楊 波 馮立杰 曹 忠 邱 凱 趙 賽 張 偉 孫曉亮 毛旦平

航天飛行器增壓輸送系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與研究

楊 波 馮立杰 曹 忠 邱 凱 趙 賽 張 偉 孫曉亮 毛旦平

（上海航天精密機(jī)械研究所，上海 201600）

針對(duì)航天飛行器燃油加注效率低，加注過(guò)程安全隱患大的特點(diǎn)，搭建了一套燃油加注排擠試驗(yàn)平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)多模式燃油加注、燃油排擠自動(dòng)化、關(guān)鍵過(guò)程參數(shù)可視化。試驗(yàn)證明該平臺(tái)設(shè)計(jì)方案可行、設(shè)計(jì)合理，滿足了試驗(yàn)需求，為后續(xù)開(kāi)展聯(lián)合全流程系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)提供了工程基礎(chǔ)。

燃油加注；排擠；試驗(yàn)平臺(tái)

1 引言

高超聲速航天飛行器是世界軍事強(qiáng)國(guó)爭(zhēng)相發(fā)展和研究的熱點(diǎn)，集成了航空、航天領(lǐng)域先進(jìn)前沿技術(shù)，具有突防能力強(qiáng)、速度快、作戰(zhàn)效能大、響應(yīng)時(shí)間短、作戰(zhàn)距離遠(yuǎn)等諸多特點(diǎn)。20世紀(jì)50年代以來(lái)，美國(guó)、俄羅斯等軍事強(qiáng)國(guó)相繼研制了X-43A、X-43B、彩虹D2等高超聲速飛行器[1]。

我國(guó)在高超聲速飛行器研究方面起步較晚，前期研究集中在超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)概念和燃燒理論。增壓輸送系統(tǒng)作為超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力分系統(tǒng)，是航天飛行器的重要組成部分，控制燃料按照一定的壓力、流量從貯箱輸送到發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室，其性能直接影響航天飛行器的動(dòng)力發(fā)揮效率[2～4]。

在地面模擬試驗(yàn)中，航天飛行器燃油增壓輸送系統(tǒng)貯箱內(nèi)需要加注一定質(zhì)量的燃料，并要求按照特定的排擠速度輸送到發(fā)動(dòng)機(jī)中。由于貯箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，外形尺寸大，且燃油加注具有一定的危險(xiǎn)性，對(duì)加注方式、加注安全性提出了比較苛刻的要求。為提高燃油加注效率、操作安全性，結(jié)合實(shí)際需要，本文擬搭建一套燃油加注排擠試驗(yàn)平臺(tái)，開(kāi)展燃油加注、燃油排擠試驗(yàn)驗(yàn)證工作。

2 試驗(yàn)平臺(tái)需求分析

某航天飛行器以航空煤油為燃料，采用擠壓式燃油增壓輸送方式，貯箱內(nèi)設(shè)計(jì)有環(huán)形油囊，油囊與發(fā)動(dòng)機(jī)直接相連。正常工作過(guò)程中，貯箱油囊內(nèi)的燃油在氣枕壓力的作用下，按照一定的壓力、流量進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室。增壓輸送系統(tǒng)涉及燃油加注、定量排擠、關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)控等功能需求。同時(shí)增壓輸送系統(tǒng)含有35MPa的壓力容器氣瓶以及易燃易爆燃料，試驗(yàn)過(guò)程中的安全性設(shè)計(jì)對(duì)平臺(tái)設(shè)計(jì)提出了更加苛刻的要求。

為提高加注排擠質(zhì)量和效率，采用抽真空加注、高點(diǎn)放氣加注與定壓力排擠相結(jié)合的方式，首次加注為抽真空加注，最大限度排除了空氣雜質(zhì)帶來(lái)的燃油污染，高點(diǎn)放氣加注保證貯箱在豎直狀態(tài)下滿量加注。定壓力排擠方式與貯箱油囊配合，有利于排擠過(guò)程燃油平穩(wěn)輸出。

綜合分析，燃油增壓輸送系統(tǒng)加注排擠試驗(yàn)平臺(tái)需具備以下功能：

a. 實(shí)時(shí)顯示燃油加注質(zhì)量；

b. 具備提供100Pa以下的抽真空的能力；

c. 具備氣動(dòng)壓力燃油加注、排擠功能，氣動(dòng)壓力可調(diào)；

d. 能夠?qū)崿F(xiàn)燃油管路自清洗，清洗壓力可調(diào)；

e. 能夠提供高壓氮?dú)?，給貯箱氣瓶循環(huán)充氣；

f. 燃油排擠流量既可手動(dòng)控制，也可遠(yuǎn)程通信控制；

g. 氣瓶中氮?dú)鈮毫?、溫度，貯箱進(jìn)氣壓力、貯箱排油壓力、貯箱排油流量能夠可視化、參數(shù)化；

h. 能夠?qū)崿F(xiàn)燃油排擠時(shí)序控制。

3 試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 總體設(shè)計(jì)

根據(jù)應(yīng)用對(duì)象特性、試驗(yàn)平臺(tái)功能需求，對(duì)試驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)展了模塊化設(shè)計(jì)，如圖1所示，可分為加注系統(tǒng)、排油系統(tǒng)、檢測(cè)與控制系統(tǒng)。其中加注系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)抽真空加注、高點(diǎn)放氣加注以及供氣接口和燃油稱重，排油系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)燃油的定流量控制，檢測(cè)與控制系統(tǒng)用于燃油排擠過(guò)程時(shí)序控制，過(guò)程參數(shù)監(jiān)控與處理。

圖1 試驗(yàn)平臺(tái)模塊化示意圖

三個(gè)子系統(tǒng)與貯箱本體及內(nèi)部管路構(gòu)成了完整的增壓輸送系統(tǒng)燃油排擠試驗(yàn)系統(tǒng)，其管路連接總體框架見(jiàn)圖2。輸入側(cè)配氣臺(tái)通過(guò)金屬軟管、手動(dòng)閥門(mén)與加注罐、加油機(jī)、液控箱、機(jī)身艙連接，輸出側(cè)機(jī)身艙通過(guò)流量計(jì)、調(diào)節(jié)式手動(dòng)球閥、調(diào)節(jié)式電動(dòng)球閥、氣動(dòng)球閥與回收容器連接，輸入輸出部分構(gòu)成了加注排擠管路主回路。管路中間各關(guān)鍵部位安裝了壓力傳感器、溫度傳感器、流量傳感器等狀態(tài)感知智能部件，檢測(cè)與控制系統(tǒng)采集智能部件的信息進(jìn)行篩選處理。

圖2 燃油增壓輸送系統(tǒng)加注排擠試驗(yàn)平臺(tái)總體連接圖

3.2 加注供氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

加注供氣系統(tǒng)集配氣臺(tái)、加注罐、加油機(jī)、抽真空機(jī)、過(guò)濾器、手動(dòng)閥門(mén)于一體，實(shí)現(xiàn)供氣、加注罐補(bǔ)油、油量定量加注、貯箱抽真空，滿足抽真空加注、高點(diǎn)放氣加注需求。抽真空機(jī)、加油機(jī)、過(guò)濾器、手動(dòng)閥門(mén)均選用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。配氣臺(tái)、加注罐則根據(jù)功能需要進(jìn)行了定制化設(shè)計(jì)。

加注供氣系統(tǒng)工作原理：抽真空加注時(shí)，貯箱水平放置，抽真空機(jī)持續(xù)工作，將油囊、貯箱內(nèi)的空氣抽至100Pa以下，然后打開(kāi)加注供氣閥門(mén)，利用壓差，將加注罐內(nèi)的煤油輸送至油囊內(nèi)，同時(shí)讀取電子秤的數(shù)值，控制加注燃油的質(zhì)量；高點(diǎn)放氣加注時(shí)，貯箱翻轉(zhuǎn)為豎直狀態(tài)，加注口在下方，打開(kāi)供氣閥門(mén)持續(xù)加壓，直到回收容器內(nèi)溢出煤油，貯箱加滿。

3.2.1 配氣臺(tái)設(shè)計(jì)

配氣臺(tái)是試驗(yàn)平臺(tái)重要的組成部分，其為加注、排擠、充氣、除雜質(zhì)提供不同壓力的氮?dú)狻Ｍㄟ^(guò)需求分析，配氣臺(tái)需提供0～35MPa、0～1MPa可調(diào)的高低組合氮?dú)?，設(shè)計(jì)配氣臺(tái)的氣路原理：外接氣源通過(guò)增壓泵、空氣泵的增壓穩(wěn)壓介入配氣臺(tái)內(nèi)部，經(jīng)空氣過(guò)濾器、截止閥、減壓器，最終輸出0～1MPa的低壓氣。氣路傳輸過(guò)程設(shè)置高壓氣、中壓氣分支輸出，并配有壓力顯示表，實(shí)時(shí)顯示各路氣壓值。

3.2.2 加注罐設(shè)計(jì)

加注罐是煤油存貯和中轉(zhuǎn)加注的壓力容器，其結(jié)構(gòu)集成了罐體、升降機(jī)構(gòu)、電子秤、閥門(mén)如圖3所示。電子秤用于記錄和顯示加注燃油的質(zhì)量，升降機(jī)構(gòu)用于加注罐的頂升控制，方便電子秤移動(dòng)。罐體設(shè)計(jì)為上下圓弧面，中間圓柱體，此結(jié)構(gòu)承壓能力強(qiáng)，排油殘留小。罐體上表面設(shè)置4路閥門(mén)，分別連接氣路加注、燃油加注/轉(zhuǎn)注、排氣、壓力表連通管路。

圖3 加注罐示意圖

3.3 定量排擠管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

定量排油系統(tǒng)包含主排油管路、特性參數(shù)顯示儀表兩部分。主排油管路與貯箱油囊相連，控制排油量的大小，可模擬燃油增壓輸送系統(tǒng)輸入排油壓力與排油流量的線性關(guān)系。特性參數(shù)顯示儀表包括氣瓶壓力表、油囊排擠壓力表、排油輸出壓力表、燃油流量表，可直觀感知特性參數(shù)數(shù)值。

應(yīng)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和安全試驗(yàn)需要，本設(shè)計(jì)選用的壓力表均含有485通信接口，可采用總線控制方式，減少傳輸導(dǎo)線之間的電磁干擾，提高數(shù)據(jù)讀取可靠性同時(shí)燃油流量控制采用手動(dòng)調(diào)節(jié)型球閥和電動(dòng)調(diào)節(jié)型球閥兩種并聯(lián)控制方式。非振動(dòng)環(huán)境下，采用手動(dòng)球閥控制方式，人工讀取儀表數(shù)值。振動(dòng)環(huán)境下，煤油排擠與高壓氣瓶均存在安全隱患，可通過(guò)電動(dòng)球閥實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，提高試驗(yàn)的安全性。

3.4 監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)是試驗(yàn)平臺(tái)人機(jī)交互最直接的體現(xiàn)，既能實(shí)時(shí)顯示關(guān)鍵部位參數(shù)變化，又能控制加注排擠系統(tǒng)試驗(yàn)的參數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，是試驗(yàn)平臺(tái)順利運(yùn)行的核心[5，6]。根據(jù)試驗(yàn)平臺(tái)和加注排擠試驗(yàn)的需求，檢測(cè)與控制系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖4所示。

圖4 檢測(cè)與控制系統(tǒng)架構(gòu)圖

監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)由應(yīng)用軟件、控制器硬件、采集儀表、閥門(mén)等構(gòu)成。壓力變送器、流量變送器、溫度變送器等傳感部件采集貯箱的參數(shù)狀態(tài)，經(jīng)控制器硬件模塊的信號(hào)放大、濾波、整形處理，應(yīng)用軟件通過(guò)調(diào)用處理程序，以一定的圖形、曲線形式顯示出來(lái)。

3.4.1 采集儀表選型

采集儀表是系統(tǒng)監(jiān)測(cè)狀態(tài)參數(shù)的主要途徑，主要包括壓力變送器、流量變送器、溫度變送器等?？紤]到試驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性、試驗(yàn)安全性，儀表需選用帶有遠(yuǎn)程通信功能的集成模塊，并且能夠適應(yīng)煤油介質(zhì)，具有耐腐蝕、防爆特性。3個(gè)壓力傳感器的的型號(hào)分別為BP8103G-0.5/35MPa、BP8103G-0.5/0.6MPa、BP8103G-0.5/0.6MPa，流量傳感器型號(hào)為L(zhǎng)W-25D2M3SDSR，溫度傳感器選用貼片式熱電偶，儀表全部采用485通信接口，滿足了壓力0～35MPa、流量2L/s、溫度-40～80℃的范圍且遠(yuǎn)程通信要求。

3.4.2 閥門(mén)選型

閥門(mén)是啟動(dòng)排油氣源、調(diào)節(jié)增壓輸送流量的主要部件，是摸索排油特性的重要執(zhí)行部件，其控制精度直接影響排油控制時(shí)序的選擇。本系統(tǒng)閥門(mén)包括電爆閥、氣動(dòng)球閥、電動(dòng)球閥。時(shí)序控制時(shí)，控制系統(tǒng)順序點(diǎn)爆電爆閥、氣動(dòng)球閥，并以一定的加載形式控制電動(dòng)球閥的開(kāi)度，調(diào)節(jié)排油流量。

電爆閥與高壓氣瓶三通相連，能否可靠點(diǎn)爆是排油系統(tǒng)啟動(dòng)的關(guān)鍵，本設(shè)計(jì)采用24V供電，點(diǎn)爆電流可達(dá)10A，保證電爆閥中的火工品能夠快速點(diǎn)爆。氣動(dòng)球閥是排油出口的關(guān)鍵部件，本設(shè)計(jì)選用成熟產(chǎn)品XJ/Q02-23/32-DQ，24V供電，毫安級(jí)驅(qū)動(dòng)電流，響應(yīng)速度可達(dá)20ms。電動(dòng)球閥是為滿足振動(dòng)試驗(yàn)條件下的安全操作而設(shè)置的，它具有防爆、抗震、耐腐蝕的特性，供電電壓24V，控制形式為485通信，抗干擾能力強(qiáng)。

3.4.3 控制器硬件選型

儀器儀表及閥門(mén)控制形式有485通信、數(shù)字I/O兩種。本系統(tǒng)選用成熟通信模塊、I/O模塊。

通信模塊選用MOXA公司通用串口通信模塊CP-118U-I模塊，它是一款智能型8口Universal PCI多串口卡，是為POS和ATM應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，可以用于工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)制造和系統(tǒng)集成上。可兼容任何主流操作系統(tǒng)，CP-118U-I的 8個(gè)RS-232/422/485串口的每個(gè)端口數(shù)據(jù)速率達(dá)921.6Kbps，提供全調(diào)制解調(diào)器控制信號(hào)，確保與外圍串口設(shè)備的兼容性。

I/O模塊選用PCI9054，可以輸出一定脈寬脈沖信號(hào)，并具有一定的驅(qū)動(dòng)能力，用于驅(qū)動(dòng)閥門(mén)，驅(qū)動(dòng)閥門(mén)的信號(hào)采用OC方式輸出，通過(guò)上拉使電壓輸出到預(yù)定的電平；具有2路OC的輸出（每個(gè)閥門(mén)信號(hào)），一路為用作電爆閥信號(hào)（秒脈沖），一路為電磁閥信號(hào)，可以調(diào)節(jié)輸出的驅(qū)動(dòng)脈沖的間隔脈寬，設(shè)置范圍為0.1～10s，精度優(yōu)于1ms；

4 驗(yàn)證與分析

4.1 加注試驗(yàn)

試驗(yàn)狀態(tài)：貯箱水平放置；試驗(yàn)項(xiàng)目：抽真空自檢、抽真空加注。

4.1.1 抽真空自檢

a. 關(guān)閉K19、K16，打開(kāi)K20、K21、K22，啟動(dòng)真空泵對(duì)氣腔和液腔抽真空至100Pa以下，關(guān)閉K22，再關(guān)閉真空泵；

b. 保壓2h，觀察數(shù)顯儀，要求仍能夠維持100Pa以下，記錄抽真空時(shí)間。重復(fù)進(jìn)行3次試驗(yàn)。

4.1.2 抽真空加注

a. 打開(kāi)閥門(mén)K16，打開(kāi)配氣臺(tái)K11，向加注罐緩慢供氣0.05～0.08MPa；

b. 通過(guò)監(jiān)測(cè)加注貯罐下電子秤質(zhì)量變化，控制球閥K16的開(kāi)度，初始加注流量為0.3kg/min，每間隔0.5分鐘將加注流量調(diào)大0.2～0.3kg/min，當(dāng)加注流量達(dá)到2kg/min后，將加注貯罐壓力增大至0.12MPa，并將K16開(kāi)度緩慢增大，使得加注流量為15～20kg/min；

c. 當(dāng)電子秤減少質(zhì)量為100kg時(shí)，將K16開(kāi)度調(diào)小，使得加注流量為2kg/min；

d. 當(dāng)電子秤減少質(zhì)量為145kg時(shí)，將K16開(kāi)度進(jìn)一步調(diào)小，使得加注流量為0.3kg/min；

藏藥麻花秦艽醇提物對(duì)膠原誘導(dǎo)型關(guān)節(jié)炎模型小鼠滑膜組織中NF-κB p65表達(dá)的影響 ………………… 賈 娜等（15）：2082

e. 當(dāng)電子秤減少質(zhì)量為150kg時(shí)，停止加注，記錄此時(shí)電子秤數(shù)值及機(jī)身艙重量，關(guān)閉數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；

f. 關(guān)閉真空泵、閥門(mén)K22，停止氣腔抽真空，關(guān)閉配氣臺(tái)K11，停止擠壓加注罐；

g. 斷開(kāi)與加注閥連接的管路，打開(kāi)K19、K9、K15，通過(guò)配氣臺(tái)對(duì)加注管路進(jìn)行吹除；

h. 當(dāng)加注罐電子秤不再改變時(shí)，記錄此時(shí)電子秤數(shù)值，關(guān)閉K9停止吹除，并拆除抽真空設(shè)備。

4.1.3 試驗(yàn)分析

如圖5所示，在三次加注試驗(yàn)中，加注罐內(nèi)的水均被配氣臺(tái)通過(guò)抽真空管路輸送到貯箱中，加注過(guò)程加注罐的質(zhì)量變化平穩(wěn)，無(wú)質(zhì)量突變情況。這表明，配氣臺(tái)工作正常，加注管路氣密性、抽真空設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)要求，抽真空加注試驗(yàn)方案可行。

圖5 燃油加注質(zhì)量與時(shí)間關(guān)系圖

4.2 燃油排擠試驗(yàn)

4.2.1 試驗(yàn)步驟

a. 連接增壓?jiǎn)蜗蜷y，通過(guò)配氣臺(tái)定壓力（0.15MPa表壓）擠壓，同時(shí)打開(kāi)氣動(dòng)球閥，向回收容器中排擠燃油；

b. 排擠過(guò)程中，監(jiān)測(cè)流量計(jì)，調(diào)整手動(dòng)球閥，使得排放流量約0.27L/s，并此時(shí)標(biāo)記手動(dòng)球閥的位置；

c. 約2min后，調(diào)整手動(dòng)球閥，使得排放流量約1.28L/s；

d. 約1min后，調(diào)整配氣臺(tái)壓力至0.1MPa（表壓），并調(diào)整手動(dòng)球閥，使得排放流量約0.27L/s，直至排盡；

e. 排擠結(jié)束后，關(guān)閉氣動(dòng)球閥，斷開(kāi)與增壓?jiǎn)蜗蜷y連接管路，對(duì)機(jī)身艙稱重2，記錄回收容器增加重量3。

4.2.2 試驗(yàn)分析

圖6 燃油排擠質(zhì)量與時(shí)間關(guān)系圖

如圖6所示，在燃油排擠試驗(yàn)中，貯箱油囊內(nèi)的燃油在氣源定壓力作用下平穩(wěn)排出，并且手動(dòng)球閥的開(kāi)度不同，燃油流量也跟隨變化。這表明，航天飛行器增壓輸送系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)排油管路密封性滿足要求，定壓力排油功能符合設(shè)計(jì)要求，燃油排擠試驗(yàn)平臺(tái)方案可行。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)某航天飛行器增壓輸送系統(tǒng)進(jìn)行需求分析，設(shè)計(jì)并搭建了一套燃油加注排擠試驗(yàn)平臺(tái)，在平臺(tái)基礎(chǔ)上開(kāi)展了初步的試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明：

a. 通過(guò)燃加注試驗(yàn)、排擠試驗(yàn)，不僅驗(yàn)證了硬件平臺(tái)的功能和性能，也證實(shí)了試驗(yàn)的設(shè)計(jì)的合理性。

b. 抽真空加注試驗(yàn)、排擠試驗(yàn)的首次驗(yàn)證成功，為后續(xù)開(kāi)展燃油增壓輸送系統(tǒng)的各階段試驗(yàn)提供了工程經(jīng)驗(yàn)，具有一定的工程價(jià)值。

1 楊鐵柱. 高超聲速飛行器助推分離段優(yōu)化設(shè)計(jì)與抗擾設(shè)計(jì)[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2015

2 王文斌. 液體火箭增壓輸送系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性仿真與分析[D]. 長(zhǎng)沙：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2009

3 王天祥. 液氧增壓器擠壓加注輸送可行性試驗(yàn)[J]. 導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù)，2012(5)：1～2

4 史劍峰. 火箭推進(jìn)劑加注裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)與阻抗控制研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2015

5 陳彗星. 運(yùn)載火箭燃料加注泵監(jiān)測(cè)平臺(tái)研究[J]. 兵工自動(dòng)化，2017(36)：1～2

5 李慶. 基于LABVIEW的導(dǎo)彈燃油加注在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]. 北京：北京理工大學(xué)，2015

Design and Research of Test Platform About Pressure Conveying System of Aerospace Craft

Yang Bo Feng Lijie Cao Zhong Qiu Kai Zhao Sai Zhang Wei Sun Xiaoliang Mao Danping

(Shanghai Aerospace Precision Machinery Institute, Shanghai 201600)

Because of inefficient fuel injection and potential safety hazard, it is proposed to establish a fuel injection extrusion test platform, on which multi-mode fuel injection, automatic fuel extrusion, and visual parameter monitoring can be achieved. The test indicates that the platform is feasible and reasonable and meets the needs of the test. It provides the engineering foundation for the subsequent development of the joint full-process system-level test.

fuel injection；fuel extrusion；test platform

楊波（1988），工程師，電氣工程及自動(dòng)化專業(yè)；研究方向：航天飛行器裝配工藝研究、非標(biāo)自動(dòng)化設(shè)備設(shè)計(jì)等。

2018-07-31