(1.上?？臻g推進研究所, 上海 201112；2.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100044)

引言

為了分析空間動力裝置在空間狀態(tài)的工作性能，需在模擬真空艙內(nèi)進行點火試驗。試驗中真空艙的壓力應(yīng)與所對應(yīng)空間的壓力保持一致，試驗過程影響真空艙壓力變化的因素較多，若抽空流量大于燃氣噴射流量將導(dǎo)致艙壓下降，需向艙內(nèi)補充等溫氣體；反之則需減少或停止補氣，以保持艙壓。真空艙壓動態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)用于真空艙的壓力調(diào)節(jié)與控制，以便在點火試驗過程保持壓力的穩(wěn)定，還需考慮滿足不同產(chǎn)品試驗不同壓力參數(shù)的需求[1-2]。

1 系統(tǒng)組成

試驗系統(tǒng)一般由真空艙、熱沉、抽空、補氣以及推進劑供給、廢氣處理、控制、測量等系統(tǒng)構(gòu)成。真空艙、熱沉、抽空、補氣系統(tǒng)實現(xiàn)點火試驗過程的真空模擬和保持，如圖1所示。補氣、測控系統(tǒng)組成真空艙壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)，是維持艙壓穩(wěn)定的主體[3]。

抽空系統(tǒng)由五級大流量引射泵構(gòu)成。每一級引射泵噴嘴處均設(shè)置開關(guān)閥，第三級引射泵前設(shè)有比例調(diào)節(jié)閥。試驗過程真空度要求較高時，五級引射泵全部開啟；真空度要求降低時，僅后四級引射泵工作；真空度繼續(xù)降低時，調(diào)節(jié)三級引射泵入口調(diào)節(jié)閥控制艙壓。可知在試驗過程中抽空系統(tǒng)的抽空流量基本為定值[4-5]。

熱沉安裝在真空艙內(nèi)，其作用是吸收點火試驗時的輻射熱，模擬空間冷黑環(huán)境。

圖1 真空艙構(gòu)造模型

因此，試驗過程中向真空艙補充等溫氣體是保持艙壓的主要途徑。艙壓動態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制補氣流量對真空艙內(nèi)的壓力實施微調(diào)。

2 補氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計

補氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)是艙壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)的主體，由控制閥門、管道、布氣環(huán)及壓力傳感器、壓力/真空傳感器等組成[6-7]，見圖2所示。

圖2 補氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理圖

2.1 設(shè)計原則

(1) 系統(tǒng)最大補氣能力為0.4 kg/s；

(2) 系統(tǒng)補氣流量控制(即艙壓穩(wěn)定性控制)，采用主動控制和被動控制2種方案；

(3) 布氣環(huán)結(jié)構(gòu)依據(jù)約束動力裝置試車燃氣噴射的尾氣流場分布需要設(shè)計。

2.2 補氣管道管徑確定

依據(jù)化工管道設(shè)計規(guī)范，流體在管道內(nèi)流動的馬赫數(shù)一般應(yīng)不高于0.3；真空管道內(nèi)的氣體流速一般不超過100 m/s。特殊的氣體管道馬赫數(shù)不得超過0.7。

根據(jù)上述規(guī)則和系統(tǒng)補氣量需求，按可壓縮流體相關(guān)計算公式計算得到管徑應(yīng)為φ250。經(jīng)校驗，在流量為0.4 kg/s、壓力為7 kPa的狀態(tài)下，可滿足馬赫數(shù)不大于0.7的要求[8-10]。

2.3 艙壓穩(wěn)定性控制方案

1) 影響穩(wěn)定性的因素分析

經(jīng)分析，可引起艙壓波動的因素包括：

(1) 動力源水蒸氣的壓力或溫度發(fā)生波動所導(dǎo)致的水蒸氣噴射泵抽氣能力波動；

(2) 補氣氣源壓力或溫度發(fā)生波動所導(dǎo)致的補氣流量、流速波動；

(3) 動力裝置由停車狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)工作狀態(tài)時，啟動階段氣體參數(shù)發(fā)生大的階躍式突變。此時泵的抽氣能力會因被抽氣體的成分、溫度、壓力變化而出現(xiàn)大幅度波動；

(4) 動力裝置由連續(xù)工作狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖工作狀態(tài)時，過渡過程氣體參數(shù)發(fā)生小的階躍式突變以及發(fā)動機處于脈沖工作狀態(tài)時，脈沖所導(dǎo)致的氣體參數(shù)階躍式變化。

2) 控制方案規(guī)劃

(1) 主動控制

主動控制適用于非穩(wěn)恒工作時的大、小階躍突變狀態(tài)?？刂圃瓌t為采用與工作狀態(tài)變化同步(甚至超前)的主動變化，依據(jù)相關(guān)參數(shù)計算量值，主動(提前)完成大量值調(diào)整，達到壓力穩(wěn)定控制的目標(biāo)。控制方法為采用并聯(lián)旁路閥門通斷控制，改變補氣流量。

(2) 被動控制

被動控制適用于穩(wěn)恒工作時的壓力波動控制?？刂圃頌橐詼y取的艙壓信號為目標(biāo)函數(shù)，以補氣主管道調(diào)節(jié)閥為執(zhí)行元件。依據(jù)檢測到的壓力波動反饋，控制調(diào)節(jié)閥的開度?？刂品椒椴捎肞ID算法，控制補氣主管道調(diào)節(jié)閥的開度。

2.4 布氣環(huán)結(jié)構(gòu)與艙內(nèi)流場分析

1) 布氣環(huán)的結(jié)構(gòu)

布氣環(huán)安裝在真空艙內(nèi)，如圖1所示。布氣環(huán)為與真空艙同心的圓弧狀管道，采用圓柱型多孔結(jié)構(gòu)，圓孔的面積總和大于流通截面積，不會對系統(tǒng)造成額外阻力。圓柱對稱分布，保證氣流向各個方向均勻流出，試驗時擾動罐內(nèi)空氣，促進溫度均勻性。同時氣流向各個方向均勻流動，能夠自己抵消氣流流出的反作用力，避免單一方向射流而造成過大反沖力，影響結(jié)構(gòu)強度[11]。

2) 補氣過程仿真分析

在補氣仿真模型中，分別定義動力裝置排放的燃氣和布氣環(huán)補充的氣體，以區(qū)分其流線，判斷約束效果并驗證補氣氣流噴射的合理角度。將布氣環(huán)氣流噴射的平均流速計算簡化成等寬圓環(huán)(為二維簡化模型準(zhǔn)備)，而后再簡化為離散的圓噴嘴(計算噴射孔的面積和分布間距)。

采用Fluent軟件，按可壓縮流體流動狀態(tài)，以空氣的物性參數(shù)，建立模型進行分析。

模擬過程采用降低氣體負荷的方式得到氣體的流場。采用的參數(shù)為：動力裝置模擬噴嘴(簡稱“噴嘴”)的氣體流量為0.02 kg/s；補氣流量為0.03 kg/s。后續(xù)分析中逐步提高氣體負荷，最后得到工作狀態(tài)的氣體流場分布[9-11]。

(1) 僅考慮動力裝置模擬噴嘴射流時，圖3～圖5為僅考慮噴嘴射流時模擬室的壓力場、速度場和流線。從圖5可看出，噴嘴噴出的氣體進入模擬室后高速噴射進入DN400的法蘭。

圖3 僅考慮噴嘴射流時的壓力場

圖4 僅考慮噴嘴射流時的速度場

(2) 同時考慮動力裝置模擬噴嘴射流和模擬補氣時，圖6～圖8為考慮噴嘴射流和布氣環(huán)補氣時模擬室的壓力場，速度場和流線。從圖中可看出，在增加布氣環(huán)補氣后，其速度場和流線變化不大，不致對噴嘴射流造成顯著的污染。圖9和圖10分別在模擬室中心和距中心高度0.2 m左右的壓力分布，可見氣體壓力可實現(xiàn)穩(wěn)定控制。

圖5 僅考慮噴嘴射流時的流線

圖6 考慮噴嘴射流和布氣環(huán)補氣時的壓力場

圖7 考慮噴嘴射流和布氣環(huán)補氣時的速度場

圖8 考慮噴嘴射流和布氣環(huán)補氣時的流線

根據(jù)模擬結(jié)果，認為仿真模擬的模擬室直徑φ400 遠大于噴嘴射流口直徑φ10.5，系統(tǒng)設(shè)計是可行的。

圖9 考慮噴嘴射流和布氣環(huán)補氣時的壓力(中心軸線)

圖10 考慮噴嘴射流和布氣環(huán)補氣時的壓力(中心軸線之上)

采用PID算法實現(xiàn)試驗過程艙壓控制；實現(xiàn)試驗過程狀態(tài)參數(shù)的采集和顯示。控制真空射流泵的啟停和氣動、電動閥門的開關(guān)并監(jiān)控其工況，完成試驗過程的抽空、補氣，實現(xiàn)艙壓調(diào)節(jié)，保持艙壓穩(wěn)定[12]。

3 控制閥門設(shè)計

3.1 氣動調(diào)節(jié)閥設(shè)計

選用流量特性為等百分比氣動調(diào)節(jié)閥，其控制和閥位反饋均為4～20 mA的模擬量信號。采用ET200模塊輸出開關(guān)量，通過繼電器控制閥門的開關(guān)；閥位信號也接入ET200模塊，由PLC控制系統(tǒng)采集并顯示。由于調(diào)節(jié)閥所存在的調(diào)節(jié)死區(qū)，一般情況以相對開度6%～70%范圍用于調(diào)節(jié)較為適宜，在調(diào)節(jié)閥控制策略中對此給予了關(guān)注。

3.2 氣動碟閥設(shè)計

氣動蝶閥利用二位三通電磁換向閥控制開關(guān)。電磁換向閥回路中串聯(lián)繼電器，PLC輸出信號控制繼電器實現(xiàn)閥門的開閉。閥位信號接入ET200模塊，由PLC控制系統(tǒng)采集并顯示。

3.3 電動減壓閥設(shè)計

減壓閥控制信號為4～20 mA模擬量，與壓力傳感器、PLC控制器形成閉環(huán)控制，通過模擬量信號對閥門的開度實施調(diào)節(jié)，從而控制氣源壓力。

4 結(jié)論

在某空間模擬試驗系統(tǒng)配套的艙壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計中，結(jié)合艙壓穩(wěn)定保持的需求，在分析影響艙壓穩(wěn)定的主要因素的基礎(chǔ)上，確定了主、被動控制的補氣策略，開展了大量的仿真模擬計算和分析，實現(xiàn)了系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，滿足了動力裝置熱試車試驗的使用要求。