衛星并聯貯箱均衡排放的研究

朱一驍,王申,張乾鵬,夏勇

(1. 上?？臻g推進研究所,上海 201112; 2. 上?？臻g發動機工程技術研究中心,上海 201112;3. 上海衛星工程研究所,上海 201109)

0 引言

國內外大型的推進系統大多采用4只貯箱并聯布局的方式,4只貯箱分別為2只氧化劑貯箱和2只燃料貯箱。同種組元的貯箱兩兩并聯,為下游發動機提供推進劑[1]。由于并聯的貯箱上下游壓力存在偏差,導致貯箱內的推進劑排放不均衡,進一步導致整星質心產生偏移[2-3]。因此,推進系統并聯貯箱均衡排放具有十分重要的意義。

目前,為保證并聯貯箱均衡排放性能,主要是通過配平流阻的方式來實現,做法為在系統交付前進行地面水試試驗,通過在貯箱出口各支路設置不同的孔板進行流阻配平來實現[4-5]。在試驗過程中,需要對孔板的孔徑進行初步的預估,由于后續的修正工作全部基于孔板初始尺寸進行,因此孔板加工初始尺寸的準確度直接影響到整個地面水試試驗的時間。

隨著衛星研制周期的不斷縮短,減小地面水試試驗的時間成為必需之舉。本文以某型號衛星的管路布局為基礎,在眾多能夠進行液壓氣動系統數值模擬的軟件中[6],選取AMESim軟件建立并聯貯箱均衡排放的預測模型,對孔板初始尺寸進行預測并在后續的地面水試試驗中進行驗證。

1 系統建模

圖1為某型號衛星的推進系統燃料和氧化劑管路的Creo模型示意圖。系統包括燃料部分和氧化劑部分,每個部分均有支路和主路。主要由直管、彎管、孔板、三通和自鎖閥組成。在數值模擬建模時,為便于計算,對結構模型進行適當簡化。其中,自鎖閥由于其工作原理,可以近似用孔板進行數值模擬。根據系統原理,使用AMESim的液壓庫和液阻庫,分別建立了系統氧化劑支路和燃料支路的AMESim數值模擬模型,如圖2所示。其中,管路直徑為6.4mm,自鎖閥和孔板的初始尺寸為3.2mm,初始流量系數Cq為0.7,氧路/燃路的流阻為(0.1±0.01)MPa。

圖1 推進系統模型示意圖

圖2 推進系統建模示意圖

2 模型仿真

根據自鎖閥產品的測試結果,分別對氧化劑支路(TOA/TOB)和燃料支路(TFA/TFB)的自鎖閥模型進行修正,仿真結果與測試數據的對比如表1所示。

表1 各支路自鎖閥數據對比表(校準前)

根據產品測試結果,對自鎖閥尺寸進行修正,保持自鎖閥流量系數,修正后的自鎖閥尺寸及其仿真結果如表2所示。從表中可以看出,自鎖閥尺寸經過修正后,仿真結果與產品測試結果吻合。

表2 各支路自鎖閥數據對比表(校準后)

根據推進系統使用需求,要保證各支路總流阻在(0.1±0.01)MPa,根據使用需求對各支路孔板尺寸進行預測。

3 地面水試試驗

3.1 試驗系統

并聯貯箱試驗系統原理如圖3—圖4所示。系統主要包括兩個表面張力貯箱及相關閥門管路組成的兩個并聯貯箱支路,貯箱TKA所在支路為A支路,貯箱TKB所在支路為B支路,并聯貯箱支路包括貯箱和液路管組件(含大流量自鎖閥、液路管和節流孔板)。

圖3 流阻調節系統圖

圖4 流阻調節系統原理圖

球閥SV5和SV7分別用于雙貯箱模擬工質加注和氣路增壓,球閥SV6控制貯箱模擬工質排出,針閥ZV1用于調節并聯貯箱的排放流量,流量計MS1用于測量排放流量,電子秤測量貯箱模擬工質的加注量和剩余量。壓力傳感器PT1、PT2測量貯箱氣路的壓力,PT3測量節流孔板三通下游的壓力。

3.2 試驗參數

主要試驗參數如下:

1)增壓氣體:氮氣,按GB/T8980—96要求,增壓壓力0.9～1.0MPa;

2)試驗介質:去離子水,按GB6682—92要求三級水以上;

3)貯箱:加注量約95%;

4)流阻調試要求:氧路調試水當量為45.2g/s,液路管組件流阻(0.1±0.01)MPa;燃路調試水當量為35.2g/s,液路管組件流阻為(0.1±0.01)MPa;并聯貯箱支路流阻偏差不大于0.003MPa;

5)不均衡排放指標:流阻調節完成后,進行并聯貯箱恒壓排放測試,單個貯箱加注量大于200L且加注液面應位于貯箱柱段;要求不均衡排放量≤1%單個貯箱容積(內控指標)。若不均衡排放量不滿足該指標要求,需重新進行流阻調節。

3.3 試驗設備

并聯貯箱均衡排放試驗產品配套包括表面張力貯箱、自鎖閥、節流孔板(圖5)、三通組件等。配套設備包括貯箱停放工裝、高精度電子秤、操作臺、測控與數據采集系統等。

圖5 節流孔板實物圖

3.4 試驗流程

試驗前完成試驗設備的檢查準備工作,用氮氣對試驗管路吹氣,吹除多余物,之后進行并聯貯箱流阻調節試驗。

1)把貯箱下游加注口管路斷開,開SV5,其余全關,對管路進行沖洗后連好管路,水截至貯箱下游球閥SV3、SV4處,關SV5;

2)對貯箱及停放架進行質量稱量;

3)通過SV3、SV4對貯箱進行加注,單個貯箱加注量200～670L;

4)并聯貯箱同步排放,過程中為保證液路管組件流阻為(0.1±0.01)MPa,并聯貯箱支路流阻偏差不大于0.003MPa的要求,需持續拆卸、修正、安裝孔板,直至滿足需求。

3.5 試驗結果

氧化劑路(TOA/TOB)孔板尺寸為φ2.6mm,TOA流阻為0.101 5～0.101 6MPa,TOB流阻為0.101 6～0.101 7MPa;燃料路(TFA/TFB)孔板尺寸為φ2.15mm,TFA流阻為0.101 2～0.101 3MPa,TFB流阻為0.100 9～0.101 0MPa。

4 誤差分析

根據試驗測試的各支路流阻,使用仿真模型對孔板尺寸進行計算,基于孔板結構,流量參數選取0.8～1.0進行仿真,對比結果如表4所示。

表4 孔板尺寸數據對比表

考慮到試驗過程中孔板修正操作對孔板流量系數的影響,孔板的流量系數在0.9左右,仿真誤差為4.62%～14.7%,誤差來源主要為:1)自鎖閥閥芯行程有所差異,測試結果存在10%左右的誤差;2)測試管路與仿真管路存在加工誤差;3)測試管路與仿真管路的表面粗糙度存在誤差。

通過誤差分析,對仿真模型提出兩種修正方案,分別為尺寸系數修正(αX)和尺寸常數修正(X+β)?；诒疚姆抡婧蜏y試數據,初步得到α=0.87～0.96,β=-0.12～-0.32。修正后的仿真模型經該型號后續衛星試驗驗證,可以較為準確地預測孔板尺寸,后續擬根據其他型號衛星地面試驗結果進一步修正,得出具有普適性的修正方程。

5 結語

本文根據某型號衛星的推進系統,基于AMESim建立了并聯貯箱均衡排放的預測模型,采用自鎖閥產品的試驗數據進行修正后,應用于后續的地面水試試驗。試驗驗證了仿真模型的可行性并提出了仿真模型的修正參數。修正后的仿真模型可以較為準確地預測該型號后續衛星的孔板尺寸,節約了地面水試試驗的時間,可為縮短衛星型號研制周期提供幫助。