小型移動式液體推進劑供應裝置的研制

陳廣其 李慧 孔德斌

摘? 要：針對現有固定式液體推進劑供應裝置所存在的安全隱患及產生的環境污染問題的缺陷，研制了一種小型可移動式液體推進劑供應裝置。闡述了小車、質量流量計、體積管流量計、推進劑容器、儀表控制箱、閥門、管路等主要組成部件的結構。對安裝在裝置上的質量流量計及體積管流量計進行了重點介紹?？偨Y了該裝置的創新性：體積小、機動靈活、操作簡便、性能穩定可靠、能適應多種液體火箭發動機的試車要求。該裝置能直接與試車臺的測控系統連接，而無需其它轉接設備，非常方便快捷。該裝置已成功地在多個試車臺上進行了投入使用，在小推力、小流量發動機試車及其他方面有著廣泛的應用范圍及市場前景。

關鍵詞：移動式;液體推進劑;供應裝置;質量流量計;體積管流量計

中圖分類號：TL413? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）05-0023-05

Abstract： A small mobile liquid propellant supply device was designed to solve the problems of safety and environmental pollution caused by existing stationary liquid propellant supply devices. This paper also elaborates the structure of the main components， such as trolley， mass flowmeter， volumetric tube flowmeter， propellant container， instrument control box， valve and pipeline. The mass flow meter and volumetric tube flow meter installed on the device were introduced emphatically. The innovation of the device was summarized： small size， flexible maneuver， easy operation， stable and reliable performance， and could meet the test running requirements of many kinds of liquid rocket engines. The device can be directly attached to the measurement and control system on the test bed. Without any other transfer equipment， the device is very convenient and fast to use. The device has been successfully put into use on several test beds， which has a wide range of applications and market prospects in small push， small flow engine tests and other aspects.

Keywords： mobile; liquid propellants; supply device; mass flowmeter; volume tube flowmeter

引言

近年來，世界各國對于軍事和民用航天領域的投入相繼增加，液體火箭發動機試車臺上進行的發動機試車數量逐年增多。在發動機試車過程中，通常所用到的液體推進劑由燃料和氧化劑兩部分組成。其中，燃料以肼類（無水肼、一甲基肼、偏二甲肼、單推-3等）為主，氧化劑以四氧化二氮為主[1]。它們均具有高毒、易爆、易燃的特性，會對人體健康和生態環境造成嚴重的危害[2]。在液體火箭發動機試車臺上常用的推進劑供應系統分為燃料供應系統和氧化劑供應系統。常規的液體推進劑供應系統為固定式供應裝置，包括推進劑容器間、推進劑供應管路、推進劑配氣管路、閥門等[3]。液體推進劑經轉注后進入推進劑貯箱，再通過氮氣增壓，經管路輸送至發動機，然后進行試車。為了縮短推進劑供應管路，推進劑容器間一般設在試車臺邊上，這勢必會給試車帶來極大的安全隱患。此外，為了方便下次試車使用推進劑，通常的做法是將未使用完的推進劑保存在容器中，在帶來安全問題的同時也嚴重污染了臺區環境[4]。為了解決這一矛盾，本課題組在滿足液體火箭發動機試車的條件下對推進劑供應系統進行改進，研制了一種小型可移動式液體推進劑供應裝置。

該小型移動式液體推進劑供應裝置主要從以下幾個方面進行考慮：首先，從滿足液體火箭發動機試車方面來說，該裝置應能滿足推進劑供應量，同時也縮短推進劑供應管路。推進劑供應管路的縮短能夠減小推進劑輸送時的阻力降，除能節省推進劑供應量，還能減少因推進劑供應管路過長而帶來的不良因素[5]。其次，該裝置的設計可節約成本，原有的推進劑加注系統需興建推進劑貯存庫房，以及配備其他輔助設施，這需要花費大量的經費，而小型移動式液體推進劑供應裝置的設計可以節省這方面的經費。再次，從環境保護的角度考慮，可移動式液體推進劑供應裝置的運用對試車臺及周邊環境的改善有很大的促進作用。該裝置平時可存放于庫房之中，當進行發動機試車時運送至試車臺供應推進劑，試車結束后再運回庫房保存。這樣不但降低了試車臺區域的危險性，而且減小了對試車臺的污染程度，對整個周邊環境的生態保護，也都起到了重要作用。

為滿足小推力的發動機試車及短時的較大推力的發動機試車過程中足量推進劑的供應，該推進劑供應裝置設計成可移動式的，能供高空、地面、長程等多個試車臺的發動機試車時使用。該系統與試車臺的測控系統連接后，可自動實現試車的流量測量和校準。該套裝置能滿足推力5N～300N各種發動機的穩態流量和脈沖累積流量的測量要求，并且能直接與試車臺的數據采集、控制系統連接，而無需其它轉接設備，更為方便快捷。

1 裝置整體設計方案

小型移動式液體推進劑供應裝置由2個16L的容器、過濾器、液位計、配氣操縱箱、閥門、管路等組成，形成一個完整的系統，可獨立運行，其系統原理圖如圖1所示。由于液體火箭發動機試車要求推進劑供應系統內部必須十分清潔，不允許有任何機械雜質和油污存在，因此推進劑供應系統的貯箱、管路、接頭、閥門等部件在安裝使用前都應進行嚴格的超凈處理。推進劑含雜質的顆粒度要求小于10μm，氮氣含雜質的顆粒度要求小于5μm，所以對進入系統的推進劑和氮氣用3μm的不銹鋼纖維壓制而成的折疊式過濾器過濾，同時用顆粒度儀定時進行檢測控制[6]。在裝置上安裝了高精度的質量流量計和體積管流量計，整個加注系統可直接接入發動機試車臺，同時可實現對流量計進行自校和互校，確保了測量系統的可靠性和精度。

2 主要組成部分

小型移動式液體推進劑供應裝置的機械結構如圖2所示，主要組成部分包括小車、質量流量計、體積管流量計、推進劑容器、儀表控制箱、閥門、管路等。

推進劑小車外形尺寸為680×600×1150mm，是系統中其它設備的承載設備，其余設備如推進劑容器、儀表控制箱、控制閥門、過濾器以及管路等都安裝在小車上。推進劑供應小車在小車底盤裝有滾輪，且小車滾輪帶有剎車裝置，能保證小車的穩定性。

2.1 質量流量計

移動式液體推進劑供應裝置上安裝的高精度的質量流量計，是采用德國E+H公司生產的63A型高精度的科氏力質量流量計。它應用科氏力與運動流體的質量成正比的原理，不受密度、壓力、介質粘度、流速分布等物理量的影響，具有很高的測量精度，一般可達到0.2%，并可測量極小的流量[7]。根據發動機試車時的流量情況，選用了Ф1mm、Ф2mm、Ф4mm三種規格的質量流量計，能有效覆蓋推力5N～300N、流量1.5g/s～140g/s的各種發動機的測量范圍，并能輸出4～20mA的信號，供計算機采集處理。應用該種質量流量計來測量發動機試車的穩態流量，系統精度可小于0.5%。

2.2 體積管流量計

傳統的質量流量計和渦輪流量計受限于其設計原理，對于10g/s以下的小流量和脈沖流量，尤其是短脈沖流量的測量無能為力，而體積管法測量流量在這方面則有其獨特的優勢。在移動式液體推進劑供應裝置上還安裝有體積管流量計，用于測量發動機的脈沖流量。

2.2.1 原理

體積管流量計由一根Ф45mm精密鋼管、德國生產的磁致縮位移傳感器以及氣動閥門等組成。位移傳感器具有很高的測量精度，它的定位精度可達到0.01mm，并能輸出4～20mA信號，供計算機采集處理。體積管流量計的原理是將推進劑存放在一根內徑均勻的中空管中，測量發動機工作前后，管中推進劑液位的高度差，推算出消耗的推進劑的質量，再由發動機工作的時間或脈沖數，得到平均的流量值或平均每個脈沖消耗的推進劑質量[8]。流量計算公式為：

中空管采用一根內表面具有較高表面光潔度且內徑均勻的不銹鋼管，管中心有一根波導桿，一個裝有磁環的不銹鋼浮子套在波導桿上，使用磁致縮位移傳感器，它通過電磁波不斷檢測其玻導桿上磁環的相對位置，確定其高度，精度為0.05%。體積管內液面上下浮動帶動浮子上下浮動，引起磁環位置的變化[9]，其結構圖如圖3所示。該高度變化值由傳感器獲得，代入流量標定表中進行運算，可得出流量值。

2.2.2 體積管的標定

對體積管的標定實際就是k值的求出，理論上可采用插值法進行計算，以減小誤差。標定裝置如圖4所示，標定過程中采用蒸餾水作為模擬推進劑介質，手動控制閥門打開，每40g為一段，記錄輸出的電壓值和電子秤測得的蒸餾水的質量，形成一張標定數據表（表1），再重復標定一次，形成第二張標定數據表（表2），和第一張進行對比，以確保數據的可靠性。由于是手動控制閥門，不能保證每段都是精確的40g，因此兩張數據表中對應點的電壓和質量數據不會完全一樣，但對應段的k值應該非常接近，如果某一點的k值相差太大，說明這點的兩組數據中至少有一組測量錯誤，則此點的數據不能用于計算。以第一張數據表為基準，對比k值，經計算，得出數據偏差均在0.86%以內，說明數據的重復性很好，無須刪減數據，兩張標定表都可用作插值計算。用獲得的平均k值（k1、k2均可）進行計算，發現體積管測量的數據和電子秤測量的數據已經非常接近，偏差在0.35%以內，完全符合使用要求，所以在一般情況下，平均k值（k1、k2均可）能滿足使用要求。

3 裝置使用效果

小型移動式液體推進劑供應裝置研制成功后即在高空試車臺、地面試車臺、長程試車臺上投入使用。使用情況表明，該推進劑供應裝置操作靈活、簡便、性能可靠，完全能夠滿足產品試車的要求。該裝置平時停放在庫房內，在產品試車前將推進劑供應裝置運送到推進劑貯藏庫房，首先對推進劑供應裝置進行推進劑轉注（推進劑轉注在推進劑庫房中進行，這樣可減少環境污染）。推進劑轉注完畢后將推進劑供應裝置運送至試車臺與產品連接，然后進行管路充填。充填完待一切準備工作結束后即可進行產品試車。產品試車前，對裝置上的推進劑容器進行增壓，增壓至預定箱壓，開始按照程序段進行點火試車。試車結束后，對系統管路進行吹除，將管路中廢液排至回收罐。最后對推進劑供應裝置進行清洗，清洗完畢并吹凈后將液體推進劑供應裝置運送回庫房停放以待下次試車使用。

4 結論

小型移動式液體推進劑供應裝置的成功研制，為液體推進劑供應系統的設計提供了一條新思路。該液體推進劑供應裝置是集加注、吹除、流量標定等功能于一體的高清潔度的推進劑加注設備，主要由小車、質量流量計、體積管流量計、推進劑容器、儀表控制箱、閥門、管路等組成。該裝置上安裝了高精度的體積管流量計和質量流量計，為小推力液體火箭發動機的流量的得出提供了良好的測量手段。該裝置體積小、操作簡便、機動靈活、流量測量設備精度高且系統穩定、能適應多種液體火箭發動機試車的要求。它不僅解決了試車臺中因設置推進劑庫房而存在的安全隱患，同時也減少了試車臺區的污染，對試驗臺周圍區域的環境治理也有很大幫助。該裝置適用于小推力、小流量發動機試車以及其他方面，具有廣闊的應用前景。

參考文獻：

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