运载火箭用蓄压器膜盒容积测量方法及影响因素研究

2020-04-10

液压与气动 2020年4期

(北京宇航系统工程研究所，北京 100076)

引言

大型液体运载火箭在飞行的过程中，通常发生不稳定的自激纵向耦合振动，称为POGO振动[1-4]，使火箭的力学环境恶化，可能造成火箭上敏感元件及仪器设备受损或结构超限，甚至导致飞行失败[5-8]。POGO振动是液体火箭动力学不稳定问题之一，在液体火箭推进剂输送管上安装蓄压器是解决火箭POGO振动的有效方法[9]，蓄压器对抑制箭体结构的POGO振动现象发挥着重大作用[10]，是通过在推进系统中增加柔性阻尼将箭体结构和推进系统的振动频率隔离从而抑制火箭纵向耦合振动[11]。金属膜盒式蓄压器的主要构件为膜盒和壳体，其中壳体主要作用为连通输送管路中的推进剂，膜盒则是起到抑制POGO振动的重要部件。

为实现对液体火箭的POGO振动抑制，蓄压器应具有要求的能量值，即膜盒最大容积与初始充气压力的乘积。蓄压器初始充气压力一般通过膜盒最大容积及给定的能量值来确定，因此，为实现对蓄压器能量值的控制，精确测量膜盒的最大容积值是关键。

蓄压器膜盒是具有良好的拉伸和压缩性能的弹性元件[12]，其中金属膜片型面主要包括平板锥型和波纹型，如图1所示。膜盒内部充入工作介质后，被拉伸至限位，此时膜盒容积可通过理论计算和试验测量两种方式获得。理论计算存在简化情况，为获得尽可能精确的膜盒容积值，需对膜盒进行测量。本研究以平板锥型金属膜盒为例，介绍膜盒容积的测量方法，并对测量结果及影响因素进行分析。

图1 金属膜片型面

1 测量方法

容积测量方法一般包括液体测量法和气体测量法，针对金属膜盒产品，液体测量方法将导致膜盒内水介质不易去除(主要是两膜片之间的夹缝处)，需增加烘干等工序，对产品的后续使用(特别是有低温工况时)存在一定隐患；此外，使用液体测量方法时，需在膜盒产品上打孔，破坏产品本体结构。因此，为实现产品百分之百容积测量，并排除膜盒内存在水介质等隐患，气体测量法为首选方案。

气体测量法的测量系统如图2所示，备一容积与膜盒产品容积V(拉伸至限位时的容积)相近的气罐(参考容器)，其容积已知为V1。将该气罐用一带阀门的导管与膜盒相连，阀门两侧的管路容积均已知，气罐侧的管路容积为V2，膜盒侧的管路容积为V3。气罐和膜盒用导管连接好之后，阀门关闭。

图2 容积测量系统

在常温下，若首先向被测膜盒内充压力为p1的气体，则膜盒拉伸至上限位，如图3所示，此时膜盒容积为V；打开导管阀门，待膜盒内压力稳定后记录压力值p2，根据波义耳定律，膜盒容积V即可用公式(1)计算求得：

(1)

在常温下，若首先向已知容积的气罐充压力为p1的气体，导管阀门打开前，被测膜盒容积为V0(膜盒处于自由状态时的容积)；打开导管阀门后，气体进入膜盒内使其拉伸至限位，如图3所示，此时膜盒容积为V，待膜盒内压力稳定后记录压力值p2，根据波义耳定律，膜盒容积V即可用公式(2)计算求得：

(2)

图3 膜盒结构示意图

2 测量影响因素分析

在进行膜盒容积测量时，充气顺序不同(先向已知容积的气罐充气和先向被测膜盒充气)，膜盒容积测量结果遵循的公式不同，如式(1)和式(2)，对比这两个公式可以看出，先向已知容积的气罐充压时，膜盒容积计算公式中多了一个影响因素V0(自由状态下膜盒容积)，且被测膜盒自由状态下容积V0实际为不定量，其受不同膜盒产品的差异性以及反复充放气的影响，因此在计算过程中使用V0的理论值时，计算结果存在偏差。如果无法排除被测膜盒自由状态下容积的影响，不建议采用先向已知容积的气罐充气的方式。

针对先向被测膜盒产品充气的方式，分别以初始充气压力及压力表精度对膜盒容积测量结果的影响进行分析，具体如下。

1) 初始充气压力对膜盒容积测量结果的影响

首先向膜盒充压时，膜盒容积测量结果可通过式(1)计算得到，将式(1)分别对初始充气压力p1、连通后稳定压力p2、容积V1、容积V2、容积V3求导，可得：

(3)

(4)

(5)

(6)

将试验数据p1=0.4 MPa，p2=0.18 MPa，V1=2 L，V2=0.01965 L，V3=0.02467 L分别代入式(3)～式(5)，结果如下：