新一代运载火箭闭式增压控制系统设计与实现

胡海峰 宋征宇 范瑞祥

1.北京航天自动控制研究所，北京100854

2.中国运载火箭技术研究院，北京100076

运载火箭作为航天活动的基础，因其能力和水平决定了一个国家进出宇宙空间的能力，所以一直都是各国优先考虑和重点发展的对象。进入二十一世纪，为适应航天技术快速发展的要求，中国相继开始研制新一代大型、中型和小型运载火箭，推力为50t级的氢氧发动机和推力为120t级的液氧煤油发动机将作为新一代运载火箭的主要动力系统［1-2］。同时，还需要研究新一代运载火箭配套的增压控制系统。

1 液体运载火箭增压系统简介

液体运载火箭在点火启动和飞行过程中，随着燃料的迅速消耗，以及飞行时引力、大气压和热交换的变化带来的影响，推进剂贮箱内的压力会迅速下降，导致推进剂不能正常供应，因此需要有压力控制系统来提升和稳定贮箱内的压力，该系统称为增压系统。系统需要根据推进剂贮箱的气枕压力曲线设计，满足气枕的压力需求［3-5］。增压系统是液体运载火箭的重要功能组成部分，它的功能是提供液体火箭推进剂贮箱气枕压力，满足发动机启动及飞行过程中所需的推进剂入口正常的工作压力，满足火箭推进剂贮箱薄壁结构承载所需的内压要求，保证贮箱结构有足够的强度和刚度［1，4，6］。增压系统按照增压介质来源不同分为 3类［1，7-10］:1)利用发动机燃烧产物作为增压介质的燃气增压;2)利用火箭的推进剂组元经发动机加热汽化作为增压介质的自生增压;3)配备独立贮存增压介质的贮气式增压。以增压压力是否受控进行区分，增压方案可分为开式增压和闭式增压2种。开式增压系统组成简单，但增压气体流量固定，增压压力设计值一般偏高，增压气体使用量相对较多。闭式增压方案需要设置贮箱压力敏感装置和增压流量调节装置，系统较为复杂，但在节约增压气体用量方面具有显著优势。国内外使用气瓶增压的低温液体运载火箭普遍采用闭式增压。对于气瓶增压方案中的闭式增压控制主要有3种模式，对比见表1。

表1 闭式增压控制方案对比分析

通过闭式增压控制方案分析［1］，新一代运载火箭120t级液氧煤油动力系统煤油贮箱采用常温氦气增压，液氧贮箱采用常温氦气加温增压，通过设置在贮箱气枕的冗余数字式压力传感器敏感贮箱压力，增压控制器基于压力数据和增压控制方程对多路并联的电磁阀进行打开/关闭控制，从而实现增压氦气流量调节，将贮箱压力控制在理想范围内。

2 高可靠全数字闭式增压控制系统

2.1 闭式增压控制系统框图

针对新一代运载火箭动力系统推进剂贮箱增压需求，提出一种高可靠全数字闭式增压控制系统，可靠灵活地实施推进剂贮箱压力控制。系统由冗余数字压力传感器、增压控制器、多路增压电磁阀及孔板、气瓶组、过滤器和配套的电路气路组成闭式反馈压力控制系统，见图1。系统通过设置在贮箱气枕的冗余数字压力传感器敏感贮箱压力，压力传感器基于薄膜应变式测压原理采用惠斯通电桥测量压力，并将压力信号通过数字总线传输给三模冗余增压控制器;增压控制器冗余录取三组贮箱压力传感器信号，经数据合理性判别、滤波处理后按增压控制算法以三取二方式实现多路电磁阀的开闭程序控制，并设计备保固定时序增压控制算法实现压力数据极端故障下的备保压力控制，从而实现增压气体流量调节，将贮箱压力控制在理想范围。推进剂贮箱冗余设置数字压力传感器，每个贮箱设置3个，贮箱压力由引压管引出并与压力传感器敏感端面相接，实现对同一被测物理量压力的冗余测量。贮箱冗余数字压力传感器、三模冗余增压控制器、增压电磁阀等组成三模系统级冗余控制回路，主增压电磁阀、辅增压电磁阀、备保增压电磁阀构成系统的容错控制对象，加热器为气路中增压气体加热设备。数字压力传感器在火箭中的安装见图2。

图1 高可靠全数字闭式增压控制系统框图

图2 冗余数字压力传感器安装

2.2 数字压力传感器设计

数字式压力传感器用于储箱压力测量，在起飞前参与加注过程、射前增压过程、射前增压控制和贮箱压力监测，飞行过程中实时获取贮箱压力，作为控制系统进行增压控制的判据。推进剂贮箱冗余设置数字压力传感器，每个贮箱设置3个，每个数字压力传感器包括压力单元、敏感元件、信号调理单元、微处理器单元和通信接口，整机采用一体化设计，见图3。贮箱压力由引压管引出，并与压力传感器敏感端面相接，实现对同一被测物理量压力的冗余测量。压力单元将贮箱压力传递给敏感元件，敏感元件感应外部压力并转换为差动毫伏级电压信号，将该信号经信号调理单元依次检波、滤波和放大调理为模拟量电压信号后送至微处理器，微处理器采集放大后的压力电压信号，并对该信号进行温度补偿、零点校准和线性校正后成为数字压力信号，再将该数字压力信号组帧后形成帧格式的数字压力信号，通过通信接口以数字信号形式输出至增压控制器。压力传感器结构见图4。

图3 数字压力传感器功能框图

图4 压力传感器结构示意图

数字式压力传感器基于薄膜应变式测压原理，当被测压力发生变化时，弹性膜片相应发生微小形变，由于电阻应变效应迫使惠斯通电桥桥臂电阻值发生变化，从而使传感器的输出电压值也相应的发生变化，压力传感器技术指标如下:量程:0～0.6MPa;精度:≤1%F.S;过载压力:1.5倍量程，安全压力:2倍量程;电源供电:±15V±1V;电流功耗:+15V≤80mA，-15V≤30mA;输出接口:双路隔离RS-485串行数字接口。

2.3 增压控制器设计

增压控制器采用三模冗余设计，由控制装置1，2，3和指令输出模块组成，见图5。三控制装置相同，每余度控制装置独立供电，具有独立的CPU，各采用独立的数字通信接口分别录取冗余设置的贮箱压力信号。指令输出模块采用固态继电器三取二的方式，由3个控制装置分别控制5个继电器动作，当至少2个控制装置有输出时指令才被输出，如图4中 AKi，BKi，CKi(i=1，2)代表三块 CPU 板控制的固体继电器，以第一路功率指令输出为例，功率指令输出采用以下控制逻辑:

AK1，BK1，BK2，CK1，CK2 为控制逻辑，取值为逻辑0或逻辑1;AKi为CPUA控制逻辑;BKi为CPUB控制逻辑;CKi为CPUC控制逻辑。“∩”为逻辑与运算，“∪”为逻辑或运算，当OUT功率指令1为逻辑1时，功率指令控制通路接通，供电电源加载至增压电磁阀负载，实现增压电磁阀开闭控制。

2.4 增压控制方法

闭式增压控制控制系统基于控制周期实施增压控制，滤波周期为200ms，滤波算法采用最小二乘滤波，每个控制周期对200ms内实际收到的压力数据进行递推滤波计算，压力传感器每20ms发送1组压力数据，每个有效压力数据(a＜压力值＜b)递推1次，无效数据不参与迭代，200ms完成1次滤波，根据最终滤波结果进行增压控制。当200ms控制周期内有效压力数据≥5个，则认为本控制周期内参数有效;控制周期内有效压力数据≤4个，则认为本控制周期内参数无效，滤波结果输出0，进行备保固定时序增压控制。系统设置允许增压标志，在允许增压时间段内，根据200ms内有效压力数据个数进行正常增压和备保增压控制的切换，直至禁止增压。闭式增压控制流程见图6。

图5 三模冗余增压控制器原理框图

图6 闭式增压控制流程

增压控制器对3组数字压力信号的值yi分别进行压力数据合理性判别，公式如下:

其中:a为数据合理性判别下限;b为数据合理性判别上限。

闭式增压控制系统设计多路增压电磁阀实现多增压流量控制，具有冗余容错控制能力，增压电磁阀包括主增压电磁阀、辅增压电磁阀和备保增压电磁阀，每路电磁阀由增压控制器三取二表决输出的功率指令驱动，并设计独立的增压控制带，高于控制带上限时该阀门关闭，低于控制带下限时阀门打开，在上下限之间维持上一时刻状态，增压电磁阀控制逻辑见式(2)～(4):

式(2)～(4)中，y为每周期压力计算结果，y1(t)，y2(t)，y3(t)，y4(t)，y5(t)，y6(t)分别为主增压电磁阀、辅增压电磁阀、备保增压电磁阀的控制阈值，控制阈值为时间t的时变函数，当增压控制阈值更改时可只更改相应的软件，增压控制适应性大大提高。

当控制周期内有效压力数据≤4个，则实施备保固定时序增压控制。备保固定时序增压控制以允许增压点为计时零点，在备保增压控制的时间段进行固定逻辑备保增压控制，当贮箱压力恢复正常时，实时恢复正常闭式程序增压控制。备保固定时序增压控制以备保增压需求进行设计，以主增压电磁阀周期开闭、辅增压电磁阀时刻定时开闭(t2时刻打开)、备保增压电磁阀定时开闭(t3时刻打开)为例，并按主增压电磁阀开闭周期8s(4.5s关闭，3.5s打开)设计备保固定时序增压控制，见图7。

图7 备保固定时序增压控制

增压电磁阀接到增压控制器输出的时序功率指令后，电磁阀打开，气瓶组的气体通过过滤器，再经过增压电磁阀和增压孔板后，将气瓶组的气体经过加热器加热后送至贮箱内的消能器，经消能器消能送至贮箱，直至贮箱压力到达需要范围，当贮箱压力大于阈值范围时相应增压电磁阀关闭。

3 工程应用与试验结果

闭式增压控制系统应用于新一代运载火箭，参加了动力系统试车，控制系统增压控制器录取冗余数字压力传感器敏感的压力信号，增压控制软件对压力数据进行合理性判别后剔除无效数据，并对有效数据进行滤波，根据滤波结果和预先确定的压力控制带，增压控制器控制增压电磁阀开闭实现贮箱压力的实时闭环控制。在4次试车过程中，闭式增压控制设备正常，系统工作正常，压力按预期结果实现了闭式控制。试车过程中氧箱3个压力传感器Y1，Y2，Y3之间的偏差最大为2kpa，燃箱3个压力传感器R1，R2，R3的数据偏差最大为6kpa，均在压力传感器精度范围内。某模块动力系统试车试验压力变化曲线见图8～9。

图8 一级氧箱压力曲线

图9 一级燃箱压力曲线

4 结论

针对新一代运载火箭动力系统及推进剂贮箱增压需求，提出一种液体运载火箭高可靠全数字闭式增压控制系统，贮箱设置冗余数字压力传感器实时敏感贮箱压力，采用三模冗余控制装置进行三取二表决控制增压电磁阀，通过软件实现对贮箱压力控制带的灵活设置和调整，压力控制带可随火箭飞行过程变化，从而可靠灵活地实现推进剂贮箱压力控制，新一代运载火箭动力系统试车试验表明该方案可行。本文闭式增压控制系统产品通用性好且制造难度低，产品配套容易，压力控制带可通过软件装订，更改灵活，重要参数射前可监测，测试性好，增压控制可靠性高，能够在液体运载火箭增压系统中推广应用。

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