基于AMESim的衛(wèi)星推進系統(tǒng)流阻特性研究

王申，朱一驍

(1. 上海空間推進研究所，上海 201112； 2. 上海空間發(fā)動機工程技術(shù)研究中心，上海 201112)

0 引言

某型號衛(wèi)星在實施某階段變軌工作期間，衛(wèi)星突然出現(xiàn)異常干擾力矩并持續(xù)增大，隨即實施了緊急關(guān)機措施。通過故障樹分析及試驗排查工作，認定490N發(fā)動機在軌工作異常的最大可能是由于發(fā)動機喉部內(nèi)部溫度過高，使涂層提前失效，出現(xiàn)燒蝕引起燃氣泄漏。在軌使用工況偏高疊加是發(fā)動機喉部溫度過高的原因之一[1-2]。通過分析490N發(fā)動機的問題，衛(wèi)星推進系統(tǒng)部提出490N發(fā)動機不允許超工況在軌使用的要求。系統(tǒng)流阻是影響490N發(fā)動機在軌工況的主要因素，為避免490N發(fā)動機在軌超工況使用，需要對系統(tǒng)流阻進行復核和復算。

液體火箭推進系統(tǒng)是用液路、氣路將各部、組件聯(lián)接起來的流體網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，流體管路具有直徑小、流量大、壓力高的特點[3-5]。管流的主要影響因素包括可壓縮性、慣性和黏性，研究液體的管路模型可以忽略流體的壓縮性，只考慮流阻。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外開發(fā)了能夠進行液壓氣動系統(tǒng)數(shù)值模擬的軟件[6-9]，其中AMESim軟件中提供的管路模型多達20余種，可以根據(jù)管路的特征和流體的流動特性選用合適的管路模型[10]。

本文基于AMESim建立A星和B星氧化劑和燃料的液路模型，通過數(shù)值模擬的方法對液路流阻進行計算，并與已有的在軌飛行及地面測試數(shù)據(jù)進行比較，以驗證數(shù)值模擬的有效性。

1 系統(tǒng)建模

1.1 數(shù)學模型

系統(tǒng)流阻由3個部分組成：管路沿程流阻、彎管及通類局部流阻和組件流阻。

1)管路沿程流阻損失

當限制流動的固體邊界使流體作均勻流動時，流體內(nèi)部以及流體與固體壁面之間產(chǎn)生的沿程不變的切應力，稱為沿程阻力。由沿程阻力引起的流阻損失稱為沿程流阻損失，用ΔpL表示，計算公式如下：

式中：λ為管路沿程流阻損失系數(shù)；L為管路長度；D為管道當量直徑；ρ為液體介質(zhì)密度；v為液體介質(zhì)流速。

2)局部流阻

流體因固體邊界急劇改變而引起速度重新分布，質(zhì)點間進行劇烈動量交換而產(chǎn)生的阻力稱為局部阻力。由局部阻力引起的流阻損失稱為局部阻力損失，用Δpc表示，計算公式如下：

式中：ξ為管路局部流阻損失系數(shù)。

局部流阻損失包括多通局部流阻損失和圓彎管局部流阻損失，液路多通局部流阻損失系數(shù)ξ見圖1，圓彎管的局部流阻損失計算公式如下：

式中：θ為彎管彎曲角度；R為彎管彎曲半徑；D為彎管直徑。

圖1 多通局部流阻損失系數(shù)ξ

1.2 AMESim數(shù)值模擬

1)結(jié)構(gòu)模型

圖2和圖3所示為某兩顆衛(wèi)星推進分系統(tǒng)燃料和氧化劑管路的Creo模型。系統(tǒng)包括燃料部分和氧化劑部分，每個部分均由支路和主路組成，主路由直管、彎管、孔板、三通和自鎖閥組成。為便于計算，在數(shù)值模擬建模時對結(jié)構(gòu)模型進行適當簡化，將自鎖閥簡化為孔板進行數(shù)值模擬。

圖2 A星推進分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

圖3 B星推進分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

2)數(shù)值模擬模型

根據(jù)系統(tǒng)原理及所建立的數(shù)學模型，使用AMESim的液壓庫和液阻庫建立了系統(tǒng)的AMESim數(shù)值模擬模型，如圖4和圖5所示。

圖4 A星推進分系統(tǒng)AMESim數(shù)值模擬模型

圖5 B星推進分系統(tǒng)AMESim數(shù)值模擬模型

在數(shù)值模擬模型中，直管通過AMESim庫中的直管進行模擬，選取類型為HL0003；彎管通過AMESim庫中的直管和彎管的組合來模擬。其中，直管部分模擬真實組件的沿程流阻，選取類型為HL0003；彎管部分模擬真實組件的局部流阻，選取類型為HR232。直管和彎管的設(shè)置參數(shù)如表1所示。孔板通過AMESim庫中的孔板進行模擬，選取類型為HYDORF0；三通用AMESim庫中的三通進行模擬，選取類型為HR3P01。

表1 設(shè)置參數(shù)

1.3 數(shù)值模擬方案

1)對燃料和氧化劑支路代表自鎖閥的孔板流阻進行調(diào)節(jié)，主要是通過調(diào)節(jié)孔板的孔徑，使得孔板的壓差與自鎖閥組件試驗測試結(jié)果校準；

2)對燃料和氧化劑支路的總流阻進行調(diào)節(jié)，主要是通過調(diào)節(jié)孔板的孔徑，使得并聯(lián)貯箱支路流阻與試驗測試結(jié)果校準；

3)進行推進系統(tǒng)管路流阻數(shù)值模擬研究，主要是通過設(shè)置與試驗一致的進口流量，獲得燃料和氧化劑主路交匯至液路壓傳的流阻，完成流阻數(shù)值模擬。

2 結(jié)果分析

2.1 試驗結(jié)果

通過在軌遙測和地面測試的手段，獲得A星和B星的實測數(shù)據(jù)，實測數(shù)據(jù)將在下文數(shù)值模擬結(jié)果分析部分用來與數(shù)值模擬結(jié)果進行對比。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

通過對A星燃料和氧化劑支路自鎖閥和孔板的調(diào)整，獲得了各支路自鎖閥流阻和支路流阻，如表2所示。從表中可以看出，數(shù)值模擬結(jié)果與實測結(jié)果的誤差在1%以內(nèi)。

表2 推進分系統(tǒng)各支路自鎖閥流阻

1)主路流阻數(shù)值模擬

通過對A星和B星各支路進口流量的調(diào)整，并根據(jù)衛(wèi)星在軌數(shù)據(jù)，可以得到如表3所示的液路流阻與實測數(shù)據(jù)對比結(jié)果。從表中可以看出，B星數(shù)值模擬結(jié)果與地面實測數(shù)據(jù)吻合度高，A星數(shù)值模擬結(jié)果與在軌數(shù)據(jù)基本吻合，但是燃料路流阻數(shù)值模擬數(shù)據(jù)與在軌數(shù)據(jù)偏差較大，因此在下文針對A星數(shù)值模擬結(jié)果進行誤差分析。

表3 液路流阻數(shù)值模擬結(jié)果與在軌數(shù)據(jù)對比

2.3 誤差分析

從數(shù)值模擬結(jié)果與在軌數(shù)據(jù)對比可以看出，氧化劑路流阻數(shù)值模擬值與在軌數(shù)據(jù)誤差-7.4%，燃料路流阻數(shù)值模擬值與在軌數(shù)據(jù)誤差+4.0%。誤差值的偏差較大，考慮到混合比偏差對在軌數(shù)據(jù)的影響，按照混合比偏差 1.8%對數(shù)值模擬結(jié)果進行誤差分析。

根據(jù)額定混合比1.65，當混合比偏差取-1.8%時，混合比為1.620 3(即同一工況下，燃料消耗較大)；當混合比偏差取+1.8%時，混合比為1.679 7(即氧化劑消耗較大)，計算結(jié)果見表4-表6。從計算結(jié)果可以看出，在考慮混合比偏差的情況下，氧化劑路流阻數(shù)值模擬值與在軌數(shù)據(jù)誤差為-4.0%～+4.0%，燃料路流阻數(shù)值模擬值與在軌數(shù)據(jù)誤差為-7.4%～-1.6%。由此可見，混合比偏差會對數(shù)值模擬結(jié)果與在軌數(shù)據(jù)的吻合度產(chǎn)生影響。

表4 推進分系統(tǒng)并聯(lián)貯箱支路流阻

表5 推進分系統(tǒng)交匯至液路壓傳流阻

表6 A星液路流阻數(shù)值模擬結(jié)果

3 結(jié)語

本文基于AMESim建立了A星和B星的氧化劑和燃料的液路模型，通過數(shù)值模擬的手段對液路流阻進行計算，并與已有的在軌飛行及地面測試數(shù)據(jù)進行比較，驗證了數(shù)值模擬模型的有效性，為推進系統(tǒng)流阻數(shù)值模擬提供幫助。