CN103674516B - 一种运载火箭用膜盒组件低温刚度测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

一种运载火箭用膜盒组件低温刚度测量装置及测量方法，装置中下底板（2）放置在材料试验机底座（1）上，通过下固定板（15）采用底板固定螺栓（16）将下底板（2）的位置固定；下底板（2）上安装支撑杆（3），支撑杆（3）顶端固定安装上底板（4），上底板（4）上固定安装绝热槽（5），绝热槽（5）内部通过膜盒支架（11）固定膜盒组件，膜盒组件中的膜盒（12）连接膜盒拉压工装（9），膜盒组件中的膜盒外壳体的一个接管嘴堵住，一个接管嘴连接孔板（6），孔板（6）另一端连接氦气气源；转接工装（7）与材料试验机的拉压机构连接，膜盒拉压工装（9）与转接工装（7）之间安装绝热法兰（8），排液嘴（14）安装在绝热槽（5）的底部。

Description

一种运载火箭用膜盒组件低温刚度测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于一种运载火箭地面模拟试验装置，具体涉及一种运载火箭用膜盒组件低温刚度测量装置。

背景技术

中国用于“长征”系列运载火箭中的金属膜盒式蓄压器技术也已经成熟化、产品化。随着低温推进剂推力大、环保性高等优势的逐渐凸显，中国发展大型低温运载火箭的计划也早已日程化，低温蓄压器的研制工作也随之成为重点课题项目。

芯一级低温蓄压器用于抑制火箭结构和火箭发动机及管路系统之间的振动耦合引起的整个火箭的纵向振动，即POGO振动，安装于芯一级发动机氧化剂泵口启动活门前。低温膜盒组件为低温蓄压器关键部件，在研制过程中需要掌握膜盒组件实际低温环境下的机械刚度数据，故需进行膜盒组件低温机械刚度测量试验。

目前国内没有见到测量金属膜片式膜盒低温刚度，存在低温测量弹簧刚度的试验，采用的是低温试验箱模拟低温试验环境，环境箱内充满氦气实现气封，本发明采用简易的绝热结构模拟低温环境，所需空间及成本均有所降低，并定量的计算了避免影响试验结果所需的氦气量。

发明内容

本发明的技术解决问题是：提供一种运载火箭用膜盒组件低温刚度测量装置，该装置可测量膜盒组件低温刚度参数。

本发明的技术解决方案是：一种运载火箭用膜盒组件低温刚度测量装置，包括下底板、支撑杆、上底板、绝热槽、孔板、转接工装、绝热法兰、膜盒拉压工装、膜盒支架、排液嘴、下固定板和底板固定螺栓；

下底板放置在材料试验机底座上，通过下固定板采用底板固定螺栓将下底板的位置固定；下底板上安装支撑杆，支撑杆顶端固定安装上底板，上底板上固定安装绝热槽，绝热槽内部通过膜盒支架固定膜盒组件，膜盒组件中的膜盒连接膜盒拉压工装，膜盒组件中的膜盒外壳体的一个接管嘴堵住，一个接管嘴连接孔板，孔板另一端连接氦气气源；转接工装与材料试验机的拉压机构连接，膜盒拉压工装与转接工装之间安装绝热法兰，排液嘴安装在绝热槽的底部。

本发明方法的技术方案是：一种运载火箭用膜盒组件低温刚度测量方法，步骤如下：

（1）将膜盒组件安装在上述测量装置上；膜盒拉压工装与绝热法兰之间暂不连接；

（2）对膜盒组件进行氦气置换，置换完成后向膜盒与膜盒组件外壳体之间腔体充入一定压力氦气，使膜盒处于极限压缩状态；

（3）向绝热槽内倒入液氮，待膜盒组件换热稳定；

（4）排出膜盒内氦气，保持一定氦气流量实现膜盒与膜盒外壳体之间腔体实现气封；

（5）调节底板固定螺栓，使膜盒组件与材料试验机拉压机构对中，对中完成后手动控制材料试验机使绝热法兰下端面与膜盒拉压工装上端面贴合并连接，将材料试验机力、位移清零，认为此时为膜盒平衡位置；

（6）设置材料试验机测量参数，通过材料试验机对膜盒组件进行拉伸、压缩刚度测量试验，试验完成后通过排液嘴排出液氮槽内液氮。

所述步骤中实现气封的条件为孔板后氦气流量q_m2大于膜盒拉压内腔流量q_m1：

$q_{m2}=\frac{{\mathrm{\α\πKd}}^2{P}_0}{4\sqrt{T_0}}>q_{m1}=\frac{\mathrm{\ρvA}}{6}\×{10}^{-10}$

式中：

ρ—常压常温下氦气密度，单位为千克每立方米（kg/m³）；

v—材料试验机拉压速率，单位为毫米每分钟（mm/min）；

A—膜盒膜片有效面积，单位平方毫米（mm²）；

α—流量系数；

K—常数， $K=\sqrt{{\frac{r}{R}\left(\frac{2}{r+1}\right)}^{\frac{r+1}{r-1}}};$

r—气体比热比，常数；对于氦气，r=1.66；

R—气体常数，单位为焦每（千克·开尔文）（J/(kgiK)），对于氦气R=2077；

P₀—孔板前压力，单位为兆帕（MPa）；

T₀—孔板前温度，单位为开尔文（K）；

d—孔板直径，单位毫米（mm）。

本发明与现有技术相比有益效果为：

（1）膜盒组件低温环境采用将膜盒组件置于液氮环境中模拟，膜盒组件外部置于液氮中，与膜盒组件实际工作环境接近，膜盒组件内部与大气相通并实现氦气气封，以防止水汽进入。液氮槽采用聚氨酯泡沫绝热结构，既考虑了侧壁的绝热，同时在不降低底座整体刚度的条件下考虑了底部的良好绝热。整个装置可通过下固定板的移动来调节与材料试验机拉压机构的对中，通过设置材料试验机相关参数实现膜盒拉压位移。对氦气气封流量进行计算，核对了孔板大小及气封流量，保证试验过程中膜盒内腔始终为氦气环境，避免了空气中水汽的进入，有效的防止了膜盒内腔结冰，造成膜盒压缩过程中膜片损伤的隐患。

使用低温刚度测量试验装置可用于金属膜盒低温刚度测量，具有良好的安全性和可靠性。

（2）本发明方法中要求膜盒处于极限压缩状态，极限压缩状态下膜盒膜片间贴合无缝隙，空气中的水汽也无法进入，这种状态下倒入液氮可避免膜片间结冰；若不使膜盒压缩，则倒入液氮时膜片间空气中水汽瞬间结冰，膜盒压缩过程中会造成膜片咯伤。

附图说明

图1为本发明装置示意图。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，首先对膜盒组件进行简单的介绍，膜盒组件由膜盒12、膜盒外壳体13、导向底盘10组成。

孔板属于一种在气体管路中限制气体流量的管路结构元件，通过确定孔板前压力、温度、孔板直径即可确定孔板后气体流量。

本发明一种运载火箭用膜盒组件低温刚度测量装置，包括下底板2、支撑杆3、上底板4、绝热槽5、孔板6、转接工装7、绝热法兰8、膜盒拉压工装9、膜盒支架11、排液嘴14、下固定板15和底板固定螺栓16；

下底板2放置在材料试验机底座1上，通过下固定板15采用底板固定螺栓16将下底板2的位置固定；下底板2上安装支撑杆3，支撑杆3顶端固定安装上底板4，上底板4上固定安装绝热槽5，绝热槽5内部通过膜盒支架11固定膜盒组件，膜盒组件中的膜盒连接膜盒拉压工装9，转接工装7与材料试验机的拉压机构连接，膜盒拉压工装9与转接工装7之间安装绝热法兰，排液嘴14安装在绝热槽5的底部，膜盒外壳体13一个接管嘴堵住，一个接管嘴连接孔板6，孔板另一端连接氦气气源。

为了保证膜盒组件下端固定结构刚度，膜盒支架11的个数越多越好。

一种运载火箭用膜盒组件低温刚度测量方法，步骤如下：

（1）将膜盒组件安装在上述测量装置上；膜盒拉压工装与绝热法兰之间暂不连接；

（2）对膜盒组件进行氦气置换，置换完成后向膜盒12与膜盒组件外壳体13之间腔体充入一定压力氦气，使膜盒处于极限压缩状态；

置换过程：向膜盒12与膜盒外壳体13之间的腔体（记为B腔）内部充入0.2MPa的常温氦气，随后放气至大气压，重复此充放气过程20次，充放气间隔时间10秒钟。

按照上述步骤置换完成后，向B腔内充1.0MPa压力氦气（充气压力能够保证膜片压贴合即可）。

（3）向绝热槽内倒入液氮，膜盒组件及支架与液氮剧烈换热，期间补充液氮并保持液氮液面高于膜盒底盘，待液氮液面基本平静即认为膜盒组件换热稳定；

（4）排出膜盒内氦气，保持一定氦气流量实现膜盒12与膜盒外壳体13之间腔体气封；对氦气气封流量进行计算，核对了孔板大小及气封流量，保证试验过程中膜盒内腔始终为氦气环境。

材料试验机带动膜盒上下位移，膜盒内腔容积变化，膜盒拉伸时膜盒内腔变小，气体排出，膜盒压缩时膜盒内腔变大，气体吸入，试验过程中必须保证膜盒内腔气体均为干燥氦气，一旦有空气中水汽进入就会造成膜盒内部结霜，导致膜盒压缩过程中膜片损伤，故需核算膜盒大气相通端氦气气封流量。

气封流量计算公式如下：

膜盒拉压造成膜盒内腔流量q_m1：

$q_{m1}=\frac{\mathrm{\ρvA}}{6}\×{10}^{-10};$

式中：

q_m1—膜盒压缩吸入氦气流量，单位为千克每秒（kg/s）；

ρ—常压常温下氦气密度，单位为千克每立方米（kg/m³）；

v—材料试验机拉压速率，单位为毫米每分钟（mm/min）；

A—膜盒膜片有效面积，单位平方毫米（mm²）。

通过配气台供给氦气到达孔板后氦气流量q_m2：

$q_{m2}=\frac{\mathrm{\α\π}{\mathrm{Kd}}^2{P}_0}{4\sqrt{T_0}}$

式中：

q_m2—气封用孔板后氦气流量，单位为千克每秒（kg/s）；

α—流量系数，常数，取0.9；

K—常数， $K=\sqrt{{\frac{r}{R}\left(\frac{2}{r+1}\right)}^{\frac{r+1}{r-1}}};$

r—气体比热比，常数。对于氦气，r=1.66；

R—气体常数，单位为焦每（千克·开尔文）（J/(kgiK)），对于氦气R=2077；

P₀—孔板前压力，单位为兆帕（MPa）；

T₀—孔板前温度，单位为开尔文（K）；

d—孔板直径，单位毫米（mm）。

要起到气封作用，孔板后氦气流量q_m2应大于膜盒拉压内腔流量q_m1，故有

$q_{m2}=\frac{{\mathrm{\α\πKd}}^2{P}_0}{4\sqrt{T_0}}>q_{m1}=\frac{\mathrm{\ρvA}}{6}\×{10}^{-10}$

计算可得d²P₀>9.3×10^-4

通过计算可以得到孔板直径与孔板前压力的关系需满足上式即可，取孔板前压力0.05MPa，计算可得孔板直径d>0.13mm。

（5）调节底板固定螺栓16，使膜盒组件与材料试验机拉压机构对中，对中完成后手动控制材料试验机使绝热法兰8下端面与膜盒拉压工装9上端面贴合，并用螺钉连接，将材料试验机力-位移清零，认为此时为膜盒平衡位置；

（6）设置材料试验机相关测量参数，通过材料试验机对膜盒组件进行拉伸-压缩刚度测量试验，试验完成后通过排液嘴排出液氮槽内液氮。

采用深圳新三思材料检测有限公司CMT6303电子万能试验机，量程3KN，电子万能试验机已在各型号阀门的膜盒、弹簧、波纹管等产品的刚度测量方面发挥重大作用。

表1试验基本参数

表2程序控制设置

试验由试验机程序控制，完成后会自动保存加载力-位移曲线，由力-位移曲线即可得出膜盒刚度。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (2)

1.一种运载火箭用膜盒组件低温刚度测量方法，其特征在于步骤如下：

(1)将膜盒组件安装在测量装置上；所述的测量装置包括下底板、支撑杆、上底板、绝热槽、孔板、转接工装、绝热法兰、膜盒拉压工装、膜盒支架、排液嘴、下固定板和底板固定螺栓；下底板放置在材料试验机底座上，通过下固定板采用底板固定螺栓将下底板的位置固定；下底板上安装支撑杆，支撑杆顶端固定安装上底板，上底板上固定安装绝热槽，绝热槽内部通过膜盒支架固定膜盒组件，膜盒组件中的膜盒连接膜盒拉压工装，膜盒组件中的膜盒外壳体的一个接管嘴堵住，一个接管嘴连接孔板，孔板另一端连接氦气气源；转接工装与材料试验机的拉压机构连接，排液嘴安装在绝热槽的底部；膜盒拉压工装与绝热法兰之间暂不连接；

(2)对膜盒组件进行氦气置换，置换完成后向膜盒与膜盒组件外壳体之间腔体充入一定压力氦气，使膜盒处于极限压缩状态；

(3)向绝热槽内倒入液氮，待膜盒组件换热稳定；

(4)排出膜盒内氦气，保持一定氦气流量实现膜盒与膜盒外壳体之间腔体实现气封；

(5)调节底板固定螺栓，使膜盒组件与材料试验机拉压机构对中，对中完成后手动控制材料试验机使绝热法兰下端面与膜盒拉压工装上端面贴合并连接，将材料试验机力、位移清零，认为此时为膜盒平衡位置；

(6)设置材料试验机测量参数，通过材料试验机对膜盒组件进行拉伸、压缩刚度测量试验，试验完成后通过排液嘴排出液氮槽内液氮。

2.根据权利要求1所述的一种运载火箭用膜盒组件低温刚度测量方法，其特征在于：所述步骤(4)中实现气封的条件为孔板后氦气流量q_m ²大于膜盒拉压内腔流量q_m1：

$q_{m2}=\frac{{\mathrm{\α\πKd}}^2{P}_0}{4\sqrt{T_0}}>q_{m1}=\frac{\mathrm{\ρ}vA}{6}\×{10}^{-10}$

式中：

ρ—常压常温下氦气密度，单位为千克每立方米(kg/m³)；

v—材料试验机拉压速率，单位为毫米每分钟(mm/min)；

A—膜盒膜片有效面积，单位平方毫米(mm²)；

α—流量系数；

K—常数， $K=\sqrt{\frac{r}{R}{\left(\frac{2}{r+1}\right)}^{\frac{r+1}{r-1}}};$

r—气体比热比，常数；对于氦气，r＝1.66；

R—气体常数，单位为焦每(千克·开尔文)(J/(kg□K))，对于氦气R＝2077；

P₀—孔板前压力，单位为兆帕(MPa)；

T₀—孔板前温度，单位为开尔文(K)；

d—孔板直径，单位毫米(mm)。