基于AMESim的衛星推進系統流阻特性研究

王申，朱一驍

(1. 上海空間推進研究所，上海 201112； 2. 上海空間發動機工程技術研究中心，上海 201112)

0 引言

某型號衛星在實施某階段變軌工作期間，衛星突然出現異常干擾力矩并持續增大，隨即實施了緊急關機措施。通過故障樹分析及試驗排查工作，認定490N發動機在軌工作異常的最大可能是由于發動機喉部內部溫度過高，使涂層提前失效，出現燒蝕引起燃氣泄漏。在軌使用工況偏高疊加是發動機喉部溫度過高的原因之一[1-2]。通過分析490N發動機的問題，衛星推進系統部提出490N發動機不允許超工況在軌使用的要求。系統流阻是影響490N發動機在軌工況的主要因素，為避免490N發動機在軌超工況使用，需要對系統流阻進行復核和復算。

液體火箭推進系統是用液路、氣路將各部、組件聯接起來的流體網絡系統，流體管路具有直徑小、流量大、壓力高的特點[3-5]。管流的主要影響因素包括可壓縮性、慣性和黏性，研究液體的管路模型可以忽略流體的壓縮性，只考慮流阻。隨著計算機技術的發展，國內外開發了能夠進行液壓氣動系統數值模擬的軟件[6-9]，其中AMESim軟件中提供的管路模型多達20余種，可以根據管路的特征和流體的流動特性選用合適的管路模型[10]。

本文基于AMESim建立A星和B星氧化劑和燃料的液路模型，通過數值模擬的方法對液路流阻進行計算，并與已有的在軌飛行及地面測試數據進行比較，以驗證數值模擬的有效性。

1 系統建模

1.1 數學模型

系統流阻由3個部分組成：管路沿程流阻、彎管及通類局部流阻和組件流阻。

1)管路沿程流阻損失

當限制流動的固體邊界使流體作均勻流動時，流體內部以及流體與固體壁面之間產生的沿程不變的切應力，稱為沿程阻力。由沿程阻力引起的流阻損失稱為沿程流阻損失，用ΔpL表示，計算公式如下：

式中：λ為管路沿程流阻損失系數；L為管路長度；D為管道當量直徑；ρ為液體介質密度；v為液體介質流速。

2)局部流阻

流體因固體邊界急劇改變而引起速度重新分布，質點間進行劇烈動量交換而產生的阻力稱為局部阻力。由局部阻力引起的流阻損失稱為局部阻力損失，用Δpc表示，計算公式如下：

式中：ξ為管路局部流阻損失系數。

局部流阻損失包括多通局部流阻損失和圓彎管局部流阻損失，液路多通局部流阻損失系數ξ見圖1，圓彎管的局部流阻損失計算公式如下：

式中：θ為彎管彎曲角度；R為彎管彎曲半徑；D為彎管直徑。

圖1 多通局部流阻損失系數ξ

1.2 AMESim數值模擬

1)結構模型

圖2和圖3所示為某兩顆衛星推進分系統燃料和氧化劑管路的Creo模型。系統包括燃料部分和氧化劑部分，每個部分均由支路和主路組成，主路由直管、彎管、孔板、三通和自鎖閥組成。為便于計算，在數值模擬建模時對結構模型進行適當簡化，將自鎖閥簡化為孔板進行數值模擬。

圖2 A星推進分系統結構模型

圖3 B星推進分系統結構模型

2)數值模擬模型

根據系統原理及所建立的數學模型，使用AMESim的液壓庫和液阻庫建立了系統的AMESim數值模擬模型，如圖4和圖5所示。

圖4 A星推進分系統AMESim數值模擬模型

圖5 B星推進分系統AMESim數值模擬模型

在數值模擬模型中，直管通過AMESim庫中的直管進行模擬，選取類型為HL0003；彎管通過AMESim庫中的直管和彎管的組合來模擬。其中，直管部分模擬真實組件的沿程流阻，選取類型為HL0003；彎管部分模擬真實組件的局部流阻，選取類型為HR232。直管和彎管的設置參數如表1所示。孔板通過AMESim庫中的孔板進行模擬，選取類型為HYDORF0；三通用AMESim庫中的三通進行模擬，選取類型為HR3P01。

表1 設置參數

1.3 數值模擬方案

1)對燃料和氧化劑支路代表自鎖閥的孔板流阻進行調節，主要是通過調節孔板的孔徑，使得孔板的壓差與自鎖閥組件試驗測試結果校準；

2)對燃料和氧化劑支路的總流阻進行調節，主要是通過調節孔板的孔徑，使得并聯貯箱支路流阻與試驗測試結果校準；

3)進行推進系統管路流阻數值模擬研究，主要是通過設置與試驗一致的進口流量，獲得燃料和氧化劑主路交匯至液路壓傳的流阻，完成流阻數值模擬。

2 結果分析

2.1 試驗結果

通過在軌遙測和地面測試的手段，獲得A星和B星的實測數據，實測數據將在下文數值模擬結果分析部分用來與數值模擬結果進行對比。

2.2 數值模擬結果分析

通過對A星燃料和氧化劑支路自鎖閥和孔板的調整，獲得了各支路自鎖閥流阻和支路流阻，如表2所示。從表中可以看出，數值模擬結果與實測結果的誤差在1%以內。

表2 推進分系統各支路自鎖閥流阻

1)主路流阻數值模擬

通過對A星和B星各支路進口流量的調整，并根據衛星在軌數據，可以得到如表3所示的液路流阻與實測數據對比結果。從表中可以看出，B星數值模擬結果與地面實測數據吻合度高，A星數值模擬結果與在軌數據基本吻合，但是燃料路流阻數值模擬數據與在軌數據偏差較大，因此在下文針對A星數值模擬結果進行誤差分析。

表3 液路流阻數值模擬結果與在軌數據對比

2.3 誤差分析

從數值模擬結果與在軌數據對比可以看出，氧化劑路流阻數值模擬值與在軌數據誤差-7.4%，燃料路流阻數值模擬值與在軌數據誤差+4.0%。誤差值的偏差較大，考慮到混合比偏差對在軌數據的影響，按照混合比偏差 1.8%對數值模擬結果進行誤差分析。

根據額定混合比1.65，當混合比偏差取-1.8%時，混合比為1.620 3(即同一工況下，燃料消耗較大)；當混合比偏差取+1.8%時，混合比為1.679 7(即氧化劑消耗較大)，計算結果見表4-表6。從計算結果可以看出，在考慮混合比偏差的情況下，氧化劑路流阻數值模擬值與在軌數據誤差為-4.0%～+4.0%，燃料路流阻數值模擬值與在軌數據誤差為-7.4%～-1.6%。由此可見，混合比偏差會對數值模擬結果與在軌數據的吻合度產生影響。

表4 推進分系統并聯貯箱支路流阻

表5 推進分系統交匯至液路壓傳流阻

表6 A星液路流阻數值模擬結果

3 結語

本文基于AMESim建立了A星和B星的氧化劑和燃料的液路模型，通過數值模擬的手段對液路流阻進行計算，并與已有的在軌飛行及地面測試數據進行比較，驗證了數值模擬模型的有效性，為推進系統流阻數值模擬提供幫助。