表面张力贮箱泡破点盲测技术研究.pdf

第 3 8 卷 第 5期 2 0 1 2年 1 0月 火箭推进 J OURNAL O F ROCK ET P ROP UL S I ON Vo 1 3 8 N o 5 0e t 2 0 1 2 表面张力贮箱泡破点盲测技术研究 郝贵欣，张 华 ，董飞 ( 西安航天发动机厂陕西 西安 7 1 0 1 0 0 ) 摘 要：通过对表面张力贮箱结构、泡破点测试难点分析，提出了采用微压闭环控制技 术解决测试过程管理装置 内腔压力维持准平衡状态难题 的技术途径，研制的贮箱泡破 点盲测 系统具有 自动控制 、 自动判读及测试精度 高等特点，经试验验证该技术满足贮箱泡破点盲测 要求，已在型号研制 中得到应用。 关键词：表面张力贮箱；泡破点；盲测 中图分类号 ：V4 3 4 3 4 文献标识码 ：A 文章编号：1 6 7 2 9 3 7 4( 2 0 1 2 1 0 5 0 0 5 9 0 6 Bl i n d t e s t t e c h n o l o g y f o r b u b b l e b r e a k p o i n t o f s u r f a c e t e n s i o n t a n k HAO Gui x i n， ZHANG Hu a ， DONG Fe i ( x i a nAe r o s p a c e P r o p u l s i o nI n s t i t u t e ， Xi a n 7 1 0 1 0 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： A t e c h n i c a l me t h o d t o a d o p t t h e mi n i - p r e s s u r e c l o s e d - l o o p c o n t r o l t e c hn o l o g y t o ma i n t a i n q u a s i e q u i l i b r i u m s t a t e o f i n t e r n a l c a v i t y p r e s s ure o f ma n a g e me n t d e v i c e d u r i n g t h e t e s t wa s p r o p o s e d b y t h e a n a l y s i s o f s u r f a c e t e n s i o n t a n k s t r u c tur e a n d b u b b l e b r e a k p o i n t t e s t s d i ffi c u l t i e s T h e d e v e l o p e d b l i n d t e s t s y s t e m f o r s u r f a c e t e n s i o n t a n k b u b b l e b r e a k p o i n t h a s t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f a u t o ma t i c c o n t r o l ， a u t o ma t i c i n t e r p r e t a t i o n a n d h i g h p r e c i s i o n ， wh i c h s a t i s fie s b l i n d t e s t r e q u i r e me n t s Th e t e c h no l o gy pa s s e d t e s t v e rific a t i o n a n d h a s be e n a pp l i e d t o t a nk p r o d uc t i o n Ke y wo r d s ：s urf a c e t e n s i o n t a nk ； b u b b l e b r e a k p o i n t ； b l i n d t e s t 0 引言 表面张力贮箱是姿控发动机重要组件 ，贮箱 内管理装置的主要作用是保证贮箱在不同姿态下 出液 口都能连续输出无夹气 的推进剂 。泡破点是 贮箱 的关键特性 参数之 一 ，如果贮箱 泡破 点降 低，贮箱输出的推进剂会夹杂气体，使推进剂管 理能力下降或推进剂供应流量不足，最终导致姿 控发动机动力系统性能下降。 收稿 日期 ：2 0 1 2 0 3 0 8 ；修回 日期 ：2 0 1 2 0 5 2 8 基金项 目：中国航天科技集团公司支撑项目( 2 0 0 8 J Y 0 3 ) 作者简介：郝贵欣 ( 1 9 7 7 一) ，男 ，工程师 ，研究领域为非标准设备的开发、设计、研制 万方数据 火 箭 推进 2 0 1 2年 l 0月 贮箱泡破点的定义 在空 间环境下， 贮箱处于完全失重或微重力 状态，此时液体的表面张力是影响液体行为的主 要因素 ，见图 1 所示。在液体的表面张力作用 下 ，气液界面的平衡条件是 = ( + ) ( 1 ) 式中： p为气液界面两面的压差； 为液体表 面张力 ；R 和 R ， 为液面的主曲率半径。 如果液面为球面的一部分 ，则 a p = 2 R ( 2 ) 采用筛网作为管理装置的毛细元件时，它所 能维持 的最大静压力就是筛网的泡破点值 也是气体穿过筛网时所需的压差。由式 ( 2 )得 p = 4 D B P ( 3 ) 式中：D 为筛 网的有效孔径 。 图 l液体表面张力示意图 Fi g 1 Fl u i d s ur f a c e t e ns i o n 由此可见，筛网泡破点值理论上仅与工作介 质表面张力和筛 网的有效孔径有关 ，其值就是气 体穿过筛网孔径时所产生的压力差，所以可以通 过测量此压力差的方法得到筛网的泡破点值 。 焊接而成 ，如图 2 ( a )所示。 角杯 隔板 窗 出液 口 ( b )管理装置 图 2 贮箱结构示意图 Fi g 2 Ta n k s t ru c t u r e 管理装置位 于下半 球 内 ，由隔板组 件 、角 杯、通道和底收集器等组成 ，其中角杯 、 通道与 底收集器共同组成一个空腔 ，通过出液 口与外部 连通。 2 2 泡破点测试现状 目前泡破点测试 只能对未装入贮箱 的管理装 置进行测试 ，方法是将管理装置放人盛有无水乙 醇的贮液槽内，通过手动操作气体减压器，给管 理装置 内腔缓慢增压 ，观察筛 网表面，直至第一 个气泡穿过网片，此时测得的网片两侧压差就是 泡破点值。 2 贮箱结构简介及测试现状 3 盲测原理及难点分析 2 1贮箱结构简介 贮箱 由上半球 、圆筒段 、下半球和管理装置 管理装 置装入贮箱 后 ，管 理装置 完全看 不 万方数据 第 3 8 卷 第 5 期 郝贵欣，等：表面张力贮箱泡破点盲测技术研究 6 1 见，传统的泡破点测试方法无法进行 ，这时只能 进行盲测。盲测就是不用人眼观察数据 和不用人 工控制压力，整个测试过程完全由计算机独立控 制并输出测得的贮箱泡破点值。 3 1 盲测原理 盲测原理是 向贮箱 内加注一定量的试验介质 并使管理装置筛网上形成完整的液膜，然后通过 如图 3 所示的系统缓慢给贮箱增压 ， 控制台上的 计算机实时采集和分析压力传感器传来的压力数 据 ，并且与预定 的增压速率进行 比对 ，实时输出 计算得到的 P I D参数给压力控制器，以使增压速 率恒稳 ，当压力传感器 的压力数据出现突然变小 并短时间内无回升时，即可判定突变时刻的压力 值为泡破点值 。 贮 箱 图 3盲测系统原理图 F i g 3 P r i n c i p l e d i a g r a m o f b l i n d t e s t s y s t e m 3 2 难点分析 贮箱壳体不透明 ，无法观察到其内管理装置 的状态 ，因此 ，盲测有以下难点 ： 1 )管理装置在贮箱 内 ，如何保证入 口滤 网 和隔板窗不形成液膜而管理装置的筛网表面形成 完整 的液膜 ，避免这三层筛网均形成液膜 ，导致 密闭死腔形成 ； 2 )如何通过 自动控制增压 ，并保证管理装 置内腔实时为准平衡状态 ( 即内腔各处压力值基 本一致) ，减小误差，提高测量准确性； 3 )无水 乙醇( 试 验介 质)为 易蒸发 液体 ， 蒸汽遇冷 的管理装置容易凝结液滴 ，也会在隔板 窗形成液膜 ，如何缩短测试时间和减少蒸发量。 4 技术方案 用试验介质将贮箱内的管理装置浸湿，使网 片表面形成液膜 ，用计算机 自动控制给贮箱缓慢 增压 ，实时采集贮箱 的压力并绘制压力 曲线 ，在 人口压力保持缓慢、平稳的前提下，当压力增长 到一定值 ， 气体打破网片液膜的表面张力，在压 力 曲线上表现为突然下折 ，此时测得 的网片两侧 的压力差就是贮箱的泡破点值。 4 1试验介质加注 从贮箱 的出液 口到进气 口有三层筛 网，如果 这三层筛网均形成液膜，管理装置内部便会形成 一 个被液膜密封的空腔，又由于试验介质蒸汽压 的影响 ，将不能准确 测量管理装置 的泡破点值 。 试验介质加注方案是 ：从 出液 口加注 ，控制加注 介质量 ，使贮箱以任何姿态放置试验介质均不能 碰到隔板窗。试验介质的最大加注量可 以依据贮 箱的结构通过理论计算得 到。 4 2 筛网表面液膜形成方案 试验介质的加注方法和加注量可保证隔板窗 无试验介质，但在管理装置上液膜形成过程中必 须保证 隔板窗与试验介质无粘连。液膜形成方案 是：先使通道浸湿，再浸湿通道末端的角杯，然 后浸湿底收集器 ，最后将贮箱倒立 ，使通道和底 收集器内的多余试验介质流至通道末尾，减小试 验过程 中介质流动干扰 ，保证管理装置外表面被 润湿 ，而其他网片不润湿。 4 3 增压方案 管理装置到进气 口之间的空腔比较大，致使 增压时问很长，而且筛网与进气 口的距离 比较 远 ，筛 网表面的液膜破裂时造成的压力差必须克 服隔板 窗和入 口滤网两道筛 网阻隔 ，压力损失 比 较大 ，对测量准确度影响很大 。管理装置到出液 口之间的空腔很小 ，而且距离压力测量装置也 比 较近，压力损失非常小，增压方案确定为从出液 口增压 。 4 4 微压力平稳控制 只有控 制管理装 置 内腔压力 的平稳缓 慢增 加 ，才能使筛网液膜破裂时 内腔压力为准平衡状 万方数据 6 2 火箭 推 进 2 0 1 2年 1 0月 态 ，提高测量 的准确性 。筛网入 口压力控制采用 进 口 E R 3 0 0 0压力控制器及节流孔板 ，并在控制 程序 中运用当前工业控制应用最广泛 的 P I D控制 方式 ，实时计算 P ，I ，D三个参数 ，实现对流量 的限制及压力的实时调整控制 。 4 5 缩短试验时间的技术方案 试验介质蒸气遇冷容易在管理装置和隔板 窗 上聚集成液滴 ，形成液膜 ，需要尽量缩短试验时 间，减小试验介质 的蒸发量。流量控制采用节流 孔板 ，如果试验从始至终采用小孔径节流孔板 ， 试验时间会很长。综合考虑时问和流量 ，采用了 分段控制方式 ，试验前期通过较大孔径节流孔板 增压 ，缩短试验时间，试验后期则采用较小孑 L 径 的节流孔板限流 ，保证筛 网两侧压力 的准平衡状 态 ，满足控制精度和响应速度 的要求。 5 系统的组成及 实现方法 5 1 系统组成及工作原理 系统 由气路 、测控两部分组成 ，其 中气路部 分是系统 的硬件基础保 障，包括压力传感器 、减 开始 前准 备 气 路部 分 压 力 采集 压阀 、压力控制器 、截止阀以及管路等 ，主要完 成气源减压 、微压供 给和压力感知等任务 ；测控 部分是系统的控制核心 ，包括计算机 、显示器 、 采集板、信号转换板和软件等，主要负责数据采 集 、控制信号输出及仪表显示等 。测控部分软件 采用 L a b V I E W 8 6 作为开发平台，主要由负责窗 口调用的界面模块及负责试验过程控制方式的试 验控制模块 、负责不同产 品试验参数和控制方式