一種高精度定量方式在上面級(jí)加注系統(tǒng)中的應(yīng)用

郭銘杰,陳傳寶,張永江,王 梁,高彥峰

(航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京 100076)

0 引言

上面級(jí)加注量控制比較嚴(yán)格，技術(shù)指標(biāo)要求定量精度為0.3%。由于以往型號(hào)加注精度要求相對(duì)較低，通常為0.6%～1%，定量精度主要依靠流量計(jì)定量或者電子秤定量，其精度完全取決于計(jì)量?jī)x器的精度。其定量精度基本能夠滿足常規(guī)型號(hào)任務(wù)要求，但對(duì)于上面級(jí)加注精度要求卻無(wú)法滿足，主要是系統(tǒng)設(shè)計(jì)引起的誤差無(wú)法單獨(dú)依靠計(jì)量?jī)x器確定，這就需要設(shè)計(jì)人員從系統(tǒng)角度對(duì)加注精度進(jìn)行設(shè)計(jì)。

在航天液體推進(jìn)劑加注技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，地面定量通常采用流量計(jì)定量、電子秤定量方式[1-2]。流量計(jì)定量主要用在加注量較大，且精度要求相對(duì)較低的火箭主發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力貯箱(百噸級(jí))加注工況中；電子秤定量主要用于加注量較小(千克級(jí))精度較高的工況[3]。但采用電子秤定量方式時(shí)，充入加注罐內(nèi)氣體質(zhì)量會(huì)對(duì)定量精度產(chǎn)生影響，特別是加注量較大時(shí)，影響更大。因此，本文提出了全新的地面定量方式，即電子秤和氣體質(zhì)量流量控制器系統(tǒng)定量方式，并對(duì)這種全新的定量方式進(jìn)行了理論計(jì)算與試驗(yàn)分析，結(jié)果表明定量精度滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

1 電子秤定量精度分析

電子秤定量原理如圖1所示，即用加注罐下電子秤測(cè)量加注罐質(zhì)量的減少量來(lái)確定進(jìn)入貯箱的推進(jìn)劑量。其原理為

M加注量=M計(jì)量值+M氮?dú)?/p>

(1)

式中，M計(jì)量值為電子秤定量實(shí)測(cè)值，單位為kg；M加注量為實(shí)際加注量，即加注罐排出量(計(jì)量開(kāi)始前加注管路已經(jīng)填充完畢)，單位為kg；M氮?dú)鉃槌淙爰幼⒐迌?nèi)的擠壓氣體的質(zhì)量，單位為kg。

(a) 加注初始狀態(tài)

(b) 加注結(jié)束狀態(tài)圖1 電子秤定量原理圖Fig.1 Electronic scale measurement method

由于加注罐內(nèi)氣枕部分是推進(jìn)劑蒸氣與氮?dú)獾幕旌蠚怏w，近似符合理想氣體性質(zhì)，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程[4]，有

(2)

式中，P為加注罐擠壓壓力，單位為Pa；V氮?dú)鉃榧幼⒔Y(jié)束時(shí)充入加注罐內(nèi)氮?dú)饪傮w積，單位為m3；Mmol為氮?dú)饽栙|(zhì)量，單位為28×10-3kg·mol-1；R為氣體常數(shù)，R=8.314 5 J·mol-1·K-1；T為罐內(nèi)氣體溫度，T=293 K。

則

V氮?dú)?(1-Y)V氣枕

(3)

式中，Y為加注罐內(nèi)推進(jìn)劑蒸氣所占比例，單位為體積分?jǐn)?shù)；V氣枕為加注結(jié)束后加注罐內(nèi)氣枕體積增加量，單位為m3。

根據(jù)道爾頓分壓定律

(4)

式中，Pc為推進(jìn)劑蒸氣分壓。

又因?yàn)?/p>

(5)

式中，M名義加注量為推進(jìn)劑加注設(shè)定量，ρ為推進(jìn)劑密度。

將式(4)和式(5)代入式(3)得

(6)

將式(6)代入式(2)得

(7)

從式(7)可以看出，當(dāng)推進(jìn)劑蒸氣分壓達(dá)到最大時(shí)，即飽和狀態(tài)下，M氮?dú)庾钚　?/p>

以上面級(jí)加注四氧化二氮和偏二甲肼液體推進(jìn)劑為例，加注精度要求不低于±3‰，擠壓氣體為氮?dú)狻Ｔ撊蝿?wù)加注量較大，加注精度高，因此選用電子秤作為定量?jī)x器。

為保證加注流量滿足任務(wù)要求，根據(jù)流體力學(xué)計(jì)算后可知,加注罐內(nèi)氮?dú)鈮毫π璞３衷谘趸瘎?.63 MPa(表壓)，燃燒劑為0.30 MPa(表壓)，其20℃時(shí)飽和蒸氣壓為9.5×103Pa(四氧化二氮)和1.3×103Pa(偏二甲肼)，推進(jìn)劑密度為1 446 kg/m3(四氧化二氮)和791 kg/m3(偏二甲肼)。

將各參數(shù)代入式(7)可知

四氧化二氮：M氮?dú)?8.6 kg

偏二甲肼：M氮?dú)?5.1 kg。

又因?yàn)?/p>

(8)

式中，α為加注精度；δ為充入加注罐內(nèi)氮?dú)赓|(zhì)量，即M氮?dú)狻?/p>

將計(jì)算結(jié)果代入式(8)得

四氧化二氮：α=5.1‰

偏二甲肼：α=5.7‰

上述結(jié)果表明，僅僅該項(xiàng)誤差就已經(jīng)超出了總體提出的±3‰的精度要求。

由于加注罐內(nèi)氣枕容積在加注過(guò)程中不斷變化，實(shí)際上推進(jìn)劑蒸氣分壓并未達(dá)到飽和狀態(tài)，因此，以上理論計(jì)算值只是最小值，實(shí)際過(guò)程中該誤差會(huì)更大。

為了解決電子秤獨(dú)立定量加注量無(wú)法滿足精度要求的弊端，引入電子秤和氣體質(zhì)量流量控制器系統(tǒng)定量方式。

2 系統(tǒng)定量方式設(shè)計(jì)

系統(tǒng)定量方式原理如圖2所示，其原理為用電子秤定量加注罐、用氣體質(zhì)量流量控制器定量充入氣體質(zhì)量，用PLC實(shí)現(xiàn)計(jì)算、定量和程序控制。

圖2 聯(lián)合定量原理圖Fig.2 Combined measurement method

按照式(1)，進(jìn)入貯箱的實(shí)際推進(jìn)劑量M加注量應(yīng)該是電子秤示值M計(jì)量值與充入加注罐內(nèi)氣體質(zhì)量M氮?dú)庵汀６鴼怏w質(zhì)量流量控制器是一種能夠測(cè)量氣體流量的儀器，其測(cè)試單位為L(zhǎng)(標(biāo)準(zhǔn)狀況)，只要再乘以氣體標(biāo)況下的密度即可得到氣體質(zhì)量，其測(cè)量精度為±2%。因此可得到

M加注量=M計(jì)量值+M氮?dú)?M計(jì)量值+L標(biāo)況ρ標(biāo)況β

(9)

式中，L標(biāo)況為氣體質(zhì)量流量控制器計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)狀況下的氣體流量，單位為L(zhǎng)；ρ標(biāo)況為標(biāo)準(zhǔn)狀況下氣體密度，單位為g/L；β為氣體質(zhì)量流量控制器氣體轉(zhuǎn)換系數(shù)，氮?dú)鉃?.0，空氣為1.006。

式(9)即PLC計(jì)量程序輸入公式，該公式是系統(tǒng)定量方式的創(chuàng)新點(diǎn)，考慮了充入加注罐內(nèi)氣體質(zhì)量對(duì)精度影響因素，經(jīng)計(jì)算，可將精度由原電子秤獨(dú)立定量的0.5%提高至0.1%。

由于該系統(tǒng)定量方式是首次應(yīng)用，因此需要進(jìn)行試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證其可行性。

3 試驗(yàn)與分析

采用上述加注系統(tǒng)對(duì)這一新的定量方式進(jìn)行了15次加注試驗(yàn)。其中，氧化劑加注系統(tǒng)進(jìn)行了8次試驗(yàn)，分別加注純凈水4次、四氧化二氮4次；燃燒劑加注系統(tǒng)進(jìn)行了7次試驗(yàn)，分別加注純凈水5次、偏二甲肼2次。

試驗(yàn)原理圖如圖3所示。采用加注設(shè)備進(jìn)行加注試驗(yàn)，記錄每次加注結(jié)束時(shí)加注罐下電子秤顯示值，即M計(jì)量值和氣體質(zhì)量流量控制器的測(cè)試值L標(biāo)況，將圖1(b)狀態(tài)加注罐內(nèi)氣體排空，排空氣體后電子秤示值應(yīng)非常接近真實(shí)加注量(由于將加注罐內(nèi)氣體排空時(shí)會(huì)連帶加注前加注罐氣枕部分氣體排出，導(dǎo)致實(shí)測(cè)氮?dú)赓|(zhì)量比計(jì)算值稍大，但考慮到加注前加注罐內(nèi)氣枕部分氣體質(zhì)量較小，本試驗(yàn)將其忽略不計(jì))，觀察電子秤示值變化，并與PLC計(jì)量值進(jìn)行比對(duì)。

圖3 試驗(yàn)原理圖Fig.3 Experiment system of combined measurement

試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。從表1可以看出，在加注結(jié)束后，電子秤顯示的加注罐質(zhì)量包含了充入罐內(nèi)氣體的質(zhì)量，將罐內(nèi)氣體排放后，電子秤顯示的加注罐質(zhì)量與加注系統(tǒng)計(jì)量的加注量非常接近，甚至相等，從而證明電子秤和氣體質(zhì)量流量控制器的系統(tǒng)定量方式可行。同時(shí)可以看出，由于推進(jìn)劑蒸氣未達(dá)到飽和狀態(tài)，當(dāng)加注四氧化二氮時(shí)，充入罐內(nèi)氣體質(zhì)量平均為13 kg；加注偏二甲肼時(shí)，充入罐內(nèi)氣體質(zhì)量平均為7.9 kg，比理論計(jì)算值大。

2015—2019年期間，北斗導(dǎo)航衛(wèi)星上面級(jí)完成了10余次加注任務(wù)，通過(guò)上面級(jí)質(zhì)量測(cè)量，驗(yàn)證加注精度均滿足要求。上面級(jí)加注系統(tǒng)應(yīng)用情況如表2所示。

表1 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

表2 上面級(jí)加注系統(tǒng)應(yīng)用情況

從表2中可以看出，在實(shí)際應(yīng)用中，電子秤與氣體質(zhì)量流量控制器聯(lián)合的系統(tǒng)定量精度基本處于0～0.02%以內(nèi)，而電子秤獨(dú)立定量精度平均為0.36%～0.52%。在實(shí)際應(yīng)用中驗(yàn)證了系統(tǒng)精度設(shè)計(jì)的方法正確、可行。

4 結(jié)論

針對(duì)上面級(jí)發(fā)射北斗衛(wèi)星時(shí)對(duì)推進(jìn)劑加注量精確定量的要求，本文提出了一種地面加注高精度定量方法，并通過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證了該方法的有效性。通過(guò)理論分析，電子秤和氣體質(zhì)量流量控制器聯(lián)合的系統(tǒng)定量方法正確，且簡(jiǎn)單可靠。通過(guò)定量試驗(yàn)驗(yàn)證，大幅度提高系統(tǒng)計(jì)量精度；在上面級(jí)發(fā)射北斗衛(wèi)星的實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)定量精度均滿足技術(shù)要求，且重復(fù)性保持較好，具有良好的工程應(yīng)用參考價(jià)值，為第二代北斗系列導(dǎo)航衛(wèi)星的成功發(fā)射做出了積極的貢獻(xiàn)。