一种卫星轨控发动机流量校验系统

刘万龙，田国华，徐 鑫，孙树江，朱昊伟

（北京航天试验技术研究所，北京100074）

0 引言

490 N发动机是目前国内应用最广的卫星轨控发动机[1]。比冲是发动机一个重要的技术参数，其由发动机推力除以流量得到。国内火箭发动机试验中通常使用质量流量计测量推进剂流量[2-3]。质量流量计在计量部门标定时使用水作介质，介质的不一致会影响测量结果[4]，而且现场流量计工作管路压力、流量等工作环境也与计量部门不一致。称重测量是常用的流量计校验方法[5－6]，因此，基于国内外流量校验系统的设计经验[7-10]，设计了一套卫星用轨控发动机流量称重校验系统，对质量流量计进行了现场校验。校验时使用了真实试验推进剂，并采用发动机试验时增压的压力对推进剂管路和流量计进行增压，以保证校验状态与试验状态的一致性。

1 计量部门校验精度

目前计量部门对质量流量计的校验精度只有0.5%，而且不同时期其校验结果也有一定的波动性。以一个质量流量计的校验数据为例，不同时期计量部门的校验结果与流量计理论输出结果相比较的偏差如表1所示。

表1 质量流量计校验值与理论值相对偏差Tab.1 Relative deviations between calibrated values and theory data of a mass flow meter

为了更好地说明流量计校验结果的波动性，将它们按时间轴绘图，如图1所示。从图中可以看出其波动性很大，而且没有规律。

图1 qm校验值与理论值相对偏差Fig.1 Relative deviations between qmcalibrated values and theory data

2 试验系统

流量校验时试验系统管路状态与490 N发动机试验时相同，采用Pacific 6000数据采集系统采集质量流量计的输出。试验系统组成如图2所示。图3是称重容器与高精度电子秤照片。

图2 质量流量计推进剂流量校验测量系统图Fig.2 Schematic diagram of calibration system for propellant flow of mass flow meter

图3 称重容器与高精度电子秤照片Fig.3 Photograph of weighing tank and electronic scale

校验时通过增压模拟实际发动机试验时管路及流量计受压情况，利用孔板模拟实际流阻，采用保压称重，防止推进剂挥发。涡轮流量计1和涡轮流量计2安装在管路系统中，保证管路流阻与发动机试验状态一致。质量流量计1和质量流量计2同时在线校验，增加它们的数据一致性。

推进剂由试车贮箱经过出液手阀，涡轮流量计1，涡轮流量计2，质量流量计1，质量流量计2，电磁阀和孔板流入称重容器。校验结束后推进剂从称重容器通过回液阀和出液手阀回到试车贮箱。流量校验时，依次进行如下步骤：管路放液充填；将增压压力调整至姿轨控发动机试车时的额定压力；调节孔板开度，用其模拟发动机流阻；高精度电子秤置零；微机采集系统对流量计输出进行采集；可编程控制器控制电磁阀打开额定时间；微机采集系统停止采集；高精度电子秤及质量流量计（累计质量）终止读数；推进剂试车贮箱卸压；称重容器推进剂回挤。

3 电子秤现场校验

使用砝码对电子秤进行现场校验，消除管路应力等对测量的干扰。电子秤实际读数增量与实际砝码质量对照表如表2所示，其拟合直线如图4所示。拟合直线方程为

式中：y为实际砝码质量；x为电子秤读数增量。

表2 电子秤实际读数增量与实际砝码质量对照表Tab.2 Comparison between incremental quantity of electronic-scale actual data and actual mass of weight g

图4 电子秤实际读数增量与实际砝码质量拟合曲线Fig.4 Fitting curve for incremental quantity of electronic-scale actual value and actual mass of weight

4 试验数据分析

进行了3次流量校验试验。试验时Pacific 6000数据采集系统、阀门工作时序通过同样的时统信号控制。电子秤称重不记录试验的中间值，只记录试验前质量和试验后质量。

将微机采集系统测量的数据与高精度电子秤测量的数据相比较，得到各个流量计的计量部门校验结果（根据计量部门校验公式计算得到质量流量，对质量流量进行积分得到质量）与称重结果的偏差。表3是称重与计算机采集结果对照表。表中，m指称重得到的质量，m1和m2分别指Pacific 6000数据采集系统测量得到的质量流量计1和质量流量计2的积分质量，数据采集系统测量的瞬时质量流量按质量流量计（qm）最近一次计量部门校验公式计算。校验流程为500 s，ηm1指m1和 m之间的相对偏差。ηm2指m2和 m之间的相对偏差。 其公式如下

表3 称重与数据采集系统采集结果对照表Tab.3 Comparison of electronic scale measurement and the data acquisition system measurement

从表3可以看出，在这些校验中ηm1的范围为-0.18%到-0.27%，ηm2的范围为 0.55%到0.65%；质量流量计1的精度优于质量流量计2的精度，试验中质量流量计1的数据可作为发动机试验推进剂流量数据，质量流量计2的数据可作为备份参考值。

5 结论

针对目前计量部门对质量流量计的校验精度只有0.5%且随时间波动的问题，采用称重法设计了一套卫星轨控发动机试验用质量流量计现场校验系统，使用真实试验推进剂，并采用发动机试验时的增压压力对推进剂管路和流量计进行增压，通过检验试验得到以下结论：

1）这种校验方式可以应用于流量计的标定中，采用真实介质校验结论可信度更高。

2）通过校验可以在符合精度要求的流量计中挑选精度较高的流量计作为试验用主流量计，其他流量计作为备份使用。

[1]周红玲,姜文龙,刘昌国.国内外卫星用液体远地点发动机发展综述[J].火箭推进，2011,37(5)：1-8.

[2]张惠军.科氏力质量流量计在凝胶推进剂火箭发动机试车中的应用[J].火箭推进,2004,30(6)：55-60.

[3]吴波.Promass83A质量流量计在发动机试验中的应用[J].火箭推进,2005,31(6)：57-60.

[4]罗凡,孙玉声.不同介质对质量流量计的校准误差影响[J].中国测试技术,2007,33(6)：52-54.

[5]纪纲.流量测量仪表应用技巧[M].北京：化学工业出版社,2005.

[6]李长武,陈平,袁明,等.液体流量仪表在线校准方法及趋势[J].计量技术,2009,(4)：58-61.

[7]周士虎,张永华.流量计校验装置在航天发射场加注系统中的应用[J].石油工业技术监督,2001,17(4)：28-33.

[8]SMITH D M,CARVER D B.Flow calibration of two hypersonic nozzles in the AEDC Heat-H2 high-enthalpy arc-heatedwindtunnel,AIAA-1996-0913[R].USA：AIAA,1996.

[9]KIRTLEY D E,ENGELMAN S F,FIFE J M.Analysis of xenon flow calibration techniques for electric thruster testing,AIAA-2002-3817[R].USA：AIAA,2002.

[10]钟爱民.质量流量计自动校验控制系统的设计研究[D].上海：上海交通大学,2007.