小型移动式液体推进剂供应装置的研制

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　　摘  要：针对现有固定式液体推进剂供应装置所存在的安全隐患及产生的环境污染问题的缺陷，研制了一种小型可移动式液体推进剂供应装置。阐述了小车、质量流量计、体积管流量计、推进剂容器、仪表控制箱、阀门、管路等主要组成部件的结构。对安装在装置上的质量流量计及体积管流量计进行了重点介绍。总结了该装置的创新性：体积小、机动灵活、操作简便、性能稳定可靠、能适应多种液体火箭发动机的试车要求。该装置能直接与试车台的测控系统连接，而无需其它转接设备，非常方便快捷。该装置已成功地在多个试车台上进行了投入使用，在小推力、小流量发动机试车及其他方面有着广泛的应用范围及市场前景。
　　关键词：移动式;液体推进剂;供应装置;质量流量计;体积管流量计
　　中图分类号：TL413         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）05-0023-05
　　Abstract： A small mobile liquid propellant supply device was designed to solve the problems of safety and environmental pollution caused by existing stationary liquid propellant supply devices. This paper also elaborates the structure of the main components， such as trolley， mass flowmeter， volumetric tube flowmeter， propellant container， instrument control box， valve and pipeline. The mass flow meter and volumetric tube flow meter installed on the device were introduced emphatically. The innovation of the device was summarized： small size， flexible maneuver， easy operation， stable and reliable performance， and could meet the test running requirements of many kinds of liquid rocket engines. The device can be directly attached to the measurement and control system on the test bed. Without any other transfer equipment， the device is very convenient and fast to use. The device has been successfully put into use on several test beds， which has a wide range of applications and market prospects in small push， small flow engine tests and other aspects.
　　Keywords： mobile; liquid propellants; supply device; mass flowmeter; volume tube flowmeter
　　引言
　　近年来，世界各国对于军事和民用航天领域的投入相继增加，液體火箭发动机试车台上进行的发动机试车数量逐年增多。在发动机试车过程中，通常所用到的液体推进剂由燃料和氧化剂两部分组成。其中，燃料以肼类（无水肼、一甲基肼、偏二甲肼、单推-3等）为主，氧化剂以四氧化二氮为主[1]。它们均具有高毒、易爆、易燃的特性，会对人体健康和生态环境造成严重的危害[2]。在液体火箭发动机试车台上常用的推进剂供应系统分为燃料供应系统和氧化剂供应系统。常规的液体推进剂供应系统为固定式供应装置，包括推进剂容器间、推进剂供应管路、推进剂配气管路、阀门等[3]。液体推进剂经转注后进入推进剂贮箱，再通过氮气增压，经管路输送至发动机，然后进行试车。为了缩短推进剂供应管路，推进剂容器间一般设在试车台边上，这势必会给试车带来极大的安全隐患。此外，为了方便下次试车使用推进剂，通常的做法是将未使用完的推进剂保存在容器中，在带来安全问题的同时也严重污染了台区环境[4]。为了解决这一矛盾，本课题组在满足液体火箭发动机试车的条件下对推进剂供应系统进行改进，研制了一种小型可移动式液体推进剂供应装置。
　　该小型移动式液体推进剂供应装置主要从以下几个方面进行考虑：首先，从满足液体火箭发动机试车方面来说，该装置应能满足推进剂供应量，同时也缩短推进剂供应管路。推进剂供应管路的缩短能够减小推进剂输送时的阻力降，除能节省推进剂供应量，还能减少因推进剂供应管路过长而带来的不良因素[5]。其次，该装置的设计可节约成本，原有的推进剂加注系统需兴建推进剂贮存库房，以及配备其他辅助设施，这需要花费大量的经费，而小型移动式液体推进剂供应装置的设计可以节省这方面的经费。再次，从环境保护的角度考虑，可移动式液体推进剂供应装置的运用对试车台及周边环境的改善有很大的促进作用。该装置平时可存放于库房之中，当进行发动机试车时运送至试车台供应推进剂，试车结束后再运回库房保存。这样不但降低了试车台区域的危险性，而且减小了对试车台的污染程度，对整个周边环境的生态保护，也都起到了重要作用。 　　为满足小推力的发动机试车及短时的较大推力的发动机试车过程中足量推进剂的供应，该推进剂供应装置设计成可移动式的，能供高空、地面、长程等多个试车台的发动机试车时使用。该系统与试车台的测控系统连接后，可自动实现试车的流量测量和校准。该套装置能满足推力5N～300N各种发动机的稳态流量和脉冲累积流量的测量要求，并且能直接与试车台的数据采集、控制系统连接，而无需其它转接设备，更为方便快捷。
　　1 装置整体设计方案
　　小型移动式液体推进剂供应装置由2个16L的容器、过滤器、液位计、配气操纵箱、阀门、管路等组成，形成一个完整的系统，可独立运行，其系统原理图如图1所示。由于液体火箭发动机试车要求推进剂供应系统内部必须十分清洁，不允许有任何机械杂质和油污存在，因此推进剂供应系统的贮箱、管路、接头、阀门等部件在安装使用前都应进行严格的超净处理。推进剂含杂质的颗粒度要求小于10μm，氮气含杂质的颗粒度要求小于5μm，所以对进入系统的推进剂和氮气用3μm的不锈钢纤维压制而成的折叠式过滤器过滤，同时用颗粒度仪定时进行检测控制[6]。在装置上安装了高精度的质量流量计和体积管流量计，整个加注系统可直接接入发动机试车台，同时可实现对流量计进行自校和互校，确保了测量系统的可靠性和精度。
　　2 主要组成部分
　　小型移动式液体推进剂供应装置的机械结构如图2所示，主要组成部分包括小车、质量流量计、体积管流量计、推进剂容器、仪表控制箱、阀门、管路等。
　　推进剂小车外形尺寸为680×600×1150mm，是系统中其它设备的承载设备，其余设备如推进剂容器、仪表控制箱、控制阀门、过滤器以及管路等都安装在小车上。推进剂供应小车在小车底盘装有滚轮，且小车滚轮带有刹车装置，能保证小车的稳定性。
　　2.1 质量流量计
　　移动式液体推进剂供应装置上安装的高精度的质量流量计，是采用德国E+H公司生产的63A型高精度的科氏力质量流量计。它应用科氏力与运动流体的质量成正比的原理，不受密度、压力、介质粘度、流速分布等物理量的影响，具有很高的测量精度，一般可达到0.2%，并可测量极小的流量[7]。根据发动机试车时的流量情况，选用了Ф1mm、Ф2mm、Ф4mm三种规格的质量流量计，能有效覆盖推力5N～300N、流量1.5g/s～140g/s的各种发动机的测量范围，并能输出4～20mA的信号，供计算机采集处理。应用该种质量流量计来测量发动机试车的稳态流量，系统精度可小于0.5%。
　　2.2 体积管流量计
　　传统的质量流量计和涡轮流量计受限于其设计原理，对于10g/s以下的小流量和脉冲流量，尤其是短脉冲流量的测量无能为力，而体积管法测量流量在这方面则有其独特的优势。在移动式液体推进剂供应装置上还安装有体积管流量计，用于测量发动机的脉冲流量。
　　2.2.1 原理
　　体积管流量计由一根Ф45mm精密钢管、德国生产的磁致缩位移传感器以及气动阀门等组成。位移传感器具有很高的测量精度，它的定位精度可达到0.01mm，并能输出4～20mA信号，供计算机采集处理。体积管流量计的原理是将推进剂存放在一根内径均匀的中空管中，测量发动机工作前后，管中推进剂液位的高度差，推算出消耗的推进剂的质量，再由发动机工作的时间或脉冲数，得到平均的流量值或平均每个脉冲消耗的推进剂质量[8]。流量计算公式为：
　　中空管采用一根内表面具有较高表面光洁度且内径均匀的不锈钢管，管中心有一根波导杆，一个装有磁环的不锈钢浮子套在波导杆上，使用磁致缩位移传感器，它通过电磁波不断检测其玻导杆上磁环的相对位置，确定其高度，精度为0.05%。体积管内液面上下浮动带动浮子上下浮动，引起磁环位置的变化[9]，其结构图如图3所示。该高度变化值由传感器获得，代入流量标定表中进行运算，可得出流量值。
　　2.2.2 体积管的標定
　　对体积管的标定实际就是k值的求出，理论上可采用插值法进行计算，以减小误差。标定装置如图4所示，标定过程中采用蒸馏水作为模拟推进剂介质，手动控制阀门打开，每40g为一段，记录输出的电压值和电子秤测得的蒸馏水的质量，形成一张标定数据表（表1），再重复标定一次，形成第二张标定数据表（表2），和第一张进行对比，以确保数据的可靠性。由于是手动控制阀门，不能保证每段都是精确的40g，因此两张数据表中对应点的电压和质量数据不会完全一样，但对应段的k值应该非常接近，如果某一点的k值相差太大，说明这点的两组数据中至少有一组测量错误，则此点的数据不能用于计算。以第一张数据表为基准，对比k值，经计算，得出数据偏差均在0.86%以内，说明数据的重复性很好，无须删减数据，两张标定表都可用作插值计算。用获得的平均k值（k1、k2均可）进行计算，发现体积管测量的数据和电子秤测量的数据已经非常接近，偏差在0.35%以内，完全符合使用要求，所以在一般情况下，平均k值（k1、k2均可）能满足使用要求。
　　3 装置使用效果
　　小型移动式液体推进剂供应装置研制成功后即在高空试车台、地面试车台、长程试车台上投入使用。使用情况表明，该推进剂供应装置操作灵活、简便、性能可靠，完全能够满足产品试车的要求。该装置平时停放在库房内，在产品试车前将推进剂供应装置运送到推进剂贮藏库房，首先对推进剂供应装置进行推进剂转注（推进剂转注在推进剂库房中进行，这样可减少环境污染）。推进剂转注完毕后将推进剂供应装置运送至试车台与产品连接，然后进行管路充填。充填完待一切准备工作结束后即可进行产品试车。产品试车前，对装置上的推进剂容器进行增压，增压至预定箱压，开始按照程序段进行点火试车。试车结束后，对系统管路进行吹除，将管路中废液排至回收罐。最后对推进剂供应装置进行清洗，清洗完毕并吹净后将液体推进剂供应装置运送回库房停放以待下次试车使用。
　　4 结论 　　小型移动式液体推进剂供应装置的成功研制，为液体推進剂供应系统的设计提供了一条新思路。该液体推进剂供应装置是集加注、吹除、流量标定等功能于一体的高清洁度的推进剂加注设备，主要由小车、质量流量计、体积管流量计、推进剂容器、仪表控制箱、阀门、管路等组成。该装置上安装了高精度的体积管流量计和质量流量计，为小推力液体火箭发动机的流量的得出提供了良好的测量手段。该装置体积小、操作简便、机动灵活、流量测量设备精度高且系统稳定、能适应多种液体火箭发动机试车的要求。它不仅解决了试车台中因设置推进剂库房而存在的安全隐患，同时也减少了试车台区的污染，对试验台周围区域的环境治理也有很大帮助。该装置适用于小推力、小流量发动机试车以及其他方面，具有广阔的应用前景。
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