CN116816549A - 一种液体火箭增压输送系统性能的验证系统及验证方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种液体火箭增压输送系统性能的验证系统及验证方法，该系统包括：液体流量传感器、液体流量调节阀、气枕压强传感器、箱底压强传感器和反馈控制器；液体流量传感器和液体流量调节阀设置在贮箱的输送管路上；气枕压强传感器设置在贮箱的顶端，用于采集贮箱的气枕压强；箱底压强传感器设置在贮箱的底端，用于采集贮箱的箱底压强；反馈控制器用于采集液体流量传感器、气枕压强传感器和箱底压强传感器的数据，并对采集的数据进行处理和判断后，对液体流量调节阀发出调整信号。本申请在增压输送系统不连接发动机时，能够对增压输送系统的性能进行验证，并且实时对增压输送系统的输送流量进行调节，以稳定地模拟发动机推进剂的消耗。

Description

一种液体火箭增压输送系统性能的验证系统及验证方法

技术领域

本申请涉及火箭增压输送系统性能验证技术领域，尤其涉及一种液体火箭增压输送系统性能的验证系统及验证方法。

背景技术

火箭增压输送系统：为火箭发动机入口提供一定压强、一定温度的推进剂。增压输送系统分为增压系统和输送系统。输送系统主要是指从贮箱到发动机之间的管路、阀门系统。增压系统指给贮箱气枕增加压强的系统。发动机的消耗推进剂流量大，随着发动机的工作，贮箱的气枕容积不断扩大。如果不及时补充气体，气枕的压强将降低，以致于不能满足发动机入口压强的要求。因此，增压输送系统除了给发动机供应推进剂，还要在发动机工作全程保持发动机入口压强的稳定。这也是对增压输送系统性能的要求。

一方面由于发动机的推进剂消耗流量很大，贮箱压强和液位高度的变化，导致流量很难保持稳定，模拟难度也较大。因此在进行动力系统试车或飞行之前，很难对增压输送系统的性能进行验证。而如果动力系统试车或飞行中再进行验证导致的安全风险较大。

因此，目前亟需解决的技术问题是：如何在增压输送系统不连接发动机的情况下，能够单独对增压输送系统的性能进行验证，实时对增压输送系统的输送流量进行调节，以稳定地模拟发动机推进剂的消耗。

发明内容

本申请的目的在于提供一种液体火箭增压输送系统性能的验证系统及验证方法，在增压输送系统不连接发动机的情况下，能够单独对增压输送系统的性能进行验证，并且实时对增压输送系统的输送流量进行调节，以稳定地模拟发动机推进剂的消耗。

为达到上述目的，作为本申请对第一方面，本申请提供一种液体火箭增压输送系统性能的验证系统，该系统包括：液体流量传感器、液体流量调节阀、气枕压强传感器、箱底压强传感器和反馈控制器；所述液体流量传感器和所述液体流量调节阀设置在贮箱的输送管路上；所述气枕压强传感器设置在贮箱的顶端，用于采集贮箱的气枕压强；所述箱底压强传感器设置在贮箱的底端，用于采集贮箱的箱底压强；所述反馈控制器与所述液体流量传感器、所述气枕压强传感器、所述箱底压强传感器和所述液体流量调节阀连接；所述反馈控制器用于采集所述液体流量传感器、所述气枕压强传感器和所述箱底压强传感器的数据，并对采集的数据进行处理和判断后，根据判断结果对所述液体流量调节阀发出调整信号。

如上所述的液体火箭增压输送系统性能的验证系统，其中，所述贮箱的顶端开口通过增压管路连接有增压模块。

如上所述的液体火箭增压输送系统性能的验证系统，其中，所述增压管路上设置有增压气压强传感器、温度传感器和气体流量计。

如上所述的液体火箭增压输送系统性能的验证系统，其中，所述贮箱的输送管路上还设置有第一压强测点和第二压强测点。

如上所述的液体火箭增压输送系统性能的验证系统，其中，所述贮箱的输送管路的输出端连通至水箱内部。

如上所述的液体火箭增压输送系统性能的验证系统，其中，所述贮箱的顶端设置有排气阀和保险阀。

作为本申请的第二方面，本申请提供一种液体火箭增压输送系统性能的验证方法，该方法包括如下步骤：试验开始，液体流量调节阀按预设开度打开；在一个控制周期内，根据液体流量传感器和压强传感器采集的数据，计算贮箱的输送流量值；判断贮箱的输送流量值是否小于额定流量，若是，则控制流量调节阀的开度加大；否则，控制流量调节阀的开度减小；判断试验开始时间到当前试验时间的时长是否小于预设飞行时长，若是，则进入下一个控制周期，否则，试验结束。

如上所述的液体火箭增压输送系统性能的验证方法，其中，计算贮箱的输送流量值的方法包括如下步骤：液体流量传感器读取实时流量，获取第一流量数据；气枕压强传感器和箱底压强传感器读取实时压强数据；对实时压强数据进行处理，获取第二流量数据；判断获取第二流量数据的时间是否超过液体流量传感器的响应时间，若是，则以第一流量数据作为贮箱的输送流量值，否则，以第二流量数据作为贮箱的输送流量值。

如上所述的液体火箭增压输送系统性能的验证方法，其中，对实时压强数据进行处理，获取第二流量数据的方法包括如下步骤：对三个气枕压强传感器采集的实时压强数据取中值，作为气枕压强；根据气枕压强和箱底压强，计算贮箱的液位高度；根据当前时刻的液位高度和上一时刻的液位高度，计算贮箱的体积流量；根据贮箱的体积流量，计算贮箱的质量流量，作为第二流量数据。

如上所述的液体火箭增压输送系统性能的验证方法，其中，对增压输送系统的流阻进行监控。

本申请实现的有益效果如下：

(1)本申请在动力系统试车和飞行(直接试车或飞行，有发动机参与，发动机点火，对资金和安全的要求极高。万一增压输送系统能力不足，则可能出现发动机涡轮汽蚀、发动机爆炸等问题)前，在增压输送系统不连接发动机时，提前对增压输送系统的性能进行验证，从而避免直接进行试车或飞行带来的资金和安全风险。

(2)、本申请设置的反馈控制器具有反馈控制功能，解决了因贮箱压强和液位变化导致的流量不稳定问题。通过流量传感器(液体流量传感器)和压强传感器(气枕压强传感器、箱底压强传感器)，得到输送管路的流量，与额定流量进行比较，根据比较结果对液体流量调节阀进行控制，以保障输送管路的流量稳定。

(3)、本申请流量传感器在试验启动段响应时间较长，单纯的流量传感器控制可能会导致液体流量调节阀的误动作。因此设置压强传感器(气枕压强传感器、箱底压强传感器)计算得到的流量作为控制依据，提高对液体流量调节阀开度调节的准确度，避免液体流量调节阀的误动作，提高系统的稳定性。

(4)、本申请设置三个气枕压强传感器，取三个气枕压强传感器的中值，以避免气枕压强传感器不稳定导致的控制失误。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例的一种液体火箭增压输送系统性能的验证系统的结构示意图。

图2为本申请实施例的一种液体火箭增压输送系统性能的验证方法流程图-1。

图3为本申请实施例的获取贮箱的输送流量值的方法流程图。

图4为本申请实施例的一种液体火箭增压输送系统性能的验证方法流程图-2。

附图标记：1-液体流量传感器；2-液体流量调节阀；3-气枕压强传感器；4-箱底压强传感器；5-反馈控制器；6-贮箱；7-增压模块；61-输送管路；62-水箱；63-阀门；64-第一压强测点；65-第二压强测点；66-排气阀；67-保险阀；71-增压气压强传感器；72-温度传感器；73-气体流量计；74-增压管路。

具体实施方式

下面结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

实施例一

如图1所示，本申请提供一种液体火箭增压输送系统性能的验证系统；该系统包括：液体流量传感器1、液体流量调节阀2、气枕压强传感器3、箱底压强传感器4和反馈控制器5；液体流量传感器1和液体流量调节阀2设置在贮箱6的输送管路61上；气枕压强传感器3设置在贮箱6的顶端，用于采集贮箱6的气枕压强；箱底压强传感器4设置在贮箱6的底端，用于采集贮箱6的箱底压强；反馈控制器5与液体流量传感器1、气枕压强传感器3、箱底压强传感器4和液体流量调节阀2连接；反馈控制器5用于采集液体流量传感器1、气枕压强传感器3和箱底压强传感器4的数据，并对采集的数据进行处理和判断后，根据判断结果对液体流量调节阀2发出调整信号。

本申请一种液体火箭增压输送系统性能的验证系统在试验开始时，控制液体流量调节阀2按预设开度打开，在多个控制周期内，反馈控制器5根据多个传感器(液体流量传感器1、气枕压强传感器3和箱底压强传感器4等)采集的数据，计算贮箱6的输送流量值，计算的贮箱6的输送流量值即模拟的发动机推进剂的消耗；根据贮箱6的输送流量值与额定流量进行比较，根据比较结果对液体流量调节阀2发出调整信号，通过调整信号改变调节阀的开度，以维持贮箱6的输送流量恒定，进而稳定地模拟发动机推进剂的消耗。

具体的，判断贮箱6的输送流量值是否小于额定流量，若是，则控制流量调节阀的开度加大；否则，控制流量调节阀的开度减小。

如图1所示，贮箱6的顶端开口通过增压管路74连接有增压模块7。增压模块7的出口与贮箱6的顶端进口连通。增压模块7用于通过增压管路74对贮箱6进行增压操作。

如图1所示，增压管路74上设置有增压气压强传感器71、温度传感器72和气体流量计73。增压气压强传感器71用于监测增压模块7出口的压强；温度传感器72用于监测增压模块7出口的温度；气体流量计73用于监测增压模块7的增压气量。增压气压强传感器71、温度传感器72和气体流量计73均与反馈控制器5通信连接，用于将各自采集的数据反馈至反馈控制器5，反馈控制器5根据增压气压强传感器71、温度传感器72和气体流量计73反馈的数据，对增压模块7的性能进行评估。

如图1所示，贮箱6的输送管路61上还设置有第一压强测点64和第二压强测点65。第一压强测点64和第二压强测点65是为了获取增压输送系统的性能参数：流阻，以测试增压输送系统的性能，即验证增压输送系统流阻。

作为本发明的具体实施例，第一压强测点64和第二压强测点65均为压强传感器，第一压强测点64和第二压强测点65间隔开设置在输送管路61上，输送管路上的压强测点压强之差为增压输送系统的流阻，即第一压强测点64和第二压强测点65为增压输送系统的流阻。

如图1所示，输送管路61的输入端与贮箱6的底端开口连通，输送管路61的输出端连通至水箱62内部，贮箱6内存储的推进剂通过输送管路61输送到水箱62中。由于贮箱6内推进剂流量很大，因此用水箱62对推进剂进行收集。

如图1所示，贮箱6的顶端设置有排气阀66和保险阀67，排气阀66和保险阀67均与贮箱6的顶端开口连通。排气阀66和保险阀67的设置用于保障贮箱6安全，进行气体压力泄放。

作为本发明优选的实施例，气枕压强传感器3包括三个，三个气枕压强传感器分别为P2、P3、P4(如图1所示)。三个气枕压强传感器通过管路连通在贮箱6的顶端，三个气枕压强传感器依次排列在与贮箱6的顶端连通的管路上。

作为本发明的具体实施例，一种液体火箭增压输送系统性能的验证系统还包括阀门63。阀门63设置在输送管路61上，阀门63用于控制输送管路61的疏通与关闭，阀门63打开后，贮箱6内的推进剂从输送管路61输送到水箱62内；阀门63关闭后，贮箱6内的推进剂无法从输送管路61输送到水箱62内。

作为本发明的具体实施例，贮箱6、增压模块7均与箭上的贮箱6和增压系统一致。增压气压强传感器71(P1)、温度传感器72(T1)和气体流量计73是为了获取增压模块7的性能参数，验证增压气量和增压流量，以对增压模块7的性能进行评估。

作为本发明的优选实施例，水箱62为敞口式水箱，顶端开口，从而方便收集贮箱6中的推进剂，进行后期使用。

实施例二

如图2和4所示，本申请提供一种液体火箭增压输送系统性能的验证方法，该方法包括如下步骤：

步骤S1，试验开始，液体流量调节阀按预设开度打开。

具体的，试验开始，进行时间计数，初始时间t0＝0，并控制液体流量调节阀按预设开度打开。

步骤S2，在一个控制周期内，根据液体流量传感器和压强传感器采集的数据，计算贮箱的输送流量值。

如图3所示，步骤S2包括如下子步骤：

步骤S210，液体流量传感器读取实时流量，获取第一流量数据Q1；气枕压强传感器和箱底压强传感器读取实时压强数据。

其中，气枕压强传感器读取的是贮箱的气枕压强；箱底压强传感器读取的是贮箱的箱底压强。

步骤S220,对实时压强数据进行处理，获取第二流量数据Q2。

对实时压强数据进行处理，获取第二流量数据Q2的方法包括如下子步骤：

步骤S221，对三个气枕压强传感器采集的实时压强数据取中值，作为气枕压强。

作为本发明的具体实施例，三个气枕压强传感器分别为第一气枕压强传感器P2、第二气枕压强传感器P3和第三气枕压强传感器P4。贮箱气枕压强，由于受增压气流、液位变化、低温液体与气枕的换热等影响，气枕压强传感器的值会出现不稳定甚至不准确的情况。为了避免这种影响，设置三个气枕压强传感器，以中值作为气枕压强P0。

作为本发明的具体实施例，取中值的方法为：将第一气枕压强传感器P2、第二气枕压强传感器P3和第三气枕压强传感器P4读取的数据进行从小到大排序，取排序在中间的那一个读数作为气枕压强P0。

步骤S222，根据气枕压强和箱底压强，计算贮箱的液位高度。

具体的，根据箱底压强-气枕压强＝液位高度*液体密度*g；可以得出，液位高度的计算方法为：(箱底压强-气枕压强)/(液体密度*g)；其中，*表示乘法运算；g表示重力加速度。液体密度为贮箱内推进剂的液体密度，液位高度为贮箱内推进剂的液位高度。

步骤S223，根据当前时刻的液位高度和上一时刻的液位高度，计算贮箱的体积流量。

具体的，贮箱的体积流量的计算方法为：体积流量＝(当前时刻的液位高度-上一时刻的液位高度)*贮箱空腔截面积。

具体的，贮箱空腔截面积根据贮箱的实际参数获得。

步骤S224，根据贮箱的体积流量，计算贮箱的质量流量，作为第二流量数据Q2。

具体的，质量流量的计算方法为：质量流量＝体积流量*密度。

步骤S230，判断获取第二流量数据Q2的时间是否超过液体流量传感器的响应时间，若是，则以第一流量数据Q1作为贮箱的输送流量值，否则，以第二流量数据Q2作为贮箱的输送流量值。

具体的，由于液体流量传感器响应时间较慢，因此，在试验启动段(或初始阶段)的数据不准确，根据液体流量传感器采集的流量数据对液体流量调节阀的开度进行控制，则会造成液体流量调节阀的误动作，对系统的稳定性影响较大。而压强传感器(气枕压强传感器和箱底压强传感器)的响应时间较快，因此在试验启动段，使用压强传感器采集的实时数据作为液体流量调节阀开度的调节依据，可以提高对液体流量调节阀开度调节的准确度，避免液体流量调节阀的误动作，提高系统的稳定性。

可以理解的是，由于试验启动段，获取第一流量数据Q1的时间比第二流量数据Q2的时间长，也就是获取第二流量数据Q2的时间小，在试验启动段，获取第二流量数据Q2的时间是小于液体流量传感器的响应时间，也就是说，获取第二流量数据Q2的时间不超过液体流量传感器的响应时间，此时以第二流量数据Q2作为贮箱的输送流量值，提高第二流量数据Q2作为贮箱的输送流量值。在试验启动段结束，液体流量传感器响应时间变快，获取第一流量数据Q1的时间逐渐小于获取第二流量数据Q2的时间；此时，获取第二流量数据Q2的时间是超过液体流量传感器响应时间；因此，以液体流量传感器采集的第一流量数据Q2作为液体流量调节阀开度的调节依据，从而提高对液体流量调节阀开度调节的准确度。

步骤S3，判断贮箱的输送流量值是否小于额定流量，若是，则控制流量调节阀的开度加大；否则，控制流量调节阀的开度减小。

具体的，额定流量为预先设定的。

步骤S4，判断试验开始时间到当前试验时间的时长是否小于预设飞行时长，若是，则进入下一个控制周期，返回步骤S2，否则，试验结束。

具体的，对时间进行计数，t_i＝t_i-1+dt；t_i-1表示第i-1个(上一个)控制周期的时间计数；t_i表示当前第i个控制周期的时间计数；dt表示当前控制周期时长。

具体的，试验开始时间到当前控制周期试验时间的时长即t_i。

作为本发明的一个具体的实施例，试验结束后，通过核对增压模块出口的压强(P1)和温度(T1)，检验增压模块的增压气量是否满足要求。同时可以提出气体传感器在整改过程中的数值变化，看增压气体流量的变化，以检验增压能力。

作为本发明的一个具体的实施例，液体火箭增压输送系统性能的验证方法还包括：对增压输送系统的流阻进行监控。增压输送系统的核心参数是流阻。输送管路上的压强测点压强之差，P6-P7，即为输送系统的流阻。如果输送管路较为复杂，不如包含弯头、波纹管、变径管等，则可设置多个压强测点，对各部分的流阻进行测量，判断流阻是否符合阈值范围，若是，则继续监测，否则，进行异常报警。

本申请实现的有益效果如下：

(1)、本申请在动力系统试车和飞行(直接试车或飞行，有发动机参与，发动机点火，对资金和安全的要求极高。万一增压输送系统能力不足，则可能出现发动机涡轮汽蚀、发动机爆炸等问题)前，在增压输送系统不连接发动机时，提前对增压输送系统的性能进行验证，从而避免直接进行试车或飞行带来的资金和安全风险。

(2)、本申请设置的反馈控制器具有反馈控制功能，解决了因贮箱压强和液位变化导致的流量不稳定问题。通过流量传感器(液体流量传感器)和压强传感器(气枕压强传感器、箱底压强传感器)，得到输送管路的流量，与额定流量进行比较，根据比较结果对液体流量调节阀进行控制，以保障输送管路的流量稳定。

(3)、本申请流量传感器在试验启动段响应时间较长，单纯的流量传感器控制可能会导致液体流量调节阀的误动作。因此设置压强传感器(气枕压强传感器、箱底压强传感器)计算得到的流量作为控制依据，提高对液体流量调节阀开度调节的准确度，避免液体流量调节阀的误动作，提高系统的稳定性。

(4)、本申请设置三个气枕压强传感器，取三个气枕压强传感器的中值，以避免气枕压强传感器不稳定导致的控制失误。

在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请的描述中，“例如”一词用来表示“用作例子、例证或说明”。本申请中被描述为“例如”的任何实施例不一定被解释为比其它实施例更优选或更具优势。为了使本领域任何技术人员能够实现和使用本发明，给出了以下描述。在以下描述中，为了解释的目的而列出了细节。应当明白的是，本领域普通技术人员可以认识到，在不使用这些特定细节的情况下也可以实现本发明。在其它实例中，不会对公知的结构和过程进行详细阐述，以避免不必要的细节使本发明的描述变得晦涩。因此，本发明并非旨在限于所示的实施例，而是与符合本申请所公开的原理和特征的最广范围相一致。

以上所述仅为本发明的实施方式而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种液体火箭增压输送系统性能的验证系统，其特征在于，该系统包括：液体流量传感器、液体流量调节阀、气枕压强传感器、箱底压强传感器和反馈控制器；

所述液体流量传感器和所述液体流量调节阀设置在贮箱的输送管路上；

所述气枕压强传感器设置在贮箱的顶端，用于采集贮箱的气枕压强；

所述箱底压强传感器设置在贮箱的底端，用于采集贮箱的箱底压强；

所述反馈控制器与所述液体流量传感器、所述气枕压强传感器、所述箱底压强传感器和所述液体流量调节阀连接；所述反馈控制器用于采集所述液体流量传感器、所述气枕压强传感器和所述箱底压强传感器的数据，并对采集的数据进行处理和判断后，根据判断结果对所述液体流量调节阀发出调整信号。

2.根据权利要求1所述的液体火箭增压输送系统性能的验证系统，其特征在于，所述贮箱的顶端开口通过增压管路连接有增压模块。

3.根据权利要求2所述的液体火箭增压输送系统性能的验证系统，其特征在于，所述增压管路上设置有增压气压强传感器、温度传感器和气体流量计。

4.根据权利要求1所述的液体火箭增压输送系统性能的验证系统，其特征在于，所述贮箱的输送管路上还设置有第一压强测点和第二压强测点。

5.根据权利要求1所述的液体火箭增压输送系统性能的验证系统，其特征在于，所述贮箱的输送管路的输出端连通至水箱内部。

6.根据权利要求1所述的液体火箭增压输送系统性能的验证系统，其特征在于，所述贮箱的顶端设置有排气阀和保险阀。

7.一种液体火箭增压输送系统性能的验证方法，其特征在于，应用于权利要求1-6之一所述系统，该方法包括如下步骤：

试验开始，液体流量调节阀按预设开度打开；

在一个控制周期内，根据液体流量传感器和压强传感器采集的数据，计算贮箱的输送流量值；

判断贮箱的输送流量值是否小于额定流量，若是，则控制流量调节阀的开度加大；否则，控制流量调节阀的开度减小；

判断试验开始时间到当前试验时间的时长是否小于预设飞行时长，若是，则进入下一个控制周期，否则，试验结束。

8.根据权利要求7所述的液体火箭增压输送系统性能的验证方法，其特征在于，计算贮箱的输送流量值的方法包括如下步骤：

液体流量传感器读取实时流量，获取第一流量数据；气枕压强传感器和箱底压强传感器读取实时压强数据；

对实时压强数据进行处理，获取第二流量数据；

判断获取第二流量数据的时间是否超过液体流量传感器的响应时间，若是，则以第一流量数据作为贮箱的输送流量值，否则，以第二流量数据作为贮箱的输送流量值。

9.根据权利要求8所述的液体火箭增压输送系统性能的验证方法，其特征在于，对实时压强数据进行处理，获取第二流量数据的方法包括如下步骤：

对三个气枕压强传感器采集的实时压强数据取中值，作为气枕压强；

根据气枕压强和箱底压强，计算贮箱的液位高度；

根据当前时刻的液位高度和上一时刻的液位高度，计算贮箱的体积流量；

根据贮箱的体积流量，计算贮箱的质量流量，作为第二流量数据。

10.根据权利要求8所述的液体火箭增压输送系统性能的验证方法，其特征在于，对增压输送系统的流阻进行监控。