表面張力貯箱泡破點盲測技術研究

郝貴欣，張 華，董 飛

（西安航天發動機廠，陜西西安710100）

0 引言

表面張力貯箱是姿控發動機重要組件，貯箱內管理裝置的主要作用是保證貯箱在不同姿態下出液口都能連續輸出無夾氣的推進劑。泡破點是貯箱的關鍵特性參數之一，如果貯箱泡破點降低，貯箱輸出的推進劑會夾雜氣體，使推進劑管理能力下降或推進劑供應流量不足，最終導致姿控發動機動力系統性能下降。

1 貯箱泡破點的定義

在空間環境下,貯箱處于完全失重或微重力狀態，此時液體的表面張力是影響液體行為的主要因素，見圖1所示。在液體的表面張力作用下，氣液界面的平衡條件是

式中：△p為氣液界面兩面的壓差；σ為液體表面張力；R1和R2為液面的主曲率半徑。

如果液面為球面的一部分，則

采用篩網作為管理裝置的毛細元件時，它所能維持的最大靜壓力就是篩網的泡破點值△pcr，也是氣體穿過篩網時所需的壓差。由式（2）得

式中：DBP為篩網的有效孔徑。

由此可見，篩網泡破點值理論上僅與工作介質表面張力和篩網的有效孔徑有關，其值就是氣體穿過篩網孔徑時所產生的壓力差，所以可以通過測量此壓力差的方法得到篩網的泡破點值。

2 貯箱結構簡介及測試現狀

2.1 貯箱結構簡介

貯箱由上半球、圓筒段、下半球和管理裝置焊接而成，如圖2（a）所示。

管理裝置位于下半球內，由隔板組件、角杯、通道和底收集器等組成，其中角杯、通道與底收集器共同組成一個空腔，通過出液口與外部連通。

2.2 泡破點測試現狀

目前泡破點測試只能對未裝入貯箱的管理裝置進行測試，方法是將管理裝置放入盛有無水乙醇的貯液槽內，通過手動操作氣體減壓器，給管理裝置內腔緩慢增壓，觀察篩網表面，直至第一個氣泡穿過網片，此時測得的網片兩側壓差就是泡破點值。

3 盲測原理及難點分析

管理裝置裝入貯箱后，管理裝置完全看不見，傳統的泡破點測試方法無法進行，這時只能進行盲測。盲測就是不用人眼觀察數據和不用人工控制壓力，整個測試過程完全由計算機獨立控制并輸出測得的貯箱泡破點值。

3.1 盲測原理

盲測原理是向貯箱內加注一定量的試驗介質并使管理裝置篩網上形成完整的液膜，然后通過如圖3所示的系統緩慢給貯箱增壓，控制臺上的計算機實時采集和分析壓力傳感器傳來的壓力數據，并且與預定的增壓速率進行比對，實時輸出計算得到的PID參數給壓力控制器，以使增壓速率恒穩，當壓力傳感器的壓力數據出現突然變小并短時間內無回升時，即可判定突變時刻的壓力值為泡破點值。

3.2 難點分析

貯箱殼體不透明，無法觀察到其內管理裝置的狀態，因此，盲測有以下難點：

1）管理裝置在貯箱內，如何保證入口濾網和隔板窗不形成液膜而管理裝置的篩網表面形成完整的液膜，避免這三層篩網均形成液膜，導致密閉死腔形成；

2）如何通過自動控制增壓，并保證管理裝置內腔實時為準平衡狀態（即內腔各處壓力值基本一致），減小誤差，提高測量準確性；

3）無水乙醇（試驗介質）為易蒸發液體，蒸汽遇冷的管理裝置容易凝結液滴，也會在隔板窗形成液膜，如何縮短測試時間和減少蒸發量。

4 技術方案

用試驗介質將貯箱內的管理裝置浸濕，使網片表面形成液膜，用計算機自動控制給貯箱緩慢增壓，實時采集貯箱的壓力并繪制壓力曲線，在入口壓力保持緩慢、平穩的前提下，當壓力增長到一定值，氣體打破網片液膜的表面張力，在壓力曲線上表現為突然下折，此時測得的網片兩側的壓力差就是貯箱的泡破點值。

4.1 試驗介質加注

從貯箱的出液口到進氣口有三層篩網，如果這三層篩網均形成液膜，管理裝置內部便會形成一個被液膜密封的空腔，又由于試驗介質蒸汽壓的影響，將不能準確測量管理裝置的泡破點值。試驗介質加注方案是：從出液口加注，控制加注介質量，使貯箱以任何姿態放置試驗介質均不能碰到隔板窗。試驗介質的最大加注量可以依據貯箱的結構通過理論計算得到。

4.2 篩網表面液膜形成方案

試驗介質的加注方法和加注量可保證隔板窗無試驗介質，但在管理裝置上液膜形成過程中必須保證隔板窗與試驗介質無粘連。液膜形成方案是：先使通道浸濕，再浸濕通道末端的角杯，然后浸濕底收集器，最后將貯箱倒立，使通道和底收集器內的多余試驗介質流至通道末尾，減小試驗過程中介質流動干擾，保證管理裝置外表面被潤濕，而其他網片不潤濕。

4.3 增壓方案

管理裝置到進氣口之間的空腔比較大，致使增壓時間很長，而且篩網與進氣口的距離比較遠，篩網表面的液膜破裂時造成的壓力差必須克服隔板窗和入口濾網兩道篩網阻隔，壓力損失比較大，對測量準確度影響很大。管理裝置到出液口之間的空腔很小，而且距離壓力測量裝置也比較近，壓力損失非常小，增壓方案確定為從出液口增壓。

4.4 微壓力平穩控制

只有控制管理裝置內腔壓力的平穩緩慢增加，才能使篩網液膜破裂時內腔壓力為準平衡狀態，提高測量的準確性。篩網入口壓力控制采用進口ER3000壓力控制器及節流孔板，并在控制程序中運用當前工業控制應用最廣泛的PID控制方式，實時計算P，I，D三個參數，實現對流量的限制及壓力的實時調整控制。

4.5 縮短試驗時間的技術方案

試驗介質蒸氣遇冷容易在管理裝置和隔板窗上聚集成液滴，形成液膜，需要盡量縮短試驗時間，減小試驗介質的蒸發量。流量控制采用節流孔板，如果試驗從始至終采用小孔徑節流孔板，試驗時間會很長。綜合考慮時間和流量，采用了分段控制方式，試驗前期通過較大孔徑節流孔板增壓，縮短試驗時間，試驗后期則采用較小孔徑的節流孔板限流，保證篩網兩側壓力的準平衡狀態，滿足控制精度和響應速度的要求。

5 系統的組成及實現方法

5.1 系統組成及工作原理

系統由氣路、測控兩部分組成，其中氣路部分是系統的硬件基礎保障，包括壓力傳感器、減壓閥、壓力控制器、截止閥以及管路等，主要完成氣源減壓、微壓供給和壓力感知等任務；測控部分是系統的控制核心，包括計算機、顯示器、采集板、信號轉換板和軟件等，主要負責數據采集、控制信號輸出及儀表顯示等。測控部分軟件采用LabVIEW 8.6作為開發平臺，主要由負責窗口調用的界面模塊及負責試驗過程控制方式的試驗控制模塊、負責不同產品試驗參數和控制方式的樣本管理模塊、負責試驗曲線再現的數據回放模塊等組成。全部自動控制動作指令皆由控制軟件發出。系統工作時，壓力變送器將管路壓力數據傳送到采集板卡并進入計算機，交付給控制軟件處理，控制軟件將數據輸出到屏幕，并經判斷處理后的數據自動發出控制指令，控制電動閥的開啟或關閉，控制ER3000壓力控制器的PID參數，調整進入貯箱內腔的壓力變化速度，使貯箱內腔按預定的速度增壓。控制軟件實時處理和分析壓力數據，并以曲線形式顯示出來，通過自動判讀分析、判斷，得出貯箱的泡破點值數據，工作原理如圖4所示。

5.2 測量控制

軟件試驗模塊負責試驗的全過程控制，過程是先應用預定義的試驗樣本參數，包括壓力控制目標值、試驗通道和分段控制劃分等，然后緩慢對貯箱增壓，并實時控制增壓速率，實時采集篩網內腔的壓力數據并繪制壓力曲線。如果壓力曲線出現突然彎折（此時液膜突然破裂），并短時間內無跳躍和回升，即可判定突折拐點處的最高壓力為貯箱的泡破點值。檢查短時間內壓力是否回升是為了排除篩網自身變形引起的壓力突變，雖然篩網自身變形也能夠引起較大的壓力曲線突變，但壓力會迅速回升。

樣本管理是將貯箱、管理裝置及其內部各待測零組件根據試驗方法的不同進行歸類管理，每一類都可以獨立設置自己的試驗通道、試驗過程控制方式、壓力目標值及分段控制劃分等控制參數，不但增加了系統對試驗過程控制的靈活性而且互不干擾。

分段控制是為加快試驗過程，縮短試驗時間，減小試驗介質蒸發量的控制方式，就是將整個試驗過程劃分為若干段，后一段的增壓速率總是小于前一段的增壓速率，使貯箱增壓過程中，逐漸向準平衡狀態轉變，直至液膜破裂。分段控制既減小了試驗介質蒸發帶來的誤差，又使液膜破裂時貯箱為準平衡狀態，提高了測量精度。

5.3 微壓閉環控制

進入篩網內腔的壓力控制采用了PID控制方式，結合測量系統要求采取了有針對性的控制技術，確保被控參數的控制精度。壓力控制器基本控制原理見圖5所示。

采用了數字PID增量公式為數學模型，以采樣時刻的偏差（偏差=目標壓力給定值-壓力反饋值）計算控制量與上一時刻控制量的累加，并輸出到壓力控制器的執行元件，從而調節篩網內腔壓力趨近給定值，滿足控制精度要求。PID增量按下面公式計算

比例系數Kp影響系統的增壓速度和精度；積分時間KI影響系統的壓力穩態精度；微分時間KD影響系統的動態特性。這三者的整定是實現PID控制的關鍵環節，由于試驗系統和控制元件沒有數學模型，因此通過理論計算難以確定PID參數，只有通過經驗取值預設，然后再根據實際的閉環運行，觀察系統的增壓曲線做手動調整，反復試湊參數，最終達到滿意的結果。

6 試驗驗證

采用上述技術研制的貯箱泡破點盲測系統實物見圖6。

用該系統對貯箱毛細元件和貯箱泡破點進行測試驗證，盲測壓力曲線見圖7。與現有測試方法進行比對，測量誤差小于0.1 kPa，滿足貯箱泡破點盲測要求。

7 結論

1）貯箱泡破點盲測采用的微壓閉環控制技術，解決了泡破點盲測過程管理裝置內腔壓力維持準平衡狀態的難題。

2）研制的貯箱泡破點盲測系統具有自動控制、自動判讀和測試精度高等特點，經試驗驗證，滿足貯箱泡破點盲測要求。

[1]JAEKLE D E,Jr.Propellant management device conceptual designandanalysis，AIAA-97-2811[R].USA:AIAA,1997.

[2]陳志堅,孟慶平,李建.表面張力貯箱推進劑管理裝置流阻的計算[J].上海航天,2001(5):23-32.

[3]李治,沈赤兵,周進.通道式表面張力貯箱通道的計算和確定[J].火箭推進,2003,24(3):244-246.

[4]氣動技術編寫組.氣動技術[M].北京:北京出版社,1981.

[5]羅秦,王金玉,謝紀績.流量測量手冊[M].北京:計量出版社,1982.

[6]盛敬超.液壓流體力學[M].北京:機械工業出版社,1980.

[7]李慶揚,關治,白峰衫.數值計算原理[M].北京:清華大學出版社,2000.

[8]王順晃,舒迪前.智能控制系統及其應用[M].北京:機械工業出版社,2005.

[9]劉君華.現代檢測技術與測試系統設計[M].西安:西安交通大學出版社,1999.