運(yùn)載火箭貯箱增壓控制技術(shù)發(fā)展綜述

孫禮杰，金 鑫，程光平，張 亮

(上海宇航系統(tǒng)工程研究所,上海 201109)

運(yùn)載火箭貯箱增壓控制技術(shù)發(fā)展綜述

孫禮杰，金 鑫，程光平，張 亮

(上海宇航系統(tǒng)工程研究所,上海 201109)

隨著運(yùn)載火箭低成本、高可靠性的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)貯箱增壓的控制技術(shù)提出了更高的要求。在研究國(guó)內(nèi)外火箭的增壓控制技術(shù)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，總結(jié)提煉出增壓控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，為后續(xù)新型火箭的研制提供參考。

火箭；增壓；控制

0 引言

貯箱增壓控制技術(shù)是運(yùn)載火箭動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，研制一套高可靠度并且成本低廉的增壓控制系統(tǒng)是火箭研制過(guò)程中必須考量的重要問(wèn)題。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)多個(gè)新型火箭進(jìn)入了密集研制期，研究貯箱增壓控制技術(shù)的發(fā)展情況有助于提高我國(guó)運(yùn)載火箭動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)水平，也可為我國(guó)新型火箭的研制提供技術(shù)參考。

1 箱壓控制技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

貯箱增壓有開(kāi)式增壓和閉式增壓兩種方案。開(kāi)式增壓無(wú)論采用燃?xì)饣蛲七M(jìn)劑蒸氣自生增壓方案還是惰性氣體增壓方案，增壓氣體按照預(yù)定的程序和流量進(jìn)入貯箱增壓，在整個(gè)增壓工作過(guò)程中不對(duì)增壓氣體實(shí)施人為的控制，貯箱壓力處于開(kāi)環(huán)狀態(tài)。閉式增壓根據(jù)貯箱壓力的變化情況進(jìn)行反饋，對(duì)增壓氣體實(shí)施人為的控制，從而將箱壓控制在設(shè)定的范圍內(nèi)。本文討論的增壓控制技術(shù)就是閉式增壓的技術(shù)手段。

目前最常采用的增壓控制技術(shù)有增壓氣體流量調(diào)節(jié)類(lèi)和增壓氣體通斷控制類(lèi)兩個(gè)大類(lèi)。增壓氣體通斷控制又分為壓力信號(hào)器控制類(lèi)和壓力傳感器控制類(lèi)兩種。國(guó)內(nèi)外主流火箭的箱壓控制方案如表1所示。

表1 箱壓控制技術(shù)應(yīng)用情況統(tǒng)計(jì)表

1.1 增壓氣體流量調(diào)節(jié)類(lèi)控制技術(shù)

采用一個(gè)可調(diào)開(kāi)度的減壓器，根據(jù)貯箱壓力的升高或降低自動(dòng)調(diào)節(jié)減壓器的開(kāi)度，減小或增大增壓氣體流量，從而將貯箱壓力控制在設(shè)定的范圍內(nèi)，工作原理如圖1所示。這種系統(tǒng)方案簡(jiǎn)單，控制精度略差，適用于增壓流量小的系統(tǒng)，如運(yùn)載火箭的末級(jí)、大型衛(wèi)星和飛行器等， CZ-3A火箭三級(jí)氧箱增壓系統(tǒng)在早期就采用這樣的方案[1]。

1.2 壓力信號(hào)器控制技術(shù)

壓力信號(hào)器常與控制系統(tǒng)電阻盒搭配使用，壓力信號(hào)器內(nèi)的膜片、彈簧或波紋管等感壓元件根據(jù)箱壓的變化情況使觸點(diǎn)移動(dòng)，形成電路打開(kāi)和關(guān)閉的效果。壓力信號(hào)器的開(kāi)閉進(jìn)一步誘發(fā)電阻盒內(nèi)繼電器的開(kāi)閉，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁閥供電的通斷控制。通過(guò)電磁閥的開(kāi)閉控制來(lái)調(diào)節(jié)增壓氣體的流量，達(dá)到控制箱壓的目的，其工作原理如圖2所示，電磁閥隨貯箱壓力變化的邏輯如圖3所示。

壓力信號(hào)器控制系統(tǒng)方案比較簡(jiǎn)單，除需要控制系統(tǒng)供電外幾乎依靠增壓系統(tǒng)自身就可完成箱壓的閉環(huán)控制。但是缺點(diǎn)也比較明顯，壓力信號(hào)器為機(jī)械式產(chǎn)品，膜片的可移動(dòng)距離本身就很小，這導(dǎo)致壓力信號(hào)器的控制范圍十分有限。壓力信號(hào)器控制技術(shù)常應(yīng)用于火箭一級(jí)和二級(jí)的大流量增壓系統(tǒng)中，典型的應(yīng)用案例包括Zenit和CZ-4火箭等。

1.3 壓力傳感器控制技術(shù)

壓力傳感器控制技術(shù)常和箭載計(jì)算機(jī)配合使用，控制器根據(jù)壓力傳感器采集到的箱壓，依據(jù)事先設(shè)定的控制邏輯判斷電磁閥的通斷狀態(tài)，之后向繼電器發(fā)出控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電磁閥的通斷控制，進(jìn)而達(dá)到控制箱壓的目的，工作原理如圖4所示。為提高控制精度，通常設(shè)置3個(gè)壓力傳感器，采用取平均值或者3取2的選取模式以減小測(cè)量誤差帶來(lái)的影響。

壓力傳感器控制系統(tǒng)涉及傳感器采集和控制邏輯，往往無(wú)法由增壓系統(tǒng)獨(dú)立完成；但是優(yōu)勢(shì)很明顯，包括無(wú)控制帶寬限制，控制邏輯靈活多變以及控制精度高等。壓力傳感器控制技術(shù)同樣常應(yīng)用于火箭一級(jí)和二級(jí)的大流量增壓系統(tǒng)中。

采用壓力傳感器控制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的控制邏輯，這是壓力信號(hào)器控制技術(shù)所不具備的能力，典型應(yīng)用案例就是Ariane V火箭。Ariane V火箭芯一級(jí)氧箱采用超臨界氦增壓方案，液氦貯存在低溫杜瓦當(dāng)中。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，杜瓦中采用氦氣增壓從而擠出液氦，經(jīng)Vulcain發(fā)動(dòng)機(jī)換熱器加溫至200～300K，再經(jīng)流量控制器后進(jìn)入氧箱增壓。流量控制器為3個(gè)增壓路集成的設(shè)備，每一路為電磁閥+節(jié)流孔板設(shè)計(jì)，3路完全相同，電磁閥的通斷由箭載計(jì)算機(jī)根據(jù)箱壓傳感器的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行控制。

3個(gè)增壓路分別設(shè)計(jì)為常通路、調(diào)節(jié)路和冗余路，共設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)壓力和冗余壓力兩個(gè)帶寬，其箱壓控制方法如下。

1)正常狀態(tài)下常通路保持常開(kāi)增壓，調(diào)節(jié)路根據(jù)箱壓變化情況打開(kāi)關(guān)閉，使箱壓穩(wěn)定在調(diào)節(jié)壓力帶寬范圍內(nèi)，冗余路不工作。

2)當(dāng)箱壓超過(guò)冗余壓力帶寬上限時(shí)，常通路關(guān)閉，由調(diào)節(jié)路和冗余路負(fù)責(zé)增壓，電磁閥的開(kāi)閉根據(jù)箱壓進(jìn)行控制，箱壓控制范圍為調(diào)節(jié)壓力帶寬，此時(shí)調(diào)節(jié)路和冗余路同時(shí)為同時(shí)開(kāi)閉工作狀態(tài)，不分主次。

3)當(dāng)箱壓低于冗余壓力帶寬下限時(shí)，冗余路被激活為常通狀態(tài)，由原常通路和調(diào)節(jié)路負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)箱壓，其箱壓控制范圍為調(diào)節(jié)壓力帶寬，此時(shí)原常通路和調(diào)節(jié)路為同時(shí)開(kāi)閉工作狀態(tài)，不分主次。

增壓控制邏輯如圖5所示。

2 流量控制技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

流量控制分為定流量控制和不定流量控制兩種。定流量控制方法根據(jù)貯箱增壓所需的流量在增壓系統(tǒng)中設(shè)置減壓器+節(jié)流孔板的方式實(shí)現(xiàn)。不定流量控制則直接采用節(jié)流孔板，由于沒(méi)有穩(wěn)定減壓，增壓流量隨氣源壓力的變化而變化，如儲(chǔ)存惰性氣體的氣瓶會(huì)隨著工作時(shí)間的增長(zhǎng)壓力逐步降低，增壓氣體的流量也隨之減小。

在具體的增壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通常根據(jù)不同增壓系統(tǒng)的要求采取某一種流量控制方法或者進(jìn)行組合得到較為優(yōu)化的一套流量控制系統(tǒng)。采用雙路增壓的系統(tǒng)，一種方案是一路為主增壓路，保持常通，一路備份，如CZ-4火箭三級(jí)；另一種方案是兩路互為備份，均根據(jù)箱壓實(shí)施控制，如新一代某些火箭助推冗余增壓系統(tǒng)。

目前國(guó)外主流火箭大多采用3路以上的多路增壓方案，多路增壓方案實(shí)施起來(lái)較為靈活多變，目的都是提高系統(tǒng)的冗余度和可靠性，詳見(jiàn)表2。從表2中可以看到多路增壓方案主要集中在3路和4路兩種方案，再提高增壓路數(shù)對(duì)于提高系統(tǒng)的冗余度和可靠性已沒(méi)有實(shí)際作用。是否設(shè)置主路常通沒(méi)有固定的規(guī)律可循，但是可以看到主流火箭都不再采用定流量增壓的方式。

表2 流量控制技術(shù)應(yīng)用情況統(tǒng)計(jì)表

3 增壓控制技術(shù)分析

壓力信號(hào)器控制是較為傳統(tǒng)的技術(shù)，主要在蘇聯(lián)時(shí)期研制的部分火箭上使用。由于歷史原因，我國(guó)的部分火箭也延用了此種控制技術(shù)。美國(guó)、日本和歐洲的火箭大多采用壓力信號(hào)器控制技術(shù)，我國(guó)的新一代火箭也開(kāi)始逐漸采用此種技術(shù)。相比壓力信號(hào)器控制技術(shù)，壓力傳感器控制技術(shù)在各方面均有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

(1)增大箱壓控制帶寬

采用壓力信號(hào)器控制技術(shù)，箱壓的控制帶寬受壓力信號(hào)器的調(diào)節(jié)能力限制，而壓力信號(hào)器為機(jī)械式調(diào)節(jié)閥門(mén)，壓力調(diào)節(jié)的能力往往有限。當(dāng)箱壓控制帶寬較窄的時(shí)候容易引起電磁閥頻繁打開(kāi)關(guān)閉，降低系統(tǒng)工作的可靠度。采用壓力傳感器控制技術(shù)，箱壓的控制帶寬由控制器中軟件設(shè)置，不受產(chǎn)品能力的限制，可以根據(jù)需求設(shè)置箱壓控制帶寬，從而避免電磁閥頻繁打開(kāi)關(guān)閉的現(xiàn)象。

(2)消除產(chǎn)品散差

在壓力信號(hào)器的生產(chǎn)過(guò)程中由于彈簧和膜片產(chǎn)品特性的散差，必然帶來(lái)壓力信號(hào)器控制帶寬與設(shè)計(jì)值的偏差。從實(shí)際使用情況來(lái)看，壓力信號(hào)器的控制帶寬往往小于設(shè)計(jì)要求值。采用壓力傳感器控制技術(shù)則不存在調(diào)節(jié)類(lèi)單機(jī)的散差問(wèn)題，可以完全避免這種現(xiàn)象。

(3)提高箱壓控制的靈活性

采用壓力傳感器控制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的控制邏輯，如Ariane V芯一級(jí)氧箱的增壓控制邏輯，而壓力信號(hào)器控制技術(shù)則只能實(shí)現(xiàn)“不足即開(kāi)，超出即關(guān)”的控制邏輯。并且一個(gè)壓力信號(hào)器只控制其對(duì)應(yīng)的一個(gè)電磁閥，而壓力傳感器控制技術(shù)則能根據(jù)需求同時(shí)控制多個(gè)電磁閥，從而實(shí)現(xiàn)較為優(yōu)化的控制方案。

(4)提高系統(tǒng)可靠性

壓力傳感器控制技術(shù)一般采用3個(gè)及以上傳感器感受箱壓，對(duì)多個(gè)傳感器的測(cè)量結(jié)果取平均值，可以減小測(cè)量誤差帶來(lái)的影響，也同時(shí)起到單機(jī)冗余的作用，提高系統(tǒng)可靠性。壓力信號(hào)器控制技術(shù)使用壓力信號(hào)器感受箱壓，通常情況下壓力信號(hào)器與電磁閥的一一對(duì)應(yīng)，當(dāng)某個(gè)壓力信號(hào)器故障時(shí)，該增壓路失效。可以用并聯(lián)壓力信號(hào)器或者采用“三取二”的方式提高系統(tǒng)可靠度，但也增加了成本。

(5)降低系統(tǒng)成本

壓力信號(hào)器僅在運(yùn)載火箭領(lǐng)域使用，均根據(jù)需求特殊研制，產(chǎn)量低，成本高；而壓力傳感器技術(shù)成熟，有多家廠(chǎng)所研制，成本較壓力信號(hào)器更低。

除此之外，還可以看到一些貯箱增壓控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

(1)無(wú)減壓器設(shè)計(jì)

通過(guò)減壓器穩(wěn)壓之后可以將增壓流量控制在穩(wěn)定的范圍內(nèi)，但在采取了壓力信號(hào)器或壓力傳感器控制箱壓以后，穩(wěn)定的流量對(duì)于貯箱增壓并無(wú)實(shí)際優(yōu)勢(shì)，而減壓器的引入對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)反而帶來(lái)了不利的影響。

①取消減壓器減少單機(jī)的種類(lèi)，降低單機(jī)研制的成本。

②取消減壓器可以減少增壓系統(tǒng)中的單機(jī)數(shù)量，降低增壓系統(tǒng)的成本，同時(shí)提高系統(tǒng)的可靠性。

③相對(duì)一些火箭型號(hào)，增壓路中一路帶減壓器一路不帶減壓器設(shè)置的情況，取消減壓器后可將每路節(jié)流孔板設(shè)計(jì)為相同尺寸，達(dá)到防差錯(cuò)設(shè)計(jì)的目的，增強(qiáng)單機(jī)產(chǎn)品的通用性和互換性。

(2)多路增壓成為主流選擇

多路增壓方案可以實(shí)現(xiàn)2路以上的備份增壓路，系統(tǒng)冗余度和可靠性大幅提升。多路增壓的方案下，并不要求每一個(gè)增壓路具備單獨(dú)工作即可滿(mǎn)足箱壓要求的能力，而是對(duì)單機(jī)進(jìn)行冗余來(lái)提高系統(tǒng)可靠性。采取這樣的思路可以降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度，增加系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性。

(3)集成化、模塊化設(shè)計(jì)

從歐洲、美國(guó)和日本的火箭都可以看到集成化設(shè)計(jì)的身影，如流量控制模塊和箱壓控制模塊。采用壓力信號(hào)器控制的方案下，電磁閥和壓力信號(hào)器一一對(duì)應(yīng)，而在壓力傳感器控制的方案下電磁閥與傳感器無(wú)直接對(duì)應(yīng)關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)流量控制和箱壓控制的獨(dú)立設(shè)計(jì)。采用集成后設(shè)計(jì)后，對(duì)流量控制模塊或箱壓控制模塊視為單機(jī)進(jìn)行處理，將大量的工作提前到裝箭前，達(dá)到簡(jiǎn)化系統(tǒng)測(cè)試的目的。

4 結(jié)論

通過(guò)研究國(guó)內(nèi)外各型運(yùn)載火箭增壓控制技術(shù)后發(fā)現(xiàn)，壓力傳感器控制技術(shù)成為國(guó)內(nèi)外火箭的主流選擇，對(duì)增壓流量的控制朝著簡(jiǎn)單化、多路冗余的方向發(fā)展。

[1] 《世界航天運(yùn)載大全》編委會(huì). 世界航天運(yùn)載器大全(第2版)[M]. 北京: 中國(guó)宇航出版社, 2007.

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Review on Development of Pressurization Control Technologyfor Launch Vehicle Storage Tank

SUN Li-jie,JIN Xin, CHENG Guang-ping, ZHANG Liang

(Astronautical System Engineering Shanghai, Shanghai 201109, China)

With the development trend of low cost and high reliability of launch vehicle, it puts forward higher requirements for the control technology of tank pressurization. On the basis of studying the situation of the tank pressurization control technology of domestic and international launch vehicle, the development trend of tank pressurization control technology is summarized, which provides reference for new launch vehicles in the future.

Launch vehicle; Pressurization; Control

2017-04-16；

2017-04-24

孫禮杰(1985-)，男，碩士研究生，工程師，主要從事運(yùn)載火箭動(dòng)力系統(tǒng)研究。E-mail:seven169@163.com

V434

A

2096-4080(2017)01-0066-05