用于发动机组件点火试验的挤压式推进剂供应系统及方法与流程

本发明涉及一种挤压式推进剂供应系统及方法，特别涉及一种用于发动机组件点火试验的挤压式推进剂供应系统及方法。

背景技术：

1、液体航天推进发动机的发生器、推力室及其他组件的点火试验是液体航天推进发动机研制的基础环节，其中组件变工况点火试验对发动机组件匹配可靠性、适应性研究以及后续研制都有着重要意义。

2、发动机组件点火试验的主要作用在于：在模拟液体航天推进发动机实际工况压力、流量条件下，测试发动机组件启动和正常运行的特性，以及发动机组件与发动机总体之间的适应性。目前模拟液体航天推进发动机实际工况所需的压力、流量主要是通过高压挤压式推进剂供应系统进行模拟。现有的高压挤压式推进剂供应系统主要采用15mpa～30mpa高压容器增压为发动机组件点火提供所需的压力条件，并采用一级或多级节流孔板或汽蚀管进行节流为发动机组件点火提供所需的推进剂流量。然而采用现有的高压挤压式推进剂供应系统模拟液体航天推进发动机实际工况所需的压力、流量时，发动机组件在点火启动工况以及转工况过程中，由于推进剂流动冲击而引起的点火条件不可控，有时甚至会导致试验失败。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种用于发动机组件点火试验的挤压式推进剂供应系统及方法，以解决采用现有的高压挤压式推进剂供应系统模拟液体航天推进发动机实际工况所需的压力、流量时，发动机组件在点火启动工况以及转工况过程中，由于推进剂流动冲击而引起的点火条件不可控，有时会导致试验失败的技术问题。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

3、一种用于发动机组件点火试验的挤压式推进剂供应系统，其特殊之处在于：

4、包括高压挤压式容器、加注/排放管路、增压管路、放气管路，以及按推进剂流向依次连通的输入总管路、启动及转工况管路和输出总管路；

5、所述加注/排放管路与高压挤压式容器的内腔底部连通，用于加注/排放推进剂；所述加注/排放管路上设置有加注/排放隔离阀；

6、所述增压管路输入端用于连通高压气体，输出端与高压挤压式容器的内腔顶部连通，用于获得发动机组件所需的推进剂压力；所述增压管路上设置有增压隔离阀；

7、所述放气管路输入端与高压挤压式容器的内腔顶部连通，输出端用于放气；所述放气管路上设置有放气阀；

8、所述高压挤压式容器上设置有安全阀；

9、所述输入总管路的输入端连接在高压挤压式容器与加注/排放隔离阀之间；所述输入总管路上沿推进剂流向依次设置有容器隔离阀、流量计以及过滤器；

10、所述启动及转工况管路包括并联设置的点火启动路、推进剂主路以及n个推进剂分路，所述n≥1；所述点火启动路上设置有点火启动路节流式流量调节装置；所述推进剂主路上沿推进剂流向依次设置有主路节流式流量调节装置和主路隔离阀；每个所述推进剂分路上沿推进剂流向依次设置有分路节流式流量调节装置和分路隔离阀；

11、所述输出总管路上设置有产品隔离阀；所述输出总管路的输出端用于连接发动机组件。

12、进一步地，为了方便控制点火启动路的通断，所述点火启动路上位于点火启动路节流式流量调节装置的推进剂供应下游位置设置有点火启动路隔离阀。

13、进一步地，为了能时序控制各并联支路的通断时间，进而发动机组件在点火启动工况、主工况及各次要工况转换时，能及时、精确地将推进剂供应管路切换到所供应的推进剂与实际工况需要的推进剂压力和流量相符的推进剂供应管路，为最终试验结果的可靠性和精确性提供保障，所述点火启动路隔离阀、主路隔离阀和各分路隔离阀均为由0.5mpa～5mpa操纵气控制的气动高压截止阀，且在相应的操纵气管路上分别设置有点火启动路操纵气孔板、主路操纵气孔板、分路操纵气孔板，以控制相应阀门的开启时间；

14、所述点火启动路隔离阀、主路隔离阀和各分路隔离阀的阀门响应时间为3s～6s，具体数值根据点火要求设定；

15、所述产品隔离阀由20mpa～23mpa氦气进行控制，阀门响应时间为30ms～100ms，具体数值根据点火要求设定。

16、进一步地，为了转工况时，推进剂流动更加稳定，所述输入总管路、点火启动路、推进剂主路、各推进剂分路以及输出总管路的管道设计压力均相同；

17、所述输入总管路、推进剂主路以及输出总管路的管路通径尺寸均相同，且其尺寸为dn20mm～dn65mm；所述点火启动路和各推进剂分路的管路通径尺寸相同，且其管路通径尺寸为所述推进剂主路管路通径尺寸的50％～100％，其具体数值应符合以下条件：在点火启动或转级工况时，所述点火启动路和/或该工况对应的推进剂分路中推进剂最大流速不超过主工况时推进剂主路中推进剂流速的20％。

18、进一步地，为了不但可以实现对流量的精确控制，而且可以使下游推进剂的流动更加稳定，可靠性更好，并且可以防止发动机组件点火时，产品内火焰压力波动对上游推进剂管路压力产生影响，引发的推进剂流量大幅波动，最终影响点火试验结果，所述点火启动路节流式流量调节装置、主路节流式流量调节装置以及各分路节流式流量调节装置为汽蚀管或者串联设置的两级节流孔板；

19、定义所述串联设置的两级节流孔板中位于推进剂供应上游一侧的节流孔板为一级节流孔板，位于推进剂供应下游一侧的节流孔板为二级节流孔板；

20、实际选取的所述汽蚀管的喉部面积或者所述一级节流孔板的流通面积和二级节流孔板的流通面积应符合以下条件：依据实际选取的汽蚀管的喉部面积或者一级节流孔板的流通面积和二级节流孔板的流通面积反推得到的汽蚀管出口压力或者二级节流孔板出口压力，其与预设计的推进剂主路出口压力的差值，应小于等于预设计的推进剂主路出口压力的10％。

21、进一步地，选取所述汽蚀管时，所选取的汽蚀管的喉部面积以下式[1]计算得到的预设计的汽蚀管的喉部面积作为选取参考基准，式[1]为：

22、

23、式[1]中：a′汽为满足p′e汽<0.95p′c条件下，预设计的汽蚀管的喉部面积，其中p′e汽为预设计的汽蚀管出口压力，p′c为依据预设计的汽蚀管出口压力，预选取的汽蚀管临界汽蚀压力；q′汽为预设计的通过该汽蚀管的推进剂流量；c汽为汽蚀管流量系数，为已知量；ρ为推进剂密度；p′i汽为预设计的汽蚀管入口压力；

24、选取所述一级节流孔板时，所选取的一级节流孔板的流通面积以下式[2]计算得到的预设计的一级节流孔板的流通面积作为选取参考基准，式[2]为：

25、

26、式[2]中：a′1为预设计的一级节流孔板的流通面积；q′两为预设计的通过该串联设置的两级节流孔板的推进剂流量；c1为一级节流孔板流量系数，为已知量；p′i1为预设计的一级节流孔板入口压力；p′e1为预设计的一级节流孔板出口压力；

27、选取所述二级节流孔板时，所选取的二级节流孔板的流通面积以下式[3]计算得到的预设计的二级节流孔板的流通面积作为选取参考基准，式[3]为：

28、

29、式[3]中：a′2为预设计的二级节流孔板的流通面积；c2为二级节流孔板流量系数，为已知量；p′e两为预设计的二级节流孔板出口压力。

30、进一步地，供应的推进剂为液氧、液甲烷或煤油；

31、推进剂供应最大流量为20kg/s；

32、所述高压气体为氮气；推进剂供应压力为5mpa～30mpa；

33、所述发动机组件以火炬或火药作为点火器进行点火，且点火器点火时间为0s～3s。

34、同时，本发明还提供了一种用于发动机组件点火试验的挤压式推进剂供应方法，其特殊之处在于：基于上述用于发动机组件点火试验的挤压式推进剂供应系统，包括以下步骤：

35、步骤一：打开加注/排放隔离阀，向高压挤压式容器中加注推进剂，加注完成后，关闭加注/排放隔离阀；并将增压隔离阀和产品隔离阀处于初始关闭状态；

36、步骤二：打开容器隔离阀、主路隔离阀、各分路隔离阀以及放气阀，并使点火启动路处于通路状态，以使产品隔离阀上游管路中填充满推进剂；

37、步骤三：关闭主路隔离阀、各分路隔离阀以及放气阀；然后打开增压隔离阀，增压至试验所需压力；

38、步骤四：打开产品隔离阀以及与所述发动机组件连接的为发动机组件供应其它种类推进剂的其余推进剂供应管路上的产品出口阀，点火，以进行发动机组件点火启动试验；

39、步骤五：根据主工况试验时序要求，打开主路隔离阀，是否将点火启动路切换为断开状态，由所述挤压式推进剂供应系统设计时，预设计的通过主路节流式流量调节装置的推进剂流量数值决定，以实现由点火启动工况转为主工况，进行主工况条件下的发动机组件试验；

40、步骤六：根据第一次要工况试验时序要求，打开与所述第一次要工况对应的推进剂分路上的分路隔离阀；是否根据第一次要工况试验时序要求，关闭主路隔离阀，由执行完所述步骤五时点火启动路是否为通路状态，以及所述挤压式推进剂供应系统设计时，预设计的通过与第一次要工况对应的推进剂分路上分路节流式流量调节装置的推进剂流量数值决定，以实现由主工况转为第一次要工况，进行第一次要工况条件下的发动机组件试验；

41、依次类推，根据不同次要工况试验时序要求，打开与该次要工况对应的推进剂分路上的分路隔离阀，并关闭与上一次试验的次要工况对应的推进剂分路上的分路隔离阀，进行不同次要工况条件下的发动机组件试验，直至完成所有待完成的工况试验；

42、步骤七：关闭产品隔离阀，并根据试验台程序要求关闭要求关闭的阀门，工作结束。

43、进一步地，步骤五中所述是否将点火启动路切换为断开状态，由所述挤压式推进剂供应系统设计时，预设计的通过主路节流式流量调节装置的推进剂流量数值决定，具体为：

44、所述点火启动路上位于点火启动路节流式流量调节装置的推进剂供应下游位置设置有点火启动路隔离阀，且所述预设计的通过主路节流式流量调节装置的推进剂流量数值等于主工况的推进剂流量，则根据主工况试验时序要求，关闭点火启动路隔离阀，以将点火启动路切换为断开状态；

45、若所述预设计的通过主路节流式流量调节装置的推进剂流量数值等于主工况的推进剂流量减去预设计的通过点火启动路节流式流量调节装置的推进剂流量之后的差值，则使点火启动路继续保持处于通路状态。

46、进一步地，步骤六中所述是否根据第一次要工况试验时序要求，关闭主路隔离阀，由执行完所述步骤五时点火启动路是否为通路状态，以及所述挤压式推进剂供应系统设计时，预设计的通过与第一次要工况对应的推进剂分路上分路节流式流量调节装置的推进剂流量数值决定，具体为：

47、所述点火启动路上位于点火启动路节流式流量调节装置的推进剂供应下游位置设置有点火启动路隔离阀，且执行完所述步骤五时点火启动路隔离阀关闭，使点火启动路为断开状态，并且预设计的通过与第一次要工况对应的推进剂分路上分路节流式流量调节装置的推进剂流量数值等于第一次要工况的推进剂流量，则根据第一次要工况试验时序要求，关闭主路隔离阀；

48、所述点火启动路上位于点火启动路节流式流量调节装置的推进剂供应下游位置设置有点火启动路隔离阀，且执行完所述步骤五时点火启动路隔离阀关闭，使点火启动路为断开状态，并且预设计的通过与第一次要工况对应的推进剂分路上分路节流式流量调节装置的推进剂流量数值等于第一次要工况的推进剂流量减去主工况的推进剂流量的差值，则使主路隔离阀继续保持开启状态；

49、若执行完所述步骤五时点火启动路为通路状态，且预设计的通过与第一次要工况对应的推进剂分路上分路节流式流量调节装置的推进剂流量数值等于第一次要工况的推进剂流量减去通过点火启动路节流式流量调节装置的推进剂流量之后的差值，则根据第一次要工况试验时序要求，关闭主路隔离阀；

50、若执行完所述步骤五时点火启动路为通路状态，且预设计的通过与第一次要工况对应的推进剂分路上分路节流式流量调节装置的推进剂流量数值等于第一次要工况的推进剂流量减去主工况的推进剂流量的差值，则使主路隔离阀继续保持开启状态。

51、本发明的有益效果是：

52、(1)本发明的用于发动机组件点火试验的挤压式推进剂供应系统，为实现发动机组件的分级启动及转工况，设置启动及转工况管路；在启动及转工况管路中通过并联设置的点火启动路、推进剂主路以及n个推进剂分路，n≥1，分别进行点火启动工况、主工况以及多个次要工况条件下的发动机组件试验所需的推进剂供应；并且在并联设置的每个支路上分别设置有节流式流量调节装置，以实现对每种工况下推进剂流量的精确控制；同时，在推进剂主路、各推进剂分路上分别设置有隔离阀，可以时序单独控制对应支路的通断，以实现在不同工况转换时，为发动机组件供应与实际工况所需推进剂压力、流量相符的推进剂，这样可以避免采用单一推进剂供应管路对发动机组件试验进行推进剂供应时，因工况转换需要的推进剂流量不同，存在推进剂冲击，以致出现点火条件不可控，导致试验失败的问题；因此本发明解决了采用现有的高压挤压式推进剂供应系统模拟液体航天推进发动机实际工况所需的压力、流量时，发动机组件在点火启动工况以及转工况过程中，由于推进剂流动冲击而引起的点火条件不可控，有时会导致试验失败的技术问题。采用本发明的用于发动机组件点火试验的挤压式推进剂供应系统及方法为发动机组件试验供应推进剂，可使发动机组件获得稳定的启动及转工况点火，并获得发动机组件在启动及转级的工况特性，对发动机研制可以提供重要的试验数据支持。

53、(2)本发明优选地点火启动路节流式流量调节装置、主路节流式流量调节装置以及各分路节流式流量调节装置为汽蚀管或者串联设置的两级节流孔板，这样设置，与采用普通的流量调节阀相比，其不但可以实现对流量的精确控制，而且可以使下游推进剂的流动更加稳定，可靠性更好，并且可以防止发动机组件点火时，产品内火焰压力波动对上游推进剂管路压力产生影响，引发的推进剂流量大幅波动，最终影响点火试验结果。

54、(3)本发明优选地点火启动路隔离阀、主路隔离阀和各分路隔离阀均为由0.5mpa～5mpa操纵气控制的气动高压截止阀，且在相应的操纵气管路上分别设置有点火启动路操纵气孔板、主路操纵气孔板、分路操纵气孔板；这样设置，可以时序控制各并联支路的通断时间，进而发动机组件在点火启动工况、主工况及各次要工况转换时，能及时、精确地将推进剂供应管路切换到所供应的推进剂与实际工况需要的推进剂压力和流量相符的推进剂供应管路，为最终试验结果的可靠性和精确性提供保障。

55、(4)本发明的用于发动机组件点火试验的挤压式推进剂供应系统及方法，采用气动高压截止阀多路并联时序控制分级启动及节流式流量调节装置精确控制技术可以实现发动机高压组件在任意主工况下的可靠启动及任意工况的可靠转换，有效提高了发动机组件点火试验及相关研制的效率，可应用于低温液体航天推进发动机高压组件，包括发生器、推力室等的点火试验以及用于商业、民用的高压液体燃料点火器点火试验。