運載火箭用蓄壓器膜盒容積測量方法及影響因素研究

2020-04-10 05:24:46

液壓與氣動 2020年4期

(北京宇航系統工程研究所，北京 100076)

引言

大型液體運載火箭在飛行的過程中，通常發生不穩定的自激縱向耦合振動，稱為POGO振動[1-4]，使火箭的力學環境惡化，可能造成火箭上敏感元件及儀器設備受損或結構超限，甚至導致飛行失敗[5-8]。POGO振動是液體火箭動力學不穩定問題之一，在液體火箭推進劑輸送管上安裝蓄壓器是解決火箭POGO振動的有效方法[9]，蓄壓器對抑制箭體結構的POGO振動現象發揮著重大作用[10]，是通過在推進系統中增加柔性阻尼將箭體結構和推進系統的振動頻率隔離從而抑制火箭縱向耦合振動[11]。金屬膜盒式蓄壓器的主要構件為膜盒和殼體，其中殼體主要作用為連通輸送管路中的推進劑，膜盒則是起到抑制POGO振動的重要部件。

為實現對液體火箭的POGO振動抑制，蓄壓器應具有要求的能量值，即膜盒最大容積與初始充氣壓力的乘積。蓄壓器初始充氣壓力一般通過膜盒最大容積及給定的能量值來確定，因此，為實現對蓄壓器能量值的控制，精確測量膜盒的最大容積值是關鍵。

蓄壓器膜盒是具有良好的拉伸和壓縮性能的彈性元件[12]，其中金屬膜片型面主要包括平板錐型和波紋型，如圖1所示。膜盒內部充入工作介質后，被拉伸至限位，此時膜盒容積可通過理論計算和試驗測量兩種方式獲得。理論計算存在簡化情況，為獲得盡可能精確的膜盒容積值，需對膜盒進行測量。本研究以平板錐型金屬膜盒為例，介紹膜盒容積的測量方法，并對測量結果及影響因素進行分析。

圖1 金屬膜片型面

1 測量方法

容積測量方法一般包括液體測量法和氣體測量法，針對金屬膜盒產品，液體測量方法將導致膜盒內水介質不易去除(主要是兩膜片之間的夾縫處)，需增加烘干等工序，對產品的后續使用(特別是有低溫工況時)存在一定隱患；此外，使用液體測量方法時，需在膜盒產品上打孔，破壞產品本體結構。因此，為實現產品百分之百容積測量，并排除膜盒內存在水介質等隱患，氣體測量法為首選方案。

氣體測量法的測量系統如圖2所示，備一容積與膜盒產品容積V(拉伸至限位時的容積)相近的氣罐(參考容器)，其容積已知為V1。將該氣罐用一帶閥門的導管與膜盒相連，閥門兩側的管路容積均已知，氣罐側的管路容積為V2，膜盒側的管路容積為V3。氣罐和膜盒用導管連接好之后，閥門關閉。

圖2 容積測量系統

在常溫下，若首先向被測膜盒內充壓力為p1的氣體，則膜盒拉伸至上限位，如圖3所示，此時膜盒容積為V；打開導管閥門，待膜盒內壓力穩定后記錄壓力值p2，根據波義耳定律，膜盒容積V即可用公式(1)計算求得：

(1)

在常溫下，若首先向已知容積的氣罐充壓力為p1的氣體，導管閥門打開前，被測膜盒容積為V0(膜盒處于自由狀態時的容積)；打開導管閥門后，氣體進入膜盒內使其拉伸至限位，如圖3所示，此時膜盒容積為V，待膜盒內壓力穩定后記錄壓力值p2，根據波義耳定律，膜盒容積V即可用公式(2)計算求得：

(2)

圖3 膜盒結構示意圖

2 測量影響因素分析

在進行膜盒容積測量時，充氣順序不同(先向已知容積的氣罐充氣和先向被測膜盒充氣)，膜盒容積測量結果遵循的公式不同，如式(1)和式(2)，對比這兩個公式可以看出，先向已知容積的氣罐充壓時，膜盒容積計算公式中多了一個影響因素V0(自由狀態下膜盒容積)，且被測膜盒自由狀態下容積V0實際為不定量，其受不同膜盒產品的差異性以及反復充放氣的影響，因此在計算過程中使用V0的理論值時，計算結果存在偏差。如果無法排除被測膜盒自由狀態下容積的影響，不建議采用先向已知容積的氣罐充氣的方式。

針對先向被測膜盒產品充氣的方式，分別以初始充氣壓力及壓力表精度對膜盒容積測量結果的影響進行分析，具體如下。

1) 初始充氣壓力對膜盒容積測量結果的影響

首先向膜盒充壓時，膜盒容積測量結果可通過式(1)計算得到，將式(1)分別對初始充氣壓力p1、連通后穩定壓力p2、容積V1、容積V2、容積V3求導，可得：

(3)

(4)

(5)

(6)

將試驗數據p1=0.4 MPa，p2=0.18 MPa，V1=2 L，V2=0.01965 L，V3=0.02467 L分別代入式(3)～式(5)，結果如下：