卫星并联贮箱均衡排放的研究

朱一骁,王申,张乾鹏,夏勇

(1. 上海空间推进研究所,上海 201112; 2. 上海空间发动机工程技术研究中心,上海 201112;3. 上海卫星工程研究所,上海 201109)

0 引言

国内外大型的推进系统大多采用4只贮箱并联布局的方式,4只贮箱分别为2只氧化剂贮箱和2只燃料贮箱。同种组元的贮箱两两并联,为下游发动机提供推进剂[1]。由于并联的贮箱上下游压力存在偏差,导致贮箱内的推进剂排放不均衡,进一步导致整星质心产生偏移[2-3]。因此,推进系统并联贮箱均衡排放具有十分重要的意义。

目前,为保证并联贮箱均衡排放性能,主要是通过配平流阻的方式来实现,做法为在系统交付前进行地面水试试验,通过在贮箱出口各支路设置不同的孔板进行流阻配平来实现[4-5]。在试验过程中,需要对孔板的孔径进行初步的预估,由于后续的修正工作全部基于孔板初始尺寸进行,因此孔板加工初始尺寸的准确度直接影响到整个地面水试试验的时间。

随着卫星研制周期的不断缩短,减小地面水试试验的时间成为必需之举。本文以某型号卫星的管路布局为基础,在众多能够进行液压气动系统数值模拟的软件中[6],选取AMESim软件建立并联贮箱均衡排放的预测模型,对孔板初始尺寸进行预测并在后续的地面水试试验中进行验证。

1 系统建模

图1为某型号卫星的推进系统燃料和氧化剂管路的Creo模型示意图。系统包括燃料部分和氧化剂部分,每个部分均有支路和主路。主要由直管、弯管、孔板、三通和自锁阀组成。在数值模拟建模时,为便于计算,对结构模型进行适当简化。其中,自锁阀由于其工作原理,可以近似用孔板进行数值模拟。根据系统原理,使用AMESim的液压库和液阻库,分别建立了系统氧化剂支路和燃料支路的AMESim数值模拟模型,如图2所示。其中,管路直径为6.4mm,自锁阀和孔板的初始尺寸为3.2mm,初始流量系数Cq为0.7,氧路/燃路的流阻为(0.1±0.01)MPa。

图1 推进系统模型示意图

图2 推进系统建模示意图

2 模型仿真

根据自锁阀产品的测试结果,分别对氧化剂支路(TOA/TOB)和燃料支路(TFA/TFB)的自锁阀模型进行修正,仿真结果与测试数据的对比如表1所示。

表1 各支路自锁阀数据对比表(校准前)

根据产品测试结果,对自锁阀尺寸进行修正,保持自锁阀流量系数,修正后的自锁阀尺寸及其仿真结果如表2所示。从表中可以看出,自锁阀尺寸经过修正后,仿真结果与产品测试结果吻合。

表2 各支路自锁阀数据对比表(校准后)

根据推进系统使用需求,要保证各支路总流阻在(0.1±0.01)MPa,根据使用需求对各支路孔板尺寸进行预测。

3 地面水试试验

3.1 试验系统

并联贮箱试验系统原理如图3—图4所示。系统主要包括两个表面张力贮箱及相关阀门管路组成的两个并联贮箱支路,贮箱TKA所在支路为A支路,贮箱TKB所在支路为B支路,并联贮箱支路包括贮箱和液路管组件(含大流量自锁阀、液路管和节流孔板)。

图3 流阻调节系统图

图4 流阻调节系统原理图

球阀SV5和SV7分别用于双贮箱模拟工质加注和气路增压,球阀SV6控制贮箱模拟工质排出,针阀ZV1用于调节并联贮箱的排放流量,流量计MS1用于测量排放流量,电子秤测量贮箱模拟工质的加注量和剩余量。压力传感器PT1、PT2测量贮箱气路的压力,PT3测量节流孔板三通下游的压力。

3.2 试验参数

主要试验参数如下:

1)增压气体:氮气,按GB/T8980—96要求,增压压力0.9～1.0MPa;

2)试验介质:去离子水,按GB6682—92要求三级水以上;

3)贮箱:加注量约95%;

4)流阻调试要求:氧路调试水当量为45.2g/s,液路管组件流阻(0.1±0.01)MPa;燃路调试水当量为35.2g/s,液路管组件流阻为(0.1±0.01)MPa;并联贮箱支路流阻偏差不大于0.003MPa;

5)不均衡排放指标:流阻调节完成后,进行并联贮箱恒压排放测试,单个贮箱加注量大于200L且加注液面应位于贮箱柱段;要求不均衡排放量≤1%单个贮箱容积(内控指标)。若不均衡排放量不满足该指标要求,需重新进行流阻调节。

3.3 试验设备

并联贮箱均衡排放试验产品配套包括表面张力贮箱、自锁阀、节流孔板(图5)、三通组件等。配套设备包括贮箱停放工装、高精度电子秤、操作台、测控与数据采集系统等。

图5 节流孔板实物图

3.4 试验流程

试验前完成试验设备的检查准备工作,用氮气对试验管路吹气,吹除多余物,之后进行并联贮箱流阻调节试验。

1)把贮箱下游加注口管路断开,开SV5,其余全关,对管路进行冲洗后连好管路,水截至贮箱下游球阀SV3、SV4处,关SV5;

2)对贮箱及停放架进行质量称量;

3)通过SV3、SV4对贮箱进行加注,单个贮箱加注量200～670L;

4)并联贮箱同步排放,过程中为保证液路管组件流阻为(0.1±0.01)MPa,并联贮箱支路流阻偏差不大于0.003MPa的要求,需持续拆卸、修正、安装孔板,直至满足需求。

3.5 试验结果

氧化剂路(TOA/TOB)孔板尺寸为φ2.6mm,TOA流阻为0.101 5～0.101 6MPa,TOB流阻为0.101 6～0.101 7MPa;燃料路(TFA/TFB)孔板尺寸为φ2.15mm,TFA流阻为0.101 2～0.101 3MPa,TFB流阻为0.100 9～0.101 0MPa。

4 误差分析

根据试验测试的各支路流阻,使用仿真模型对孔板尺寸进行计算,基于孔板结构,流量参数选取0.8～1.0进行仿真,对比结果如表4所示。

表4 孔板尺寸数据对比表

考虑到试验过程中孔板修正操作对孔板流量系数的影响,孔板的流量系数在0.9左右,仿真误差为4.62%～14.7%,误差来源主要为:1)自锁阀阀芯行程有所差异,测试结果存在10%左右的误差;2)测试管路与仿真管路存在加工误差;3)测试管路与仿真管路的表面粗糙度存在误差。

通过误差分析,对仿真模型提出两种修正方案,分别为尺寸系数修正(αX)和尺寸常数修正(X+β)。基于本文仿真和测试数据,初步得到α=0.87～0.96,β=-0.12～-0.32。修正后的仿真模型经该型号后续卫星试验验证,可以较为准确地预测孔板尺寸,后续拟根据其他型号卫星地面试验结果进一步修正,得出具有普适性的修正方程。

5 结语

本文根据某型号卫星的推进系统,基于AMESim建立了并联贮箱均衡排放的预测模型,采用自锁阀产品的试验数据进行修正后,应用于后续的地面水试试验。试验验证了仿真模型的可行性并提出了仿真模型的修正参数。修正后的仿真模型可以较为准确地预测该型号后续卫星的孔板尺寸,节约了地面水试试验的时间,可为缩短卫星型号研制周期提供帮助。