基于压力信号器控制的贮箱地面增压技术应用分析

王 梁，李 根，孙 贺，刘卓然，王洪丽

(北京航天发射技术研究所，北京 100076)

0 引言

液体火箭推进剂贮箱在射前流程中要进行地面增压，以满足发动机点火启动时的初始压力要求。目前贮箱地面增压方式主要包括3种：手阀控制增压、基于压力传感器控制电磁阀增压和基于压力信号器控制电磁阀增压。手阀控制增压是通过地面配气台岗位人员操作增压供气手动截止阀给贮箱充气至要求值，该方式无法实现远程控制，目前主要应用于国内常规推进剂运载火箭；基于压力传感器控制贮箱增压是在地面配气台的贮箱测压气路上设置压力传感器器或直接利用箭上贮箱压力传感器采集贮箱压力数据，通过软件设置控制增压供气电磁阀启闭，实现贮箱自动增压，该方式可以实现远程控制，但对动力测控系统软件设计提出更高的要求，目前主要应用于国内新研型号低温运载火箭；基于压力信号器控制贮箱增压是在地面配气台的贮箱测压气路上设置压力信号器，通过压力信号器通断来控制增压供气电磁阀启闭，实现贮箱自动增压，该方式技术简单可靠，同时又能实现远程控制，目前仍广泛应用于我国现役某些成熟型号运载火箭。本文将结合发射场实际应用情况对基于压力信号器控制的贮箱地面增压技术进行介绍分析，为同类技术应用提供参考。

1 基本组成及工作原理

基于压力信号器控制的贮箱地面增压系统基本组成如图1所示，主要包括：增压电磁阀、节流孔板、压力信号器、供气管路及动力继电器机柜。其中，增压电磁阀用于控制气路通断；节流孔板用于控制充气流量；压力信号器通过测压管路与贮箱气相空间连通，用于控制增压继电器电路通断；动力继电器机柜内设增压继电器用于控制增压电磁阀电路通断，增压控制基本电路如图2所示。

图1 贮箱地面增压系统基本组成Fig.1 Basic components of tank ground pressurization system

图2 贮箱地面增压控制基本电路Fig.2 Basic circuit of tank ground pressurization control

选用的压力信号器为常闭式机械感应压力开关，基本结构如图3所示，主要由膜盒、定片触点、动片顶杆、膜盒顶杆和壳体等组成。当贮箱压力上升至压力信号器设定值时，膜片产生变形，推动动片顶杆和动片触点运动，动片触点与定片触点分离，压力信号器断开。当贮箱压力下降至压力信号器设定值时，膜片变形复位，动片触点与定片触点接触，压力信号器接通。

图3 压力信号器结构示意Fig.3 Structural representation of pressure switch

基于压力信号器控制的贮箱地面增压原理为：贮箱增压前先接通前端配气台扭子开关，之后后端动力测控系统启动增压程序，动力继电器机柜内KB0继电器接通，进而驱动KB1继电器接通，控制增压电磁阀开启，开始给贮箱充气。当贮箱压力升高达到压力信号器设定值时，压力信号器断开，驱动KB1继电器断开，增压电磁阀关闭，停止给贮箱充气。当贮箱压力下降至压力信号器设定值时，压力信号器再次接通，继续给贮箱补压，维持贮箱压力在要求值范围内。

2 发射场技术应用情况

2.1 常温贮箱地面增压

常温推进剂贮箱射前地面增压时间较为宽裕，对增压速度无严格要求，主要保证增压精度，一般采用单气路单压力信号器控制增压，增压系统组成同图1所示。

图4 某常温贮箱射前增压压力曲线Fig.4 Pressurization process of a room temperature tank

从图4中可以看出：该常温贮箱增压近似呈线性增压过程，在45 s时，贮箱压力升高至压力信号器设定值0.253 MPa；在52 s时，贮箱压力达到最高值0.263 MPa；之后由于贮箱稳压，贮箱压力逐渐缓慢下降并趋于稳定，一直持续至气管连接器脱落。贮箱稳压过程中贮箱压力仍高于压力信号器设定值，压力信号器未再次接通补压。

2.2 低温贮箱地面增压

低温贮箱推进剂加注一直持续至临射前几分钟，贮箱射前增压时间较为紧张，因此在满足增压精度要求的基础上，低温贮箱射前地面增压还要求较快地增压速率，一般采用双气路双压力信号器控制增压。典型低温贮箱地面增压系统组成如图5所示，其中一路增压气路使用较大通径孔板，用于保证增压速率；另一路增压气路使用较小通径孔板，以保证增压精度。大增压力信号器设定值小于小增压力信号器。

图5 低温贮箱地面增压系统基本组成Fig.5 Basic components of cryogenic tank ground pressurization system

低温贮箱射前地面增压流程及工作原理为：增压开始时，大增供气路电磁阀和小增供气路电磁阀同时接通，双气路同时供气给贮箱增压；当贮箱压力达到大增压力信号器设定值时，大增压力信号器断开，控制大增路增压电磁阀关闭，大增供气路停止增压，小增供气路则继续保持增压；当贮箱压力继续升高达到小增压力信号器设定值，小增压力信号器断开，控制小增供气路增压电磁阀关闭，停止给贮箱充气。当贮箱压力下降至小增压力信号器设定值时，小增压力信号器再次接通，继续给贮箱补压，维持贮箱压力在要求值范围内。

图6 某低温贮箱射前增压压力曲线Fig.6 Pressurization process of a cryogenic tank

从图中可以看出：在双压力信号器同时接通时，贮箱增压曲线斜率较大，增压速率较大，在18 s时，贮箱压力升高至大增压力信号器设定值；大增压力信号器断开后，仅小增压力信号器接通时，增压曲线斜率较变缓，增压速率减小，在28 s时，贮箱压力升高至小增压力信号器设定值；在38 s时，贮箱压力达到最高值0.350 MPa；之后，由于贮箱稳压，贮箱压力逐渐缓慢下降，由于贮箱稳压过程中贮箱压力降至低于压力信号器设定值，小增压力信号器再次接通二次进行补压，直至气管连接器脱落。

3 增压后效控制分析

从图5和图6增压过程曲线可以看出，贮箱压力在达到压力信号器设定值时，压力信号器断开，增压停止，但贮箱压力仍会上升至一最高值，即存在增压后效。火箭贮箱上设置有安溢活门，当贮箱压力高于安溢活门开启值，会导致安溢活门打开，增加箭上活门射前动作隐患。因此，贮箱射前增压在满足贮箱最终压力要求的前提下，还必须将增压后效控制在合理范围。

贮箱射前地面增压过程近似是一个定容积充气过程，地面增压系统通过供气管路将增压供气高压气体输送至贮箱。为便于分析，作出如下假设：

1)增压气体近似为理想气体，气体压缩性系数取为1；

2)增压过程贮箱气枕温度保持不变；

3)忽略箭上单向阀开启压差。

结合贮箱地面增压系统组成及工作原理进行分析，增压后效主要由两部分组成：1) 由于压力信号器、测控系统电路、增压电磁阀组成的增压控制回路存在一定的动作响应时间，在该响应时间内，当压力信号器断开时，增压气体仍然持续进入贮箱，产生压力后效，即增压停止动作响应时间内进入贮箱多余的气体产生的压力后效；2)增压电磁阀设置在发射塔架配气台内，配气台与箭体贮箱之间通过一定长度的供气管路相连通。因此增压电磁阀与贮箱之间存在一定的管路气体容积，增压停止时，增压电磁阀与贮箱间的供气管路仍存有较高压力的气体，该部分气体由于与贮箱间存在压力差会导致管路内气体继续进入贮箱直至与贮箱达到压力平衡，即增压停止后增压电磁阀与贮箱之间供气管路中较高压力的气体进入贮箱产生的压力后效。即

=+

(1)

贮箱气枕压力计算公式为

(2)

式中，为贮箱气枕压力，单位Pa；为贮箱气枕气体质量，单位kg；为气体压缩性系数，理想气体取=1；为气体常数，单位J/(kg·K)；为贮箱气枕温度，单位K；为贮箱气枕容积，单位m。

则

(3)

式中，为增压电磁阀动作响应时间内进入贮箱多余的气体质量，单位kg，=；为增压电磁阀动作响应时间，单位s；为增压充气流量，单位kg/s，由于较小，认为时间内，保持不变。

则

(4)

忽略箭上单向阀开启压差，则有

(5)

式中，为增压电磁阀与贮箱之间供气管路气体容积，单位m；为增压电磁阀与贮箱之间供气管路气体压力，单位Pa；为贮箱增压目标压力，即压力信号器起跳值压力，单位Pa。

则

(6)

对上式进行分析，对于给定设计输入(增压气体介质、贮箱气枕容积、贮箱气枕温度)的贮箱地面增压系统，影响增压压力后效大小的主要因素包括：增压充气流量、增压电磁阀动作响应时间、增压电磁阀后供气管路气体容积。显然，在其他因素不变的情况下，增压充气流量越大，贮箱增压压力后效越大；增压电磁阀动作响应时间越长，贮箱增压压力后效越大；增压电磁阀后供气管路气体容积越大，贮箱增压压力后效越大。

增压充气流量由增压供气管路进出口压差、管路通径、管路流阻共同决定。在确定增压供气压力和管路通径的情况下，一般通过设置节流孔板来改变管路流阻，进而控制充气流量。节流孔板流量计算公式为

(7)

由式(7)可知，节流孔板通径越大，增压充气流量越大。显然，孔板后管路压力也越高。因此，结合式(6)分析可知，节流孔板通径越大，在增压电磁阀动作响应时间内，进入贮箱多余的气体就越多，增压后效越大。

贮箱地面增压系统设计时，对于选定的硬件而言，增压动作响应时间可以通过试验进行确定；增压电磁阀与贮箱之间的供气管路规格、长度确定后，可以计算出供气管路气体容积；在初步确定供气管路节流孔板通径后，通过理论计算或者借助工程仿真软件AMESIM进行增压仿真分析来计算增压后效大小，再根据计算结果并结合发射场试验对增压孔板通径进行调整，进而控制增压充气流量，使贮箱增压压力后效满足要求。

图7 贮箱地面增压仿真模型Fig.7 Simulation model of ground pressurization of tank

表1 仿真模型主要参数配置

图8 不同孔板通径下的贮箱增压压力曲线Fig.8 Pressurization process of tank with different orifices

从图8中可以看出，节流孔板通径越大，贮箱增压过程中达到的压力最高值越大，即增压后效越大。同时可以看出，节流孔板通径越大，贮箱增压速度越快，贮箱增压到目标压力所需时间也越短。0.5 mm,1 mm，1.5 mm节流孔板通径下的贮箱增压压力满足要求；2 mm，2.5 mm节流孔板通径下的贮箱增压最高压力已超出目标值要求，因此初步可以选择增压孔板通径为0.5 mm，1 mm，1.5 mm。最终孔板通径大小需进一步结合发射场试验情况，并综合考虑增压时间进行确定。

4 压力信号器失效故障应对分析

压力信号器作为贮箱地面增压系统关键控制元件，压力信号器失效将直接影响贮箱射前增压功能实现，甚至导致发射任务推迟。压力信号器为常闭式压力开关，其主要失效模式为通断异常，具体如下：

1)压力升到设定值未断开，造成的影响是贮箱增压不止。

2)压力降到设定值未接通，造成的影响是贮箱压力下降后无法自动补压。

针对上述故障模式，贮箱地面增压系统在设计时通过设置紧急放气电磁阀、冗余备份压力信号器和冗余备份增压电磁阀，在原压力信号器失效的情况下，可以实现紧急放气和冗余备保增压，确保贮箱射前增压工作正常。典型系统设计如图9所示。

图9 典型贮箱地面增压系统设计Fig.9 Typical design of tank ground pressurization system

5 结论

基于压力信号器控制贮箱地面增压技术简单可靠，目前仍广泛应用于我国现役某些型号运载火箭。常温贮箱射前地面增压时间较为宽裕，一般采用单气路单压力信号器控制增压；低温贮箱射前地面增压时间较短，要求较快的增压速率，一般采用双气路双压力信号器控制增压。

贮箱射前地面增压存在压力后效，影响压力后效大小的主要因素包括：增压充气流量、增压电磁阀动作响应时间、增压电磁阀后供气管路气体容积。发射场实际应用过程中，通过在供气管路上设置合适的节流孔板来控制增压充气流量，进而控制贮箱增压压力后效满足要求。

针对压力信号器失效故障模式，通过设置紧急放气电磁阀和冗余设计实现紧急放气和冗余备保增压，可以确保贮箱射前增压工作正常。