上面级并联贮箱推进剂均衡输送技术研究

2019-09-23胡声超肖立明周佑君

导弹与航天运载技术 2019年4期

胡声超，肖立明，刘畅，周佑君，李欣

（北京宇航系统工程研究所，北京，100076）

0 引言

在火箭上面级[1]及卫星等航天器推进系统中，为提高相对加注量较小的飞行器的结构空间利用率，同时考虑飞行器质心平衡的需求，采用四贮箱两两并联的结构形式，即两个同种推进剂贮箱并联为一台发动机供应推进剂，由于同种推进剂并联贮箱的分支输送管路布局不对称、管路长度及流阻不同，导致在主发动机工作段存在不同贮箱内推进剂消耗不平衡的现象。该现象会造成飞行过程中出现较大的质心偏移[2,3]，从而降低航天器姿控系统控制力裕度[4]、增加姿控推进剂消耗量，同时，当某一个贮箱推进剂提前耗尽时，输送系统便无法保证为发动机提供纯液相的推进剂，其他贮箱的推进剂将无法继续使用，这样会大幅增加主动力的推进剂不可用量，对运载能力造成较大影响。为保证航天器飞行过程中并联贮箱内推进剂消耗的同步性，需要开展均衡输送技术研究，分析不均衡现象出现的机理，研究合理的不均衡抑制方案，有效地减小质心偏移偏差及推进剂的不可用量。

本文通过分析国内外相关研究，给出并联均衡输送方案，结合方案建立数学模型，通过地面试验验证模型的正确性，并结合算例开展相关的仿真及对比分析工作，为均衡输送方案的确定提供必要的理论依据。

1 并联贮箱均衡输送方案

国外航天器在研制和应用飞行过程中，对具有并联贮箱结构造成的推进剂消耗不均衡问题十分重视，发现并联贮箱输送系统工作过程中存在不均衡输送现象，并对其进行详细的研究，给出相应的解决方案。

美国阿波罗飞船下降级具有典型的并联贮箱结构，通过对比设计早期和最终的输送系统布局（见图1）可看出，在研制过程中，发现并联贮箱输送推进剂存在消耗不均衡性问题，为解决该问题，在最终方案中两个贮箱底部增加了一根连通管[5,6]。

图1 阿波罗下降推进系统前后设计方案对比示意[7]Fig.1 Comparison of Apollo DPS Design between Initial and Final

欧洲阿里安5 EPS上面级同样具有并联贮箱结构，文献[7]中介绍，EPS上面级主动力系统中包含并联流动设备，根据EPS的组成判断，并联流动设备为贮箱至发动机入口之间的输送管路系统。图2为EPS氧输送系统原理。从图 2中可以看出，在贮箱下游分支输送管路中，均设置了流阻调节元件。结合上述信息可判断，EPS上面级是通过匹配并联贮箱分支输送管流阻的方法达到控制并联贮箱消耗不同步的目的。

图2 EPS上面级氧输送系统原理示意[7]Fig.2 Schematic Diagram of EPS upper Stage Oxidizer Feeding System

综上，并联贮箱推进剂均衡输送主要采取以下两种方案：

a）对输送系统的流阻进行匹配，保证不同分支路流阻的一致性以达到均匀输送的目的；

b）在并联双箱间增加一个单独的连通管路，用于平衡输送过程中并联双箱的液位差。

2 并联贮箱均衡输送数学模型

2.1 模型假设及说明

并联贮箱均衡输送问题可以简化为一个典型的不可压液体定常流动问题，假设并联贮箱内的气体压力相同，管内速度均匀分布，进出口动压相同，利用总流伯努利方程可对其整个流动过程进行描述。

本文研究对象为普通贮箱，即贮箱内的气体与液体直接接触，模型建立过程中，仅考虑贮箱内气体压力、液体高度产生压力、流动过程中管路损失的压力。对于膜片或囊式这类型气液隔离贮箱，建模时将膜片的翻转力、贮囊的压缩力等造成压力损失的因素加入伯努利方程，建立相应的压力平衡方程即可。

2.2 基于流阻匹配的数学模型

基于流阻匹配的输送系统布置如图3所示。

图3 流阻匹配方案示意Fig.3 Sketch of Flow Resistance Matching Method

由图3可知，贮箱1与贮箱2分别通过分支输送管1与分支输送管2汇总后进行液体输送。

对于分支管1及分支管2对应的输送系统可以建立如下压力平衡关系式：

式中 Pu为贮箱内气体压力；Pout为两个分支汇总后出口压力；Nx为过载系数；v为分支管路中液体流速；ξ为分支管路的流阻系数；ρ为液体密度。

式（1）中两式相减可得：

根据质量守衡，有：

式中 A为分支管1、2的横截面积；m˙总为输送系统总流量。

利用式（2）、式（3）结合输送系统的初始状态便可求解得到整个输送过程中并联贮箱内液面的高度变化。

2.3 基于连通管的数学模型

基于连通管的输送系统布置如图4所示。

由图4可知，同样可以建立2.1节中式（1）～（3），对于连通管，利用伯努利方程还可建立如下关系式，即：

式中 ξlian为连通管流阻系数；vlian为连通管中液体流动速度。

利用式（2）～（4），结合输送系统的初始状态便可求解得到整个输送过程中并联贮箱内液面的高度变化。

图4 连通管方案示意Fig.4 Sketch of Balance Line Method

2.4 地面原理性验证试验

为验证建立的数学模型的正确性，开展了地面原理性试验，系统主要由模拟贮箱、模拟输送管路、模拟连通管路、截止阀、出流系统、测量系统等组成，如图5所示。

图5 地面试验系统原理示意Fig.5 Sketch of Ground Testing System

由图5可知，系统中2个贮箱间的压差传感器用于获取不均衡输送过程中双箱间的压差，分支管路1、2上的压差传感器用于获取管路的压差，结合管路上流量计计量结果，可计算得到管路的流阻特性，用于仿真计算模型的输入。

试验工况分为两种：a）基于流阻匹配输送方案；b）基于连通管输送方案。试验过程中为兼顾基于流阻匹配和连通管两种工况的验证，在连通管中间设置截止阀，通过开关阀门实现两种试验工况的切换。图 6给出了两种试验工况双箱压差传感器的结果。

由图6可知，在相同分支路流阻的条件下，基于连通管的方案，2个贮箱间的压差变化较为平缓，数值仅有100 Pa，与流阻匹配方案最大压差1000 Pa相比，降低了一个数量级，说明连通管能有效抑制输送过程中双箱出现的不平衡现象。

图6 试验结果Fig.6 Result of Ground Testing

2.5 理论模型验证结果

两种数学模型理论计算结果与试验结果的对比如图7、图8所示。

图7 基于流阻匹配的数学模型验证Fig.7 Simulation Model Validation Base on Flow Resistance Matching

图8 基于连通管的数学模型验证Fig.8 Simulation Model Validation Base on Balance Line

由图7、图8可知，二者得到的结果趋势吻合，但数值存在一定的差异，经分析主要由于试验过程中，所有测量得到的管路流阻系数和流量都不是恒定值，而是在较小的范围浮动，但在理论计算中流阻系数被设置为一个固定值，流量参数也仅仅是采用两点线性化处理，使得二者得到的结果存在一定的误差。总体来说，理论计算结果与试验结果吻合较好，验证了理论计算模型的正确性。

3 均衡输送方案仿真分析算例

利用建立的均衡输送数学模型，对具有并联贮箱结构的航天器进行仿真分析，综合对比不同的均衡输送方案推进剂不可用量、航天器质心偏移等，为推进剂均衡输送方案的设计提供理论依据。

3.1 均衡输送方案及仿真工况

a）方案一。在系统流阻较小的分支输送管路中布置阻力元件，通过计算和地面精确匹配试验筛选出合适的限流组件，增加流阻较小的分支系统局部阻力，从而缩小并联两分支系统的流阻差。虽然理论上输送系统可通过地面流阻匹配试验进行调整与控制，但受试验精度影响，工程上无法保证并联输送系统流阻完全一致从而彻底消除消耗不平衡的现象。由于流阻匹配结果受试验系统误差、测量误差、温度、介质、总装及其他不确定因素的影响，实际实施过程中并联输送系统的输送不均衡性与地面匹配试验的结果存在差异，考虑工程可实现性及各种偏差影响，匹配流阻差分别按0.2 kPa、0.4 kPa和0.6 kPa进行考虑。

b）方案二。在满足增压系统能力要求的前提下，增大输送系统并联两分支的绝对流阻，在其他条件不变的前提下，系统的绝对流阻越大，相同流阻差引起的输送系统输送不均衡性将越小。因此在满足增压系统能力要求的前提下，通过在并联两分支管路中均增加局部阻力元件加大系统绝对流阻，氧、燃长分支路系统流阻均加大至1.2 kPa，并通过地面流阻匹配试验调节控制流阻差，匹配流阻差分别按0.2 kPa、0.4 kPa和0.6 kPa进行考虑。

c）方案三。在同种推进剂并联两贮箱之间额外新增一套连通管路，从而实现推进剂不均衡输送的快速平衡和抑制。计算过程中并联输送系统间的流阻差均按照1 kPa进行考虑。

不均衡输送仿真计算工况如表1所示。

表1 不均衡输送仿真计算工况Tab.1 Case of Unblance Feed Simulation

3.2 仿真计算及结果分析

通过仿真计算得到上述 7个工况下并联燃箱、并联氧箱的液位高度差变化情况、质心偏移变化情况及姿控推进剂耗量。并联双箱液位差、不平衡造成的推进剂不可用量及质心偏移数据如表2所示，液位差、质心偏移变化曲线如图9～11所示。

表2 不均衡输送计算结果Tab.2 Result of Unblance Feed Simulation

图9 双箱液位高度差（燃料）Fig.9 Liquid Level Difference of Two Paralle Tanks（Fuel）

图10 双箱液位高度差（氧化剂）Fig.10 Liquid Level Difference of Two Paralle Tanks（Oxidant）

图11 航天器质心偏移Fig.11 Mass Center Changing of Areospacecraft

由表2、图9～11可知：

a）通过工况1～3对比，减小两条分支管路的流阻差，能够减小并联双箱间的液位差，进而减小推进剂的不可用量和航天器的质心偏移；

b）利用连通管方案的工况7不均衡输送造成的推进剂不可用量最小，为3.1 kg，同时该工况最大质心偏移也最小；

c）虽然流阻匹配和连通管方案均能减小不均衡输送造成的影响，但流阻匹配方案对产品的加工精度及试验系统的精度随着抑制效果的增加而成倍的增加，同时由于该方案试验量大，需要单机及系统开展大量地面试验得出不同介质下的流阻计算模型以及换算关系，相比之下，基于连通管的均衡输送方案放宽了对两条分支管路间流阻匹配的精度要求，减少了地面试验成本，简化了对输送管的验收流程。