液體火箭艙段熱環境保障系統仿真及試驗研究

遲鵬陽，黃小春，孫軍超，何志超

0 引 言

新一代運載火箭采用-252 ℃液氫和-183 ℃液氧低溫推進劑，導致艙段內溫度較低，超出了一般儀器設備的溫度使用范圍，致使部分儀器設備于低溫環境下工作，另外低溫環境還可能導致艙內空氣結露或結冰，影響設備可靠性[1～3]，為滿足簡易發射要求，需要熱環境保障系統來保障艙段內溫濕度。俄羅斯的Zenit運載火箭和Proton系列火箭均采用射前脫落熱環境保障系統[4,5]，目前中國僅有孫培杰在文獻[6]中對熱環境保障系統做了詳細介紹，并進行了相關試驗分析，分別對不加注液氧工況和加注液氧工況兩個狀態進行了試驗，但未對系統流量分配進行分析。本文介紹了熱環境保障系統工作原理，分析了關鍵參數對系統流量分配的影響，利用AMESim建立了熱環境保障系統仿真模型，以仿真分析與試驗驗證相結合的方法，對孔板喉部面積組合進行全面的分析研究，并進行了試驗研究，為液體火箭艙段熱環境保障系統的設計及流量合理分配提供一定的參考依據。

1 熱環境保障系統理論分析

1.1 熱環境保障系統原理

熱環境保障系統原理如圖 1所示，采用熱氮環路送風，箭上系統采用送風主管和支管、艙內溫度和濕度傳感器、箭體尾部插拔連接器和箭體內部環形管路布局，每個環管前有一個孔板，進行系統流量分配。該系統四周均勻送風，需要的風量小，溫度均勻性好，箭體外管路沿導管整流罩布置，不用其他附屬設備，起飛時與箭體脫落，能保證低溫艙段溫度維持在要求的范圍內。

圖1 熱環境保障系統原理Fig.1 The Schematic of Thermal Environment Control System

1.2 熱環境保障系統理論分析

由于孔板喉部氣流流速較大，質量流量保持不變，連續性方程如下：

式中mq為孔板質量流量；ρ為氣體密度；u為流體流動速度；A為管道截面積；C為常數。

對式（1）作如下演算：

則，連續性方程的微分形式為

動量方程的微分形式為

式中 p為絕對壓力；xd為氣體微團長度；τ0為xd微段管壁作用在氣體上的摩擦切應力；D為x處的管徑。

由RTpρ=，R為氣體常數，可以得出氣體狀態方程的微分形式為

式中 T為溫度；。

與外界無熱功交換的一元定常流動的能量方程的微分形式為

式中 h為位置高度。

將管路氣體流出孔板視為理想氣體流過收縮管，孔板外界壓力Ρb基本等于大氣壓力，即Ρb≤0.528Ρ0時，孔板出口馬赫數大于 1，且出口壓力 Ρc大于孔板外界壓力，Ρc＞Ρb，所以超臨界流動的質量流量為

式中 C為流量系數；Ρ0為管路內總壓力；T0為管路內總溫度；Ac為出口面積；k為絕熱指數，氮氣絕熱指數=1.402；氮氣氣體常數=0.2968 kJ/(kg﹒K)。

該系統為并聯系統，總質量流量qmz等于n個分支上元件的質量流量qmi之和，有

根據并聯回路的總壓降ΡΔ等于每個分支上元件兩端壓降之和，有

當全部元件都處于壅塞流態下，并聯回路的有效截面積[7]：

2 仿真模型建立與仿真分析

采用AMESim軟件提供的氣動系統設計庫，面向實際系統對艙段熱環境保障系統建模，根據超臨界流動的質量流量公式，搭建孔板喉部面積控制部分，艙段熱環境保障系統仿真模型示意如圖2所示[8,9]，模型參數設置如下，主管直徑為 14 mm，支管直徑為14 mm，孔板出口三通及環管直徑為20 mm。

圖2 艙段熱環境保障系統AMESim仿真模型示意Fig.2 The AMESim Simulation Model of Thermal Environment Control System

在模型中設置孔板理論需求出口流量qm'，其中， qm1'=250 g/s，qm2'=360 g/s，qm3'=310 g/s，qm4'=190 g/s，qm5'=120 g/s，qm6'=190 g/s，qm7'=90 g/s，運行仿真模型后得到相應孔板喉部面積k，k1=4.94 mm2，k2=7.24 mm2，k3=6.58 mm2，k4=4.14 mm2，k5=2.60 mm2，k6=4.40 mm2，k7=2.10 mm2，由此計算出孔板喉部直徑d，d1=2.51 mm，d2=3.04 mm，d3=2.89 mm，d4=2.30 mm，d5=1.82 mm，d6=2.37 mm，d7=1.64 mm。圖3為孔板仿真出口流量曲線，由圖4可知，孔板距離送風入口越遠，其出口流量趨于穩定時間越長；根據仿真曲線得到，qm1=249.37 g/s，qm2=359.09 g/s，qm3=309.22 g/s，qm4=189.52 g/s，qm5=119.70 g/s，qm6=189.53 g/s，qm7=89.77 g/s，與理論流量qm'近似，驗證了模型控制部分的正確性。

圖3 孔板出口流量仿真曲線Fig.3 The Flow Simulation Curve of Plate Outlet

3 試驗及結果分析

為了對仿真結果進行驗證，利用配氣臺和合練箭艙段熱環境保障系統進行了試驗，配氣臺實物如圖 4所示。

圖4 配氣臺實物Fig.4 The Physical Map of Gas Distribution Station

試驗原理如圖 5所示。氣源為氮氣源，配氣臺的艙段熱環境保障支路包括手動截止閥、機械壓力表、電子壓力表、減壓閥、流量計、安全閥和過濾器等，配氣臺至箭體管路上連接一個濾網過濾器和一個麂皮過濾器。在孔板前各安裝一塊壓力表。送風壓力為22.6 MPa，送風時間5 min。

圖5 試驗原理Fig.5 The Test Schematic

配氣臺送風入口溫度近似為孔板前氣體溫度，根據孔板前壓力，計算出孔板質量流量，試驗數據見表1，從表1可以看出，孔板質量流量和仿真流量基本保持一致，說明該模型能夠反映實際系統工作情況。

表1 孔板實際質量流量與理論流量對比Tab.1 Comparison of Actual Mass Flow and Theoretical Flow of Orifice Plate

4 結束語

對低溫艙段熱氮環路送風熱環境保障系統工作原理進行研究，并對系統流量分配做了理論分析，運用AMESim軟件建立了低溫艙段熱氮環路送風熱環境保障系統仿真模型，依據系統實際參數進行設置，并進行了試驗驗證。仿真得出孔板喉部直徑，同時仿真曲線表明孔板距離送風入口越遠，其出口流量趨于穩定越慢；通過試驗計算孔板實際質量流量，與仿真流量基本一致，表明模型的正確性，為今后其他型號熱環境保障系統的設計和流量分配提供了理論依據。

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