運載火箭貯箱增壓控制技術發展綜述

孫禮杰，金 鑫，程光平，張 亮

(上海宇航系統工程研究所,上海 201109)

運載火箭貯箱增壓控制技術發展綜述

孫禮杰，金 鑫，程光平，張 亮

(上海宇航系統工程研究所,上海 201109)

隨著運載火箭低成本、高可靠性的發展趨勢，對貯箱增壓的控制技術提出了更高的要求。在研究國內外火箭的增壓控制技術現狀的基礎上，總結提煉出增壓控制技術的發展趨勢，為后續新型火箭的研制提供參考。

火箭；增壓；控制

0 引言

貯箱增壓控制技術是運載火箭動力系統設計的一項關鍵技術，研制一套高可靠度并且成本低廉的增壓控制系統是火箭研制過程中必須考量的重要問題。進入21世紀以來，我國多個新型火箭進入了密集研制期，研究貯箱增壓控制技術的發展情況有助于提高我國運載火箭動力系統設計的技術水平，也可為我國新型火箭的研制提供技術參考。

1 箱壓控制技術應用現狀

貯箱增壓有開式增壓和閉式增壓兩種方案。開式增壓無論采用燃氣或推進劑蒸氣自生增壓方案還是惰性氣體增壓方案，增壓氣體按照預定的程序和流量進入貯箱增壓，在整個增壓工作過程中不對增壓氣體實施人為的控制，貯箱壓力處于開環狀態。閉式增壓根據貯箱壓力的變化情況進行反饋，對增壓氣體實施人為的控制，從而將箱壓控制在設定的范圍內。本文討論的增壓控制技術就是閉式增壓的技術手段。

目前最常采用的增壓控制技術有增壓氣體流量調節類和增壓氣體通斷控制類兩個大類。增壓氣體通斷控制又分為壓力信號器控制類和壓力傳感器控制類兩種。國內外主流火箭的箱壓控制方案如表1所示。

表1 箱壓控制技術應用情況統計表

1.1 增壓氣體流量調節類控制技術

采用一個可調開度的減壓器，根據貯箱壓力的升高或降低自動調節減壓器的開度，減小或增大增壓氣體流量，從而將貯箱壓力控制在設定的范圍內，工作原理如圖1所示。這種系統方案簡單，控制精度略差，適用于增壓流量小的系統，如運載火箭的末級、大型衛星和飛行器等， CZ-3A火箭三級氧箱增壓系統在早期就采用這樣的方案[1]。

1.2 壓力信號器控制技術

壓力信號器常與控制系統電阻盒搭配使用，壓力信號器內的膜片、彈簧或波紋管等感壓元件根據箱壓的變化情況使觸點移動，形成電路打開和關閉的效果。壓力信號器的開閉進一步誘發電阻盒內繼電器的開閉，從而實現對電磁閥供電的通斷控制。通過電磁閥的開閉控制來調節增壓氣體的流量，達到控制箱壓的目的，其工作原理如圖2所示，電磁閥隨貯箱壓力變化的邏輯如圖3所示。

壓力信號器控制系統方案比較簡單，除需要控制系統供電外幾乎依靠增壓系統自身就可完成箱壓的閉環控制。但是缺點也比較明顯，壓力信號器為機械式產品，膜片的可移動距離本身就很小，這導致壓力信號器的控制范圍十分有限。壓力信號器控制技術常應用于火箭一級和二級的大流量增壓系統中，典型的應用案例包括Zenit和CZ-4火箭等。

1.3 壓力傳感器控制技術

壓力傳感器控制技術常和箭載計算機配合使用，控制器根據壓力傳感器采集到的箱壓，依據事先設定的控制邏輯判斷電磁閥的通斷狀態，之后向繼電器發出控制信號，實現電磁閥的通斷控制，進而達到控制箱壓的目的，工作原理如圖4所示。為提高控制精度，通常設置3個壓力傳感器，采用取平均值或者3取2的選取模式以減小測量誤差帶來的影響。

壓力傳感器控制系統涉及傳感器采集和控制邏輯，往往無法由增壓系統獨立完成；但是優勢很明顯，包括無控制帶寬限制，控制邏輯靈活多變以及控制精度高等。壓力傳感器控制技術同樣常應用于火箭一級和二級的大流量增壓系統中。

采用壓力傳感器控制技術可以實現較為復雜的控制邏輯，這是壓力信號器控制技術所不具備的能力，典型應用案例就是Ariane V火箭。Ariane V火箭芯一級氧箱采用超臨界氦增壓方案，液氦貯存在低溫杜瓦當中。發動機工作時，杜瓦中采用氦氣增壓從而擠出液氦，經Vulcain發動機換熱器加溫至200～300K，再經流量控制器后進入氧箱增壓。流量控制器為3個增壓路集成的設備，每一路為電磁閥+節流孔板設計，3路完全相同，電磁閥的通斷由箭載計算機根據箱壓傳感器的測量結果進行控制。

3個增壓路分別設計為常通路、調節路和冗余路，共設計調節壓力和冗余壓力兩個帶寬，其箱壓控制方法如下。

1)正常狀態下常通路保持常開增壓，調節路根據箱壓變化情況打開關閉，使箱壓穩定在調節壓力帶寬范圍內，冗余路不工作。

2)當箱壓超過冗余壓力帶寬上限時，常通路關閉，由調節路和冗余路負責增壓，電磁閥的開閉根據箱壓進行控制，箱壓控制范圍為調節壓力帶寬，此時調節路和冗余路同時為同時開閉工作狀態，不分主次。

3)當箱壓低于冗余壓力帶寬下限時，冗余路被激活為常通狀態，由原常通路和調節路負責調節箱壓，其箱壓控制范圍為調節壓力帶寬，此時原常通路和調節路為同時開閉工作狀態，不分主次。

增壓控制邏輯如圖5所示。

2 流量控制技術應用現狀

流量控制分為定流量控制和不定流量控制兩種。定流量控制方法根據貯箱增壓所需的流量在增壓系統中設置減壓器+節流孔板的方式實現。不定流量控制則直接采用節流孔板，由于沒有穩定減壓，增壓流量隨氣源壓力的變化而變化，如儲存惰性氣體的氣瓶會隨著工作時間的增長壓力逐步降低，增壓氣體的流量也隨之減小。

在具體的增壓系統設計中，通常根據不同增壓系統的要求采取某一種流量控制方法或者進行組合得到較為優化的一套流量控制系統。采用雙路增壓的系統，一種方案是一路為主增壓路，保持常通，一路備份，如CZ-4火箭三級；另一種方案是兩路互為備份，均根據箱壓實施控制，如新一代某些火箭助推冗余增壓系統。

目前國外主流火箭大多采用3路以上的多路增壓方案，多路增壓方案實施起來較為靈活多變，目的都是提高系統的冗余度和可靠性，詳見表2。從表2中可以看到多路增壓方案主要集中在3路和4路兩種方案，再提高增壓路數對于提高系統的冗余度和可靠性已沒有實際作用。是否設置主路常通沒有固定的規律可循，但是可以看到主流火箭都不再采用定流量增壓的方式。

表2 流量控制技術應用情況統計表

3 增壓控制技術分析

壓力信號器控制是較為傳統的技術，主要在蘇聯時期研制的部分火箭上使用。由于歷史原因，我國的部分火箭也延用了此種控制技術。美國、日本和歐洲的火箭大多采用壓力信號器控制技術，我國的新一代火箭也開始逐漸采用此種技術。相比壓力信號器控制技術，壓力傳感器控制技術在各方面均有著獨特的優勢。

(1)增大箱壓控制帶寬

采用壓力信號器控制技術，箱壓的控制帶寬受壓力信號器的調節能力限制，而壓力信號器為機械式調節閥門，壓力調節的能力往往有限。當箱壓控制帶寬較窄的時候容易引起電磁閥頻繁打開關閉，降低系統工作的可靠度。采用壓力傳感器控制技術，箱壓的控制帶寬由控制器中軟件設置，不受產品能力的限制，可以根據需求設置箱壓控制帶寬，從而避免電磁閥頻繁打開關閉的現象。

(2)消除產品散差

在壓力信號器的生產過程中由于彈簧和膜片產品特性的散差，必然帶來壓力信號器控制帶寬與設計值的偏差。從實際使用情況來看，壓力信號器的控制帶寬往往小于設計要求值。采用壓力傳感器控制技術則不存在調節類單機的散差問題，可以完全避免這種現象。

(3)提高箱壓控制的靈活性

采用壓力傳感器控制技術可以實現較為復雜的控制邏輯，如Ariane V芯一級氧箱的增壓控制邏輯，而壓力信號器控制技術則只能實現“不足即開，超出即關”的控制邏輯。并且一個壓力信號器只控制其對應的一個電磁閥，而壓力傳感器控制技術則能根據需求同時控制多個電磁閥，從而實現較為優化的控制方案。

(4)提高系統可靠性

壓力傳感器控制技術一般采用3個及以上傳感器感受箱壓，對多個傳感器的測量結果取平均值，可以減小測量誤差帶來的影響，也同時起到單機冗余的作用，提高系統可靠性。壓力信號器控制技術使用壓力信號器感受箱壓，通常情況下壓力信號器與電磁閥的一一對應，當某個壓力信號器故障時，該增壓路失效。可以用并聯壓力信號器或者采用“三取二”的方式提高系統可靠度，但也增加了成本。

(5)降低系統成本

壓力信號器僅在運載火箭領域使用，均根據需求特殊研制，產量低，成本高；而壓力傳感器技術成熟，有多家廠所研制，成本較壓力信號器更低。

除此之外，還可以看到一些貯箱增壓控制技術的發展趨勢。

(1)無減壓器設計

通過減壓器穩壓之后可以將增壓流量控制在穩定的范圍內，但在采取了壓力信號器或壓力傳感器控制箱壓以后，穩定的流量對于貯箱增壓并無實際優勢，而減壓器的引入對系統設計反而帶來了不利的影響。

①取消減壓器減少單機的種類，降低單機研制的成本。

②取消減壓器可以減少增壓系統中的單機數量，降低增壓系統的成本，同時提高系統的可靠性。

③相對一些火箭型號，增壓路中一路帶減壓器一路不帶減壓器設置的情況，取消減壓器后可將每路節流孔板設計為相同尺寸，達到防差錯設計的目的，增強單機產品的通用性和互換性。

(2)多路增壓成為主流選擇

多路增壓方案可以實現2路以上的備份增壓路，系統冗余度和可靠性大幅提升。多路增壓的方案下，并不要求每一個增壓路具備單獨工作即可滿足箱壓要求的能力，而是對單機進行冗余來提高系統可靠性。采取這樣的思路可以降低系統設計的難度，增加系統設計的靈活性。

(3)集成化、模塊化設計

從歐洲、美國和日本的火箭都可以看到集成化設計的身影，如流量控制模塊和箱壓控制模塊。采用壓力信號器控制的方案下，電磁閥和壓力信號器一一對應，而在壓力傳感器控制的方案下電磁閥與傳感器無直接對應關系，可實現流量控制和箱壓控制的獨立設計。采用集成后設計后，對流量控制模塊或箱壓控制模塊視為單機進行處理，將大量的工作提前到裝箭前，達到簡化系統測試的目的。

4 結論

通過研究國內外各型運載火箭增壓控制技術后發現，壓力傳感器控制技術成為國內外火箭的主流選擇，對增壓流量的控制朝著簡單化、多路冗余的方向發展。

[1] 《世界航天運載大全》編委會. 世界航天運載器大全(第2版)[M]. 北京: 中國宇航出版社, 2007.

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[3] 金鑫. 增壓輸送系統全系統建模及仿真分析[D]. 上海: 上海航天技術研究院, 2015.

[4] 范瑞祥，田玉蓉，黃兵. 新一代運載火箭增壓技術研究[J]. 火箭推進, 2012, 38(4)：9-16.

[5] Dussollier G, Teissier A. Ariane 5 main stage oxygen tank pressurization[R]. AIAA 1993-1969,1993.

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[7] Quinn J E, Swanson L A. Overview of the main propulsion system for the NASA Ares I upper stage[R]. AIAA 2009-5131,2009.

[8] 胡海峰. 新一代運載火箭閉式增壓控制技術研究[J]. 航天控制, 2015,33(4)：28-33.

Review on Development of Pressurization Control Technologyfor Launch Vehicle Storage Tank

SUN Li-jie,JIN Xin, CHENG Guang-ping, ZHANG Liang

(Astronautical System Engineering Shanghai, Shanghai 201109, China)

With the development trend of low cost and high reliability of launch vehicle, it puts forward higher requirements for the control technology of tank pressurization. On the basis of studying the situation of the tank pressurization control technology of domestic and international launch vehicle, the development trend of tank pressurization control technology is summarized, which provides reference for new launch vehicles in the future.

Launch vehicle; Pressurization; Control

2017-04-16；

2017-04-24

孫禮杰(1985-)，男，碩士研究生，工程師，主要從事運載火箭動力系統研究。E-mail:seven169@163.com

V434

A

2096-4080(2017)01-0066-05