新一代運載火箭閉式增壓控制技術研究

胡海峰

北京航天自動控制研究所，北京100854

進入21 世紀，中國相繼開始研制新一代大、中、小型運載火箭，按照新一代運載火箭的發展思路，推力為120t 級的液氧煤油發動機將作為新一代運載火箭的主要動力系統之一［1］，推進劑貯箱增壓系統被列為重大關鍵技術［2］。文獻［1］在國內外主要液體運載火箭增壓方案分析基礎上，對120t 級液氧煤油發動機的增壓系統進行了研究，提出了閉式數字增壓方案，通過設置在貯箱氣枕的冗余數字式壓力傳感器敏感貯箱壓力，以此為依據對多路并聯的電磁閥進行開閉控制，從而實現增壓氦氣流量調節，將貯箱壓力控制在理想范圍內。本文結合新一代運載火箭的研制，對120t 級液氧煤油發動機的貯箱增壓系統的閉式增壓控制技術進行研究。

1 閉式增壓控制系統設計

液體運載火箭增壓系統以增壓壓力是否受控進行區分［1，3～6］，分為開式和閉式2 種。開式增壓系統組成簡單，但由于增壓氣體流量固定，增壓壓力設計值一般偏高，增壓氣體使用量相對較多。閉式增壓方案需要設置壓力敏感裝置和增壓流量調節裝置，但在節約增壓氣體用量方面具有顯著優勢。

新一代運載火箭克服現有技術單機研制難度大、增壓更改不靈活、增壓控制通用性和適應性差的不足，提出一種數字閉式增壓控制系統，見圖1。該系統采用壓力傳感器與電磁閥組合的方式，推進劑貯箱設置冗余數字壓力傳感器;壓力傳感器將壓力信號通過數字總線傳輸給三模冗余增壓控制裝置，增壓控制裝置對增壓控制周期內錄取的壓力數據進行合理性判別、最小二乘濾波，當增壓控制周期內合理性數據個數大于預置閾值時實施閉式程序增壓，否則實施備保固定時序增壓盡可能提供貯箱工作壓力;三模冗余增壓控制裝置基于增壓控制方程計算結果采取3 取2 表決輸出控制指令，對多路并聯的增壓電磁閥進行開閉控制，從而實現增壓氣體流量調節，將貯箱壓力控制在需要范圍內。推進劑貯箱壓力由引壓管引出并與壓力傳感器敏感端面相接，實現對同一被測物理量壓力的冗余測量。貯箱冗余數字壓力傳感器、三模冗余增壓控制裝置和增壓電磁閥等組成三模系統級冗余控制回路，主增壓電磁閥和輔增壓電磁閥和備保增壓電磁閥構成系統的容錯控制對象，加熱器為氣路中增壓氣體加熱設備，加熱器根據系統設計需要設置。閉式增壓控制系統通過軟件實現對貯箱壓力控制帶的靈活設置和調整，壓力控制帶可隨火箭飛行過程變化。

圖1 高可靠閉式增壓控制系統原理框圖

2 閉式增壓控制算法設計

閉式增壓控制控制系統基于控制周期實施增壓控制，控制流程見圖2。控制周期為200ms，濾波算法采用最小二乘濾波，每個控制周期對200ms 內實際收到的壓力數據進行遞推濾波計算，壓力傳感器每20ms 發送1 組壓力數據，每個有效壓力數據(a ＜壓力值＜b)遞推1 次，無效數據不參與迭代，200ms 完成1 次濾波，根據最終濾波結果進行增壓控制。當200ms 控制周期內有效壓力數據≥5個，則認為本控制周期內參數有效，實施閉式程序增壓控制;控制周期內有效壓力數據≤4個，則認為本控制周期內參數無效，濾波結果輸出0，進行備保固定時序增壓控制。系統設置允許增壓標志，在允許增壓時間段內，根據200ms 內有效壓力數據個數進行正常增壓和備保增壓控制的切換，直至禁止增壓。

主要的閉式增壓控制算法如下:

1)在每個控制周期內開始時，對濾波器進行初始化，濾波器的初始化參數為:

式中，n 為當前控制周期有效壓力數據的數量;tstart_i為當前控制周期第一次濾波計算時間點;t_i為濾波計算時間點;τ0_i為當前控制周期內本組數字壓力信號與第1 組的時間差;P_i為當前參與濾波的壓力數據;φ12_i，φ22_i，φ1a_i，φ2a_i，A2a_i，A1a_i為中間變量;P'_i為濾波估計值。

2)增壓控制裝置冗余錄取的3個數字壓力傳感器通過數字總線發送的壓力信號，控制裝置1，2，3 分別錄取壓力傳感器1，2，3 的壓力信號，在滿足允許增壓條件時，控制裝置1，2，3 運行相同的軟件分別對錄取的壓力數據進行合理性判別，判別公式為:

式中，a 為數據合理性判別下限;b 為數據合理性判別上限。

3)濾波器遞推計算為每收到1個有效壓力數據進行1 次，每200ms 周期輸出濾波結果。

圖2 閉式增壓控制軟件流程

數字壓力信號的值yi有效時，濾波器有效壓力數據的數量n 累加1:

計算在本周期內相對于濾波周期的起點tstart_i，得到3 組數字壓力信號的值yi的時間差:

根據遞推公式計算φ12_i，φ22_i，φ1a_i和φ2a_i，遞推公式如下:

計算A2a_i和A1a_i:將φ12_i，φ22_i，φ1a_i和φ2a_i和n，代入下式:

再由A2a_i，A1a_i和τ0_i計算得到濾波估計值P'_i，計算公式如下:

4)200ms 控制周期結束前，統計有效的yi的數量，即有效壓力數據的數量。當每個控制周期內，有效壓力數據的數量n ≥5，則實施閉式程序增壓控制，由增壓控制裝置對濾波估計值進行增壓控制邏輯判斷，三取二表決輸出功率指令驅動控制主增壓電磁閥、輔增壓電磁閥、備保增壓電磁閥開閉，實現多增壓流量控制，每路電磁閥設計獨立的增壓控制帶，高于控制帶上限時該閥門關閉，低于控制帶下限時閥門打開，在上下限之間維持上一時刻狀態，增壓電磁閥控制邏輯見式(8)～(10):

式(8)～(10)中，y 為每周期壓力計算結果，y1(t)，y2(t)，y3(t)，y4(t)，y5(t)，y6(t)分別為主增壓電磁閥、輔增壓電磁閥、備保增壓電磁閥的控制閾值，控制閾值為時間t 的時變函數。

5)200ms 控制周期結束前，統計的有效壓力數據的個數≤4 時，實施備保固定時序增壓控制。備保固定時序增壓控制以允許增壓點為計時0 點，在備保增壓控制的時間段進行固定邏輯備保增壓控制，當貯箱壓力恢復正常時，實時恢復正常閉式程序增壓控制。備保固定時序增壓控制以備保增壓需求進行設計，包括設計允許增壓時段和開閉時間，以主增壓電磁閥周期開閉、輔增壓電磁閥時刻定時開閉(t 2 時刻打開)、備保增壓電磁閥定時開閉(t 3 時刻打開)為例，并按主增壓電磁閥開閉周期8s(4.5s關閉，3.5s 打開)設計備保固定時序增壓控制，見圖3。備保固定時序增壓控制方法如下:

圖3 備保固定時序增壓控制

①從壓力有效數據小于5 的控制周期開始，備保增壓延續至壓力數據正常或禁止增壓;

②如上述時刻位于t 1 和t 2 之間，則周期開閉主增壓閥門，關閉輔增壓閥門、備保增壓閥門，t 2 時刻打開輔增壓閥門，t 3 時刻打開備保增壓閥門;

③如上述時刻位于t 2 和t 3 之間，則周期開閉主增壓閥門，打開輔增壓閥門，關閉備保增壓閥門，t3 時刻打開備保增壓閥門;

④如上述時刻位于t 3 到禁止增壓之間，則周期開閉主增壓閥門，打開輔增壓閥門、備保增壓閥門;

⑤因增壓電磁閥控制指令采取3 取2 表決機制，增壓控制裝置的3個CPU 需從同一個時間基點計時，以確保3 取2 指令的準確表決輸出，主增壓閥門需根據備保固定時序增壓控制發生時刻位于從允許增壓時間點算起的閉4.5s 開3.5s 某個周期中的位置進行控制。示例如圖4，備保增壓發生時刻為相對于允許增壓點10s 的位置，處于從允許增壓點開始的閉4.5s 中的2s 時刻，因此備保增壓應繼續完成剩余的閉2.5s 后，再進行開3.5s 的周期邏輯控制。

圖4 備保固定時序增壓控制同步

3 工程實踐與應用

閉式增壓控制系統應用于新一代運載火箭，參加了助推動力系統試車、一級動力系統試車試驗。試車過程中增壓控制裝置錄取冗余數字壓力傳感器敏感的壓力信號，增壓控制軟件對壓力數據進行合理性判別后剔除無效數據，并對有效數據進行濾波，根據濾波結果和預先確定的壓力控制帶，3 取2 表決輸出功率指令驅動控制主增壓電磁閥、輔增壓電磁閥、備保增壓電磁閥。增壓電磁閥接到增壓控制裝置輸出的時序功率指令后，電磁閥打開，氣瓶組的氣體通過過濾器，再經過增壓電磁閥和增壓孔板后，將氣瓶組的氣體經過加熱器加熱后送至貯箱內的消能器，經消能器消能送至貯箱，直至貯箱壓力到達需要范圍，當貯箱壓力大于閾值范圍時相應增壓電磁閥關閉。至此增壓控制裝置控制增壓電磁閥開閉，實現動力系統試車過程中的貯箱壓力的實時閉環控制。某模塊動力系統試車試驗數據見圖5 ～6。

圖5 一級氧箱壓力曲線

在4 次試車過程中，閉式增壓控制設備正常，系統工作正常，壓力按預期結果實現了閉式控制。試車過程中氧箱3個壓力傳感器Y1，Y2，Y3 之間的偏差最大為2kpa，燃箱3個壓力傳感器R1，R2，R3 的數據偏差最大為6kpa，均在壓力傳感器精度范圍內。

圖6 一級燃箱壓力曲線

4 分析與討論

1)本文閉式增壓控制系統，由冗余數字壓力傳感器測量貯箱壓力信號，三模冗余增壓控制裝置基于增壓控制方程3 取2 表決輸出控制指令，控制多路增壓電磁閥實現閉式增壓控制，且重要參數在火箭射前可在線監測，提高了增壓控制可靠性;

2)增壓控制算法由軟件實現，增壓控制帶可由軟件修改，并在射前裝訂，使得壓力傳感器、增壓控制裝置和增壓電磁閥等產品能夠實現單機共用，增壓控制帶和壓力控制點更改靈活，基于共用的單機產品并更改軟件和增壓控制參數可滿足不同增壓控制要求，系統和產品通用性和實用性好;

3)閉式增壓控制系統三模冗余增壓控制裝置對增壓控制周期內錄取的壓力數據進行合理性判別、濾波，根據增壓控制周期內合理性數據個數實施閉式程序增壓或備保固定時序增壓，實現貯箱閉式增壓的容錯控制，提高系統故障適應性。

5 結論

針對新一代運載火箭增壓控制需求，本文提出一種液體運載火箭閉式增壓控制方案，并對閉式增壓控制的相關技術進行了重點論述。分析和試驗表明，本文系統與傳統方案相比具有顯著優勢:產品通用性好且制造難度低，配套容易;壓力控制帶可通過軟件裝訂，更改靈活;重要參數射前可監測，測試性好;系統采用三模容錯方案，增壓控制可靠性高;火箭飛行過程中能夠可靠靈活的實現液體運載火箭推進劑貯箱壓力控制，通過更改軟件和裝訂能夠滿足不同增壓控制需求，系統適應性強，具有良好的推廣應用價值。

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