火箭發(fā)動機(jī)試驗(yàn)貯箱變箱壓控制系統(tǒng)設(shè)計

摘 要：可重復(fù)使用液氧液甲烷火箭發(fā)動機(jī)在研制試驗(yàn)階段，為了研究發(fā)動機(jī)在不同混合比、不同推力狀態(tài)下的工作性能，需要在點(diǎn)火試驗(yàn)過程中實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑貯箱的變增壓，調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)入口的推進(jìn)劑壓力和流量，改變混合比從而控制發(fā)動機(jī)的推力。采用國產(chǎn)臺達(dá)可編程邏輯控制器，設(shè)計貯箱變箱壓控制系統(tǒng)，采用WPLSoft開發(fā)軟件編寫PLC控制程序，根據(jù)壓力變送器獲取箱壓反饋值P_x與箱壓設(shè)定值P_set比較，通過誤差帶控制算法控制主增電磁閥和補(bǔ)增電磁閥開啟關(guān)閉，維持貯箱壓力穩(wěn)定在設(shè)定值。通過觸摸屏輸入多個箱壓設(shè)定值，不同試驗(yàn)階段箱壓設(shè)定值亦不同，貯箱壓力跳轉(zhuǎn)并穩(wěn)定在新設(shè)定的箱壓值，實(shí)現(xiàn)貯箱的變箱壓控制。

關(guān)鍵詞：液氧甲烷；火箭發(fā)動機(jī)；變箱壓控制；試車臺；臺達(dá)PLC

近年來，伴隨著商業(yè)航天的快速發(fā)展，人們對火箭發(fā)射的低成本、大載荷、高效益越來越重視，國內(nèi)外各大航天公司把目光聚焦在可回收、重復(fù)使用運(yùn)載火箭上^[1-2]。美國SpaceX 公司現(xiàn)役“獵鷹9”火箭，采用可重復(fù)使用設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了一子級可回收利用，截至2022年5 月，已經(jīng)成功進(jìn)行了118 次火箭回收著陸^[3]?！俺?星艦”運(yùn)輸系統(tǒng)是由SpaceX 公司推出的下一代完全重復(fù)使用運(yùn)載器。猛禽發(fā)動機(jī)采用液氧甲烷作為推進(jìn)劑，是第一款全流量補(bǔ)燃循環(huán)發(fā)動機(jī)，設(shè)計推力達(dá)200 t，可重復(fù)使用1 000 次^[4,5]。俄羅斯聯(lián)邦航天局研制的“阿穆爾”火箭，又稱“聯(lián)盟7”火箭，是一種可重復(fù)使用的雙子級中型運(yùn)載火箭，替代“聯(lián)盟2”系列。該型火箭一子級安裝五臺RD-0169 液氧甲烷發(fā)動機(jī)，可重復(fù)飛行100 次。其中，單臺RD-0169 發(fā)動機(jī)最大推力達(dá)95 t，可重復(fù)點(diǎn)火300 次，性能優(yōu)越^[6]。在歐洲航天局（ESA）的未來運(yùn)載火箭計劃中，阿里安公司研制可重復(fù)使用的運(yùn)載火箭驗(yàn)證試驗(yàn)Themis，將使用“普羅米修斯” (Prometheus) 火箭發(fā)動機(jī)?！捌樟_米修斯”火箭發(fā)動機(jī)由阿麗亞娜集團(tuán)（ArianeGroup）為歐空局研發(fā)，采用液氧甲烷為燃料，具備可變推力、多次點(diǎn)火、靈活可靠、效率高等特點(diǎn)，適用于運(yùn)載火箭的主級和上面級，可以實(shí)現(xiàn)重復(fù)使用，被視為歐洲未來開展太空競爭的關(guān)鍵^[7]。我國在可重復(fù)使用運(yùn)載火箭領(lǐng)域也取得一系列成果，變推力液氧甲烷發(fā)動機(jī)研究捷報頻頻。由北京11所研制的80 t 級液氧甲烷發(fā)動機(jī)，具備3~4 次點(diǎn)火啟動能力，目前已進(jìn)入全系統(tǒng)試車階段^[8]。民用航天公司藍(lán)箭航天、星級榮耀、九州云箭研發(fā)的80 t 級液氧甲烷發(fā)動機(jī)均取得重大成果，實(shí)現(xiàn)了深度變推力，為未來中小型運(yùn)載火箭重復(fù)使用奠定了基礎(chǔ)。

為了實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭的回收再利用，研究一款高性能、可變推力、重復(fù)使用的火箭發(fā)動機(jī)就顯得非常重要。液氧甲烷比沖介于液氫液氧和液氧煤油之間，具有較高的性價比。同時，液甲烷燃燒后沒有積碳和結(jié)焦現(xiàn)象，使得維修保養(yǎng)極為方便。發(fā)動機(jī)回收后經(jīng)過簡單的處理后即可再次使用，因此液氧甲烷發(fā)動機(jī)在可重復(fù)使用火箭應(yīng)用中具有很強(qiáng)的競爭力，是未來航天動力發(fā)展的重要方向^[9]。

在變推力液氧甲烷發(fā)動機(jī)研制試驗(yàn)階段，需要解決液體推進(jìn)劑變流量調(diào)節(jié)技術(shù)問題。當(dāng)氣蝕管選定時，通過調(diào)節(jié)貯箱壓力進(jìn)而改變氣蝕管入口壓力，可達(dá)到調(diào)節(jié)液體推進(jìn)劑流量的目的。因此設(shè)計貯箱變箱壓控制系統(tǒng)，對于變推力發(fā)動機(jī)地面試驗(yàn)非常有必要。

1 系統(tǒng)原理與組成

以發(fā)動機(jī)試車臺液甲烷貯箱增壓系統(tǒng)為基礎(chǔ)，設(shè)計貯箱變箱壓控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由貯箱及工藝管路系統(tǒng)、可編程邏輯控制器、工控機(jī)、觸摸屏、壓力變送器、供電電源及傳輸電纜等組成。

1.1 貯箱及工藝管路系統(tǒng)

101 所三工位試驗(yàn)臺液甲烷貯箱及工藝管路系統(tǒng)包括液甲烷貯箱、增壓氣源、電磁閥、增壓孔板、氣動截止閥、壓力管道及連接件等，如圖1 所示。液甲烷貯箱容積為1.5 m³，耐壓21 MPa。增壓氣源介質(zhì)為常溫氮?dú)?，從高壓氣瓶場?jīng)減壓器減壓至15 MPa，流經(jīng)增壓電磁閥和增壓孔板給貯箱進(jìn)行增壓。貯箱上方安裝三路電磁閥，分別為主增電磁閥、補(bǔ)增電磁閥和放氣電磁閥，簡稱為主增閥、補(bǔ)增閥和放氣閥。其中主增閥和補(bǔ)增閥連接增壓氣源，放氣閥連通大氣。3 個電磁閥均采用寧波星箭公司生產(chǎn)的G2/5 DCF25 型電磁閥，供電電壓DC 24 V，電流約0.7 A，通徑為DN 25 mm，耐壓達(dá)23 MPa，是一款可靠性很高的二位五通先導(dǎo)式電磁閥。為了控制增壓氣流量，在增壓電磁閥閥之后分別安裝兩個孔板，通徑分別選取7 mm 和3 mm。貯箱底部經(jīng)管道連接安裝兩個截止閥，分別為加注截止閥和排放截止閥。兩個截止閥均通過7 MPa 操縱氣控制閥門打開與關(guān)閉。操縱氣由兩個電磁閥控制通斷，即加注閥和排放閥，選用寧波星箭G2/5 DCF6 型電磁閥，DN6 mm，耐壓23 MPa。

1.2 可編程邏輯控制器

可編程邏輯控制器用來編寫變箱壓PLC 控制主程序，執(zhí)行控制算法，采集箱壓變送器輸出模擬量并轉(zhuǎn)換成箱壓反饋值，根據(jù)變箱壓控制算法進(jìn)行邏輯運(yùn)算并輸出，從而控制電磁閥開關(guān)。選用國產(chǎn)臺達(dá)可編程邏輯控制器DVP30EX2，如圖2 所示，該型號PLC 采用32 位高速處理器，基本指令最快執(zhí)行速度為0.35 μs。程序最大容量1.6 萬step，針對大程序容量，提供高效率處理能力，1 000 step 程序可在1 ms 內(nèi)處理完成。如圖2 所示，該型可編程邏輯控制器內(nèi)置一組RS232、兩組RS485 通訊端口，兼容MODBUS ASCII/RTU 通訊協(xié)議，且均支持Master 功能。具備16 路數(shù)字量輸入通道，10 路數(shù)字量輸出通道，3 路模擬量輸入通道，滿足系統(tǒng)設(shè)計需求。

圖2 臺達(dá)可編程邏輯控制器DVP30EX2

1.3 工控機(jī)

選用西門子工控機(jī)IPC547C， 用來記錄箱壓數(shù)據(jù)、編寫HMI 組態(tài)程序和PLC 控制程序并完成下載。IPC547C 配備有具有強(qiáng)大功能的節(jié)能型Intel Core?2 Quad / Duo 64 位處理器，內(nèi)存容量達(dá)8 GB，串行ATA硬盤容量達(dá)500 GB。它的7 個擴(kuò)展槽采用了PCI/PCIExpress技術(shù)，可插入功能強(qiáng)大的擴(kuò)展板卡。IPC547C在熱插拔可拆卸機(jī)架中，最多可采用3 個RAID5 海量存儲單元，它們具有優(yōu)化的內(nèi)存空間，可保證數(shù)據(jù)安全性和高性能；利用前端的溫度和風(fēng)扇LED，可進(jìn)行全面的診斷和監(jiān)視；具備冗余電源，極大地提高了可靠性；具備兩個有綁定功能的千兆以太網(wǎng)接口，因此可獲得高數(shù)據(jù)傳輸速率和冗余度；全金屬外殼，具有高電磁兼容性；由于采用了風(fēng)扇控制的加壓冷卻，增強(qiáng)了防塵保護(hù)，降低了噪音；具有9 個USB2.0 接口，其中兩個前置的接口和一個內(nèi)置接口具有機(jī)械連鎖。

1.4 壓力變送器

壓力變送器安裝在貯箱上方，用來監(jiān)測貯箱壓力。根據(jù)箱壓的變化規(guī)律，變送器實(shí)時輸出4~20 mA 電流信號。電流信號經(jīng)傳輸電纜傳送給PLC 模擬量輸入端，在PLC 程序中通過公式計算轉(zhuǎn)換成貯箱壓力反饋值（真實(shí)值）P_x。本系統(tǒng)選用中航電測儀器股份有限公司的FYB-1 型號壓力變送器，量程0~20 MPa，精度0.25%。該型號壓力變送器采用直流穩(wěn)壓電源供電，供電電壓18~30 V。

1.5 觸摸屏

觸摸屏用來組態(tài)上位機(jī)操作界面，可實(shí)現(xiàn)貯箱箱壓設(shè)定值輸入與修改、顯示貯箱真實(shí)箱壓值、自動增壓程序啟停開關(guān)、閥門開關(guān)按鈕及開關(guān)狀態(tài)顯示等功能。選用深圳昆侖通態(tài)嵌入式一體化觸摸屏，型號TPC1071Gt。該型號觸摸屏采用多核架構(gòu)，搭載Cortex4核處理器，內(nèi)存256 M，主頻1 G，分核運(yùn)行速度更快，分辨率為1 024×600。觸摸屏采用直流24 V 電源供電，具備1 個以太網(wǎng)接口，1 個COM 端口（RS485），1 個USB 端口（RS232），電磁兼容性為工業(yè)3 級。

1.6 供電電源

為了防止控制系統(tǒng)運(yùn)行過程中突然斷電，影響試驗(yàn)進(jìn)行，本系統(tǒng)采用UPS 交流凈化電源給工控機(jī)、顯示器、直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源及PLC 等設(shè)備供電提供220 V 交流電。UPS 使用美國APC 公司的交流凈化電源UPS-5000，設(shè)備運(yùn)行可靠，輸出穩(wěn)定，電池容量大，一旦市電切斷，UPS機(jī)箱自帶的電池可以持續(xù)工作20 min 以上。直流電源使用北京大華無線電儀器公司的DH1766-2 直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源，提供24 V 直流電。

2 系統(tǒng)程序設(shè)計

2.1 PLC控制程序

采用臺達(dá)DVP30EX2 PLC 作為貯箱變箱壓控制系統(tǒng)的控制中心，利用WPLSoft 開發(fā)軟件設(shè)計編寫PLC控制程序。PLC 輸入輸出端口功能定義如表1 所示。

PLC 通過AD0 模擬量端口采集箱壓變送器輸出的標(biāo)準(zhǔn)電流信號，通過公式轉(zhuǎn)換成過程量，即箱壓反饋值P_x，并與箱壓設(shè)定值P_set 進(jìn)行比較，按照表2 的貯箱增壓誤差帶算法控制增壓電磁閥和放氣電磁閥的開關(guān)。當(dāng)箱壓滿足P_x<P_set- 0.05 時，主增閥和補(bǔ)增閥同時打開，貯箱快速增壓；當(dāng)箱壓滿足P_set-0.05 ≤ P_x< P_set+0.02 時，主增閥關(guān)閉，補(bǔ)增閥打開，貯箱繼續(xù)平穩(wěn)增壓；當(dāng)箱壓反饋值Px 比設(shè)定值高0.02 MPa，即P_x ≥ P_set+0.02 時，主增閥和補(bǔ)增閥同時關(guān)閉，貯箱保持穩(wěn)壓狀態(tài)；當(dāng)箱壓反饋值大于15 MPa，打開放氣閥，保護(hù)箱壓。通過該誤差帶算法，可以實(shí)現(xiàn)箱壓穩(wěn)定在設(shè)定值。

為了實(shí)現(xiàn)不同階段貯箱壓力P_x 穩(wěn)定在不同的設(shè)定值，即貯箱變增壓，程序中須定義多個P_set，本系統(tǒng)設(shè)計可實(shí)現(xiàn)3 個階段穩(wěn)壓控制，因此箱壓設(shè)定值可記為P_seti（i = 1,2,3），每個設(shè)定值對應(yīng)的變箱壓時刻定義為t_i（i = 1,2,3），程序停止時刻定義為T_e。當(dāng)X0 接通時程序啟動，此時定義為零時刻，PLC 按照時間順序依次掃描執(zhí)行程序，當(dāng)t = t₁ 時，貯箱穩(wěn)壓在P_set1；當(dāng)t = t₂ 時，貯箱穩(wěn)壓在P_set2；當(dāng)t = t₃ 時，貯箱穩(wěn)壓在P_set3；當(dāng)t = T_e 時，貯箱增壓程序結(jié)束。PLC 控制程序流程如圖3 所示。

2.2 觸摸屏組態(tài)程序

在進(jìn)行發(fā)動機(jī)變推力試驗(yàn)研究時，通常會設(shè)定不同的試驗(yàn)工況，不同工況對箱壓提出不同的要求，并且根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可能隨時調(diào)整變箱壓程序的箱壓設(shè)定值。為了提高試驗(yàn)效率，避免修改PLC 程序出錯，在PLC 控制程序編程時，箱壓設(shè)定值參數(shù)不賦值，而是通過觸摸屏文本輸入，給貯箱箱壓設(shè)定值參數(shù)進(jìn)行賦值。通過觸摸屏可以隨時修改參數(shù)并即時刷新CPU，不需要修改PLC 程序再次下載。

昆侖通態(tài)TPC1071Gt 觸摸屏，自帶臺達(dá)PLC 通信驅(qū)動，可以通過RS485 協(xié)議跟臺達(dá)PLC 進(jìn)行快速連接通信。設(shè)計觸摸屏操作界面如圖4 所示。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

為了驗(yàn)證本文設(shè)計的液甲烷貯箱變箱壓控制系統(tǒng)是否可行，在101 所工位發(fā)動機(jī)試車臺進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。在PLC 程序中設(shè)定3 次變箱壓時刻（t₁，t₂，t₃）分別為4 s，30 s，44 s，程序結(jié)束時刻T_e 為6 s，程序下載到控制器CPU 中。三個階段的箱壓設(shè)定值通過觸摸屏輸入，分別設(shè)定為1.5、2 和2.5 MPa。

圖4 觸摸屏組態(tài)操作界面圖

圖4 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果

將增壓氮?dú)鈮毫φ{(diào)到16 MPa，電源設(shè)備供電，檢查程序下載是否正常，試驗(yàn)準(zhǔn)備工作完畢，按下程序啟停按鈕程序執(zhí)行并記錄數(shù)據(jù)。程序執(zhí)行到10 s 左右，手動打開排放閥，控制排放截止閥打開，貯箱內(nèi)的增壓氣從排放截止閥泄出，模擬液甲烷流出引起的貯箱壓力波動。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，程序執(zhí)行4 s 后貯箱壓力上升，如圖4 所示。箱壓達(dá)到1.6 MPa 后，主增閥和補(bǔ)增閥根據(jù)誤差帶算法開關(guān)，使箱壓逐漸穩(wěn)定在1.5 MPa，此時增壓帶波動頻率較高。30 s 時貯箱開始持續(xù)增壓，直至2 MPa 并穩(wěn)定箱壓，增壓帶波動頻率降低。44 s 時貯箱繼續(xù)增壓，至2.5 MPa 并穩(wěn)定箱壓，增壓帶波動頻率進(jìn)一步降低。

如表3 所示，貯箱增壓第1 階段設(shè)定值為1.5 MPa，實(shí)際波動范圍為（1.519~1.557）MPa，最大偏差率為3.8%；第2 階段設(shè)定值為2 MPa，實(shí)際波動范圍為（2.018~2.049）MPa，最大偏差率為2.4%；第3 階段設(shè)定值為2.5 MPa，實(shí)際波動范圍為（2.517~2.541）MPa，最大偏差率為1.6%。分析可知，隨著箱壓設(shè)定值的升高，偏差率計算的基數(shù)逐漸變大，因此偏差率逐漸減小。

4 結(jié)束語

針對某號液體火箭發(fā)動機(jī)地面試驗(yàn)提出的液甲烷貯箱變箱壓增壓技術(shù)要求，設(shè)計了液甲烷貯箱變箱壓控制系統(tǒng)，采用國產(chǎn)臺達(dá)可編程邏輯控制器作為控制中心，采用WPLSoft 開發(fā)軟件編寫PLC 控制程序，根據(jù)壓力變送器輸出獲取箱壓反饋值P_x，并與箱壓設(shè)定值P_set 比較，通過設(shè)定的誤差帶算法控制主增電磁閥和補(bǔ)增電磁閥開啟關(guān)閉，維持貯箱壓力穩(wěn)定在箱壓設(shè)定值。通過觸摸屏設(shè)定變箱壓參數(shù)，PLC 程序按照順序執(zhí)行程序變更箱壓設(shè)定值，使貯箱壓力在不同階段穩(wěn)定在不同的設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)了貯箱的變箱壓控制。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年4月期）