发动机工作状态下推进剂量动态测量技术研究

【摘要】：推进剂量精确测量有利于提升火箭运载能力。火箭各级推进剂量占火箭总质量的85%-90%,由于火箭发动机工作过程氧化剂和燃料的推进剂量测量、流量控制不精确,导致火箭各级都有一定比例的冗余推进剂,这部分推进剂不能被有效利用,造成巨大的浪费。如果能在火箭发动机工作状态下精确地实时测量每个贮箱中的推进剂量,就可以调节氧化剂和燃料的质量流量,最终大幅度减少冗余推进剂量,进而提高火箭的总体性能。且推进剂量实时测量数据可为后续发射任务优化燃烧混合比及氧化剂、燃料初始加注量等提供参考,可有效提高火箭的运载能力,具有巨大的经济价值。飞行过程中受箭体姿态的影响,液位相对于贮箱是倾斜的,因此目前火箭上常用的液位测量方法误差较大。在轨加注可以延长卫星寿命、增加机动能力,是高效、廉价应用太空的基础,具有广阔的应用前景。推进剂量测量是在轨加注的一项关键技术,准确测量贮箱内推进剂量可为确定在轨加注时机和需要加注的推进剂量提供参考。目前常用的微重力环境下推进剂量测量方法在测量精度、可操作性及适用范围上存在某些方面的不足,且不适用于发动机工作状态下推进剂量测量。为此,本文提出了体积激励技术,具有测量精度高、安全性好、易操作、适用范围广等优点,能够在大推力推进系统或微推进系统工作状态下测量推进剂量。首先,对推进剂供应系统类型及微重力环境下推进剂量测量方法进行总结分析,针对发动机工作过程中推进剂量测量的特殊要求,对现有测量方法进行可行性分析,在综合各方法的基础上提出了体积激励技术,该技术基本思路是通过短暂停止对贮箱的增压,利用推进剂流出引起气体体积自激励。其次,推导出了理想条件下的测量控制方程,并依据排液过程贮箱内气体热力学模型推导出了传热传质对测量控制方程的修正,并对其它影响因素进行了讨论分析。对小流量的微推进系统,单纯依靠推进剂流出引起压力的变化较小,难以被准确测量,需要增加激励装置提高激励效应。建立了测量过程贮箱系统热力学仿真模型,仿真模拟了大流量和小流量两种工况下的贮箱内温度、压力变化情况,重点分析了传热因素对测量的影响,仿真结果表明传热对测量精度的影响不可忽视,计算时应当选择合适的热力学模型。最后,搭建了地面试验系统,试验系统主要包括贮箱系统、激励装置(小流量工况)、测量系统及数据采集处理系统等。对大流量和小流量两种工况分别开展了地面试验,对试验结果进行了分析,推导出了过程系数,试验结果与理论分析结果相符。且两种工况下的测量不确定度都可控制在贮箱总体积的1%以内,试验证明,体积激励技术是可行的。总之,论文对发动机工作状态下推进剂量动态测量技术进行了研究,提出了一种体积激励技术,并进行了理论和试验研究,验证了该方案的可行性和测量精度,为下一步的改进提供了依据。
【关键词】：推进剂量 发动机工作状态 动态测量 热力学模型 传热 过程系数 地面试验系统
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：V43