有效措施。燃料路貯箱的并聯排放指標滿足要求，說明燃料路的兩路流阻已經基本平衡，只需把氧化劑路的兩路流阻調平。

采取在流阻較小的氧化劑貯箱出口管路上增加節流環節的方法來增加流阻，把氧化劑路的管路系統流阻調平后，仍然用兩個空殼貯箱進行并聯氧化劑貯箱的均衡排放試驗，試驗得到的氧化劑貯箱并聯不均衡量為10 kg。試驗結果說明兩路氧化劑管路系統的流阻已經基本調平，管路系統的并聯均衡排放結果由調節前的23 kg降低到調整后的10 kg，滿足了指標要求。

3.2.3 實施控制措施后并聯金屬膜片貯箱均衡排放的試驗驗證

兩路氧化劑路管路系統流阻調平后，把兩個氧化劑路的空殼貯箱更換為原來的金屬膜片貯箱，燃料貯箱仍使用原來的金屬膜片貯箱，采用四個金屬膜片貯箱進行全系統的并聯均衡排放試驗，用來驗證采取控制措施后并聯金屬膜片貯箱的均衡排放性能是否滿足技術指標要求。試驗過程氧化劑貯箱和燃料貯箱的重量變化見圖5和圖6，試驗結果兩個并聯氧化劑貯箱的最大不均衡量為11.4 kg、兩個并聯燃料貯箱的最大不均衡量為14 kg，滿足氧化劑路不超過16.8 kg、燃料路不超過15.8 kg的指標要求。

驗證試驗結果說明，并聯金屬膜片貯箱的均衡排放控制措施有效，實施控制措施后，試驗系統的金屬膜片貯箱的并聯排放不均衡量滿足技術指標要求。

4 結束語

對并聯金屬膜片貯箱的均衡排放控制措施展開研究，設計了能夠準確測量并聯貯箱排放不同步量的試驗方案，推導并建立了并聯貯箱均衡排放試驗的評定方法，針對具體算例進行了并聯金屬膜片貯箱的均衡排放試驗，試驗過程采取控制措施把金屬膜片貯箱的并聯排放不均衡量控制到了指標要求范圍之內。

本研究得出的并聯金屬膜片貯箱均衡排放控制措施如下：

1)推進分系統進行全系統水試，測出兩路并聯貯箱管路系統的流阻差異。

2)采用孔板節流方法把管路系統的流阻調平。

3)管路流阻系統調平后，通過全系統水試驗證貯箱的均衡排放滿足技術指標要求。

4)固化管路系統狀態。

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