重复使用增压输送系统试验技术研究

姚巍 李龙 北京航天试验技术研究所 北京 100074

摘 要：针对某型号重复使用增压系统优化方案试验验证与对比分析需求，利用现有条件搭建重复增压输送试验系统，试验系统模拟箭上工作环境，电子阀组施加振动条件。本文首先介绍了试验内容、试验参数、试验系统组成及原理，其次重点介绍了试验过程各个工况的设计及对比结果。通过与试验数据对比，为重复使用增压输送系统方案设计与优化提供了数据支撑。

关键词：重复增压，验证试验

引言

根据国防科工局民用航天项目—火箭动力重复使用运载器一级总体要求，完成重复使用增压输送系统原理试验。开展重复使用增压输送系统原理试验，对重复使用增压系统优化方案进行试验验证与对比分析。建立液甲烷贮箱增压输送仿真模型，为液甲烷重复增压输送系统试验方案的制定与优化设计提供分析工具。

1项目概况

液氧甲烷可重复使用型运载器是当前的研究热点之一，在长寿命使用周期下，如何通过优化增压输送模式提高增压系统可靠性、系统冗余能力，是当前的研究方向之一。

根据《重复使用增压输送系统原理试验论证仿真研究》报告，通过优化增压系统配置，可大大减少了单个电磁阀的动作次数，实现单次试验周期内电磁阀动作次数减少的目的。该报告对重复使用增压输送系统原理验证过程进行了仿真分析，仿真分为两部分，一是优化前采用两个电磁阀增压，其中主电磁阀为1个，另外1个为备份，电磁阀喉径均为1.5mm。仿真结果表明工作期间主电磁阀开关10次；二是优化后采用四个电磁阀增压，其中主电磁阀为2个，另外2个为备份，经过仿真优化，得到当电磁阀喉径均为0.61mm，主电磁阀动作次数最小，分别为3次和1次。

拟通过开展重复使用增压输送系统原理试验，对增压输送系统优化方案进行试验验证与对比分析，建立液甲烷贮箱增压输送仿真模型，以期为重复使用增压输送系统设计提供支撑。

2系统组成

如实际系统搭建图所示，系统由配气板、增压气瓶、电磁阀组、控制器、贮箱增压管路、地面充气管路、排液管路、排放孔板以及贮箱排气管路、测量控制系统组成。为模拟箭上工作环境，电子阀组施加振动条件。控制系统在常规压力测点、流量测点及阀门控制的基础上增加逻辑控制，实现试验件电磁阀的开关计数功能。

图1试验系统与原理图

2.1工艺水箱及地面增压及电磁阀系统

水箱及附件工艺系统图如图2所示地面增压及电磁阀系统如图3所示，由气瓶、电磁阀组、控制器、贮箱增压管路、地面充气管路组成；其中地面增压管路采用DN20的不锈钢管路进行增压，由增压电磁阀和孔板组成。

电磁阀组的数量为2个或者4个，每组试验分别包含优化前与优化后工况，其中电磁阀与气瓶串联，气瓶采用12L,23MPa的高压气瓶，电磁阀与控制器连接。电磁阀组具有振动条件。

图2水箱及附件工艺系统图 图3增压系统图

2.2试验工况

根据设计要求，试验一共分为24个工况，增压电磁阀压力带如下：1号电磁阀压力带为0.30-0.34MPa，2号电磁阀压力带为0.31-0.35MPa，3号电磁阀压力带为0.32-0.36MPa，4号电磁阀压力带为0.33-0.37MPa。根据试验方案中15L/s、30L/s的参数要求，在箱压0.4MPa条件下对排放孔板孔径进行了设计，分别对应为36mm、48mm。孔板大小分别为0.6mm，0.8mm和1.0mm。

3试验技术研究

工况1箱压曲线、排放流量曲线试验和仿真结果分别如图4图5所示，根据工况1试验结果，初始箱压为0.45MPa，打开排放阀后开始排液，箱压逐渐下降，试验数据显示箱压最低降至0.32MPa以下，根据增压电磁阀压力带，该过程中4号、3号电磁阀会依次打开。试验数据显示随后箱压最大增至约0.38MPa，则该过程中3号、4号电磁阀会依次关闭。后续过程同上。该工况仿真中，仿真结果显示开始试验箱压降至0.33MPa后，4号电磁阀开启，箱压不再往下继续减小，储箱压力上升至0.37MPa后4号电磁阀关闭。

由上分析可知，箱压试验曲线在0.32~0.38MPa之间波动，仿真曲线在0.33~0.37MPa之间波动，仿真误差3.03%。流量试验曲线和仿真曲线均在17.5~19.2L/s之间波动。

图4箱压曲线试验和仿真结果对比 图5 流量曲线试验和仿真结果对比

小流量18L/s工况总结如下：工况1-6为增压孔板3mm的工况，7-12为增压孔板2mm的工况，主要的区别系统的增压能力的区别，4个电磁阀为系统优化后的方案，增压系统冗余能力提高、个别电子阀损坏后系统能维持正常运转。

大流量35L/s工况总结如下：工况13-18为增压孔板2mm的工况，19-24为增压孔板3mm的工况，主要的区别系统的增压能力的区别，4个电磁阀为系统优化后的方案，增压系统冗余能力提高、个别电子阀损坏后系统能维持正常运转。

4结论

通过重复增压试验系统的设计和试验系统的搭建，最后完成了重复使用增压输送系统原理试验24个工况的试验，得到以下结论：

1、单次试验周期内电磁阀动作次数减少，进而降低系统故障率，提高系统整体寿命。

2、增压系统冗余能力提高、个别电子阀损坏后系统能维持正常运转。

3、增压系统适应范围加大、排液流量变化时贮箱气枕压力可维持在合理区间内。

参考文献

[1] 陈阳,张振鹏等. 低温推进剂贮箱增压系统分布参数数值仿真Ⅱ增压系统数值模型与仿真结果[M]. 航空动力学报, 2008,23,2:229-335.

[2] 瞿骞. 高压、小气枕低温贮箱智能增压技术[M]. 低温工程,2005,5:22-25.