液体运载火箭模拟燃料增压加泄配气控制台

摘要

本发明是一种液体运载火箭模拟燃料增压加泄配气控制台；包括：配气管路系统；配气管路系统包括：气源(201)，主管路进气手阀(202)，主管路过滤器(203)，气源压力表(204)；A箱增压电磁阀(205)，A箱压力表(211)，A箱压力传感器(212)；A箱加注开枪电磁阀(209)，A箱加注枪(219)，B箱增压电磁阀(207)；其中，气源(201)输出增压气体，经过主管路进气手阀(202)、主管路过滤器(203)输出到主气路管路；在主气路管路上的通往A箱的气路支路上使用A箱增压电磁阀(205)进行气体通断的控制，连接A箱压力表(211)、A箱压力传感器(212)，检测通往A箱的气体压力。本发明可应用于大型捆绑式液体运载火箭的地面试验，包括：全箭振动特性试验、爆炸分离试验；以及火箭贮箱的增压、储存、运输等。

说明书

技术领域

本发明属于大型捆绑式液体运载火箭的地面试验装置，具体涉及一种液体 运载火箭模拟燃料增压加泄配气控制台。

背景技术

随着人类对空间探索的不断发展，为了满足各种类型的有效载荷天地往返 运输的需求，需要研究设计不同功能、运载能力的飞行器。液体运载火箭作为 目前主要的天地运载飞行器之一，在设计研发的初期需要进行各式各样的地面 试验以保证其高度的可靠性，例如：全箭振动特性试验、爆炸分离试验、地面 转场运输等等。为了满足地面试验时火箭质量特性与飞行秒状态一致，并考虑 到试验全过程的安全性，火箭贮箱需要加注模拟燃料(通常为蒸馏水，或一定 浓度的尿素、硝酸钙溶液等)并进行增压配气操作。在地面试验的加注/排泄过 程中，经常遇到的一个问题是：如何精确的监测和控制火箭贮箱内模拟燃料的 加注/排泄量以及贮箱实时压力值，并及时进行相应的阀门闭合操作，保证箭体 的安全。

通过查阅相关文献资料，发现国内外没有相关专利产品用于解决液体火箭 增压加注/排泄的精确监控问题。目前我们采用的传统方法为：每个贮箱监测表 头分别设置人员对加注量和压力值进行监视，并采用通讯系统对各个阀门的操 作员下达操作指令。

随着飞行器运载能力的提升，液体火箭越来越多的出现对称捆绑助推的结 构形式；根据试验需求，为了防止箭体在加注/排泄过程中倾倒，捆绑式火箭在 模拟液加泄时需要对称同时进行以保证箭体在操作过程中的平衡。面对多贮箱 对称加注/排泄任务时，现有的监测及操作方法需要配备多名工作人员，而岗位 人员过多容易导致通讯系统混乱，操作指令无法正确及时的下达。因此，传统 的箭体贮箱模拟燃料加泄量以及压力值监测控制方法存在一定的不足。

发明内容

本发明的目的是设计一套用于液体火箭模拟燃料增压加注/排泄的控制台， 满足大型捆绑式火箭的对称加注/排泄任务，能够精确监测和控制模拟燃料加注 /排泄量，改善了以往加注过程繁复的操作程序，具备友好的人机操作界面，为 大型液体运载火箭地面试验提供保障。

本发明的技术方案是：

一种液体运载火箭模拟燃料增压加泄配气控制台，可为对称捆绑式火箭A 箱，B箱同时提供气体；其中，包括：配气管路系统；

配气管路系统包括：气源，主管路进气手阀，主管路过滤器，气源压力表， A箱增压电磁阀，A箱压力表，A箱压力传感器；A箱加注开枪电磁阀，A箱加 注枪，B箱增压电磁阀，B箱压力表，B箱压力传感器，B箱加注开枪电磁阀， B箱加注枪；

其中，气源输出增压气体，经过主管路进气手阀、主管路过滤器输出到主 气路管路；

在主气路管路上的通往A箱的气路支路上使用A箱增压电磁阀进行气体通 断的控制，并且，连接A箱压力表、A箱压力传感器，对通往A箱的气体压力 进行检测；此外，使用A箱加注开枪电磁阀控制A箱加注枪；

在主气路管路上的通往B箱的气路支路上使用B箱增压电磁阀进行气体通 断的控制，并且，连接B箱压力表、B箱压力传感器，对通往B箱的气体压力 进行检测；此外，使用B箱加注开枪电磁阀控制B箱加注枪。

如上所述的一种液体运载火箭模拟燃料增压加泄配气控制台，其中，还包 括：液路辅助系统、可编程序电控系统；

液路辅助系统辅助包括加注枪供气接口和流量计插座接口，其中，设置两 套电磁流量计接口插座为对称加注时使用；

可编程序电控系统包括命令执行器和人机交互操作器两部分；命令执行器 的主要硬件部分可以分为开关量输入、模拟量输入以及开关量输出三个模块； 人机交互操作器采用的是电容式触屏显示面板，内部集成可编程序控制器。

如上所述的一种液体运载火箭模拟燃料增压加泄配气控制台，其中，所述 配气管路系统还包括：B箱安溢电磁阀，A箱安溢电磁阀，A箱附压力表，B箱 附压力表，A贮箱七管连接器，B贮箱七管连接器；

其中，在从A箱的气路支路返回到主气路管理的路径上，设置A箱安溢电 磁阀，在从A箱的气路支路返回到主气路管理的路径上，设置B箱安溢电磁阀； 对于A箱设置为A箱附压力表，对于B箱设置为B箱附压力表；所述液体运载 火箭模拟燃料增压加泄配气控制台与火箭A箱和B箱之间，分别使用A贮箱七 管连接器、B贮箱七管连接器进行转接。

本发明可应用于大型捆绑式液体运载火箭的地面试验，包括：全箭振动特 性试验、爆炸分离试验；以及火箭贮箱的增压、储存、运输等。

本发明设计的增压加泄配气控制台能适用于新型捆绑式液体运载火箭的加 注、排泄工作，满足同时监测和控制多个火箭贮箱内模拟燃料的加注量以及贮 箱实时压力值的需求。该设备流速监测精度达0.001m³/min，流量监测精度达 0.01m³，贮箱压力测量精度为0.005Mpa。

该控制台已成功使用于某型号全箭振动特性试验的加注过程中，并与箭上 液位传感器的测试结果进行比对验证，试验要求、操作过程和实际使用效果如 下：

试验要求：

(1)试验共有四个贮箱，其加注量分别为：24.88立方米，5.81立方米，48.76 立方米和11.00立方米；

(2)加注流速采用慢-快-慢的方式，即加注初期为低速，中间可以适当提 高流速，接近预设定加注量时减小阀门采用慢速；

(3)加注采用增压加注，加注过程由下箱体至上箱体依次进行，以避免贮 箱发生失稳现象；

(4)箭上每个贮箱均设置液位传感器，用于比对控制台监测精确度；

(5)具备相关安全防护措施，以防止在加注过程中箭体重心改变发生倾斜 而对产品造成磕碰损害。

使用效果：

本次试验各岗位操作人员3名，试验顺利完成；获取了有效数据，结果证 明试验过程中满足加注总量的误差小于2％，使用该控制台能精确高效的实现对 液体运载火箭模拟燃料增压加注/排泄过程的自动化作业。表1为此次加注过程 试验记录数据。

表1控制台使用验证结果

附图说明

图1是本发明所述液体运载火箭模拟燃料增压加泄配气控制台外型示意图；

(a)为立体图；(b)为左视图；

图2是电磁流量计插座接口排线图；

图3是配气管路系统组成图；

图4是开关量输入模块排线图；

图5是模拟量输入模块排线图；

图6是开关量输出模块排线图；

图7是试验系统组成图。

图1中，101为电容式触屏显示面板、102为压力表盘显示面板、103为供 气接口、104为控制台手动指令开关、105为电源和急停开关、106为可移动滚 轮底座、107为主管路进气手阀、108为控制台面；

图3中201为气源，202为主管路进气手阀，203为主管路过滤器，204为 气源压力表，205为A箱增压电磁阀，206为A箱安溢电磁阀，207为B箱增压 电磁阀，208为B箱安溢电磁阀，209为A箱加注开枪电磁阀，210为B箱加注 开枪电磁阀，211为A箱压力表，212为A箱压力传感器；

图7中301为火箭箭体、302为加注枪、303为电磁流量计、304为气控球 阀、305为手动球阀、306为水泵、307为储液池、308为七管连接器、309为增 压加泄配气控制台、310为气源、311为增压气路、312为安溢气路、313为开 枪气路、314为开阀气路、315为气源气路、316为液路管路。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步描述。

本发明设计了一套增压加泄配气控制台，用于解决液体运载火箭地面试验 模拟燃料增压加注/排泄的精确监测和控制问题，并能够实现多贮箱对称加注任 务。该控制台主要由触控显示屏、手动操作按钮、监测压力表、管路接口以及 控制台体等部分组成；集合了增压加注/排泄过程中用到的液路、气路和电控三 路系统。

增压加泄配气控制台设计了多种安全保护措施，以确保液体运载火箭地面 试验加注/排泄工作的安全性和可靠性。在硬件方面采用了电源自校验、声光报 警措施、紧急停机装置、贮箱压力双表监测等；软件方面设计了初始化参数逻 辑判断、贮箱压力误差剔除、贮箱压力极限保护、对称加注自动平衡和加注到 位自动停机等措施，最大限度的实现了火箭模拟燃料增压加注/排泄的自动化作 业。

液体运载火箭模拟燃料增压加泄配气控制台，结构外型如图1所示，图中 101为电容式触屏显示面板、102为压力表盘显示面板、103为供气接口、104 为控制台手动指令开关、105为电源和急停开关、106为可移动滚轮底座、107 为主管路进气手阀、108为控制台面。

控制台按系统功能主要分为液路辅助系统、配气管路系统和可编程序电控 系统。液路辅助系统的主要功能为辅助箭上加注设备完成开关阀操作，并对加 注流速、流量进行测量。控制台上主要包括加注枪供气接口和流量计插座接口 两部分。由于目前箭上通用加注设备(加注枪)采用的是气动锁紧、开枪、脱 落，因此在控制台体侧面特别设计了加注枪供气接口。模拟液加注量是整个加 注/排泄过程中需重点监测的物理量之一，在控制台体背面设计了两套电磁流量 计接口插座，以便对称加注时同时获取两路液路的流速和流量数据。在图2中 给出了电磁流量计插座接口排线图，图中XD1和XD2分别为对称加注时A、B 两路液路使用的电磁流量计台体端接口；SA1和SA2分别为A、B两路使用的 电磁流量计；YC7和YC8分别为A、B两路使用的开阀电磁阀。

配气管路系统是该控制台的主体部分，负责在加注/排泄过程中为贮箱箱体 增压、安全溢出等操作以及液路辅助系统提供高压气体，并具备火箭贮箱箱压 监测功能。该系统包括了主管路进气手阀、主管路过滤器、压力表、压力传感 器和各分支管路电磁阀等。

所述的主管路进气手阀设置在控制台体正面，用于手动断连供气源；所述 的主管路过滤器采用双重过滤装置以满足气源洁净度要求；所述的压力表共有 五块，分别用于测量气源压力、A贮箱压力、A贮箱附压、B贮箱压力和B贮 箱附压，压力表精度等级为0.4，位于控制台面左上角；所述压力传感器共有两 只，分别用于测量A贮箱压力和B贮箱压力，采集获得箱压数据以模拟信号传 递给电控系统用于自动控制电磁气阀开关，压力传感器精度等级为0.2；所述电 磁气阀共六只，用于接收各分支气路阀门的开关指令。

图3为配气管路系统组成图，在图中201为气源，202为主管路进气手阀， 203为主管路过滤器，204为气源压力表，205为A箱增压电磁阀，206为A箱 安溢电磁阀，207为B箱增压电磁阀，208为B箱安溢电磁阀，209为A箱加注 开枪电磁阀，210为B箱加注开枪电磁阀，211为A箱压力表，212为A箱压力 传感器。

213为A箱附压力表，214为B箱压力表，215为B箱压力传感器，216为 B箱附压力表，217为A贮箱七管连接器，218为B贮箱七管连接器，219为A 箱加注枪，220为B箱加注枪。

在主气路管路上的通往A箱的气路支路上使用A箱增压电磁阀205进行气 体通断的控制，并且，连接A箱压力表211、A箱压力传感器212，对通往A 箱的气体压力进行检测；此外，使用A箱加注开枪电磁阀209控制A箱加注枪 219；

在主气路管路上的通往B箱的气路支路上使用B箱增压电磁阀207进行气 体通断的控制，并且，连接B箱压力表214、B箱压力传感器215，对通往B 箱的气体压力进行检测；此外，使用B箱加注开枪电磁阀210控制B箱加注枪 220。

在从A箱的气路支路返回到主气路管理的路径上，设置A箱安溢电磁阀 206，在从A箱的气路支路返回到主气路管理的路径上，设置B箱安溢电磁阀 208；对于A箱设置213为A箱附压力表，对于B箱设置216为B箱附压力表， 进行备份测量；所述液体运载火箭模拟燃料增压加泄配气控制台与火箭A箱和 B箱之间，分别使用A贮箱七管连接器217、B贮箱七管连接器218进行转接。

可编程序电控系统是该控制台实现对气液两路系统操控的主要工作部分， 主要包括命令执行器和人机交互操作器两部分。

命令执行器的主要硬件部分可以分为开关量输入、模拟量输入以及开关量 输出三个模块。

开关量输入模块如图4所示，SA1和SA2为对称加注时A、B两路使用的 电磁流量计，分别连于I0.1和I0.2接口用于接收脉冲信号并进行计数，从而获 取总加注量；SH2至SH9分别为A、B两路开枪、开阀、增压和安溢开关；SH10 为急停开关，系统自动或手动运行过程中，在任何情况下均可使用该按钮，使 系统停止一切输出，用于停机操作，包括正常停机或异常紧急停机。

模拟量输入模块如图5所示，其主要用于接收电磁流量计和贮箱压力传感 器的模拟输入信号，模拟信号均为0～20mA的电流信号。SA3和SA4分别为A、 B贮箱压力测试传感器。

开关量输出模块如图6所示，当手动发出或电控系统发出阀门关闭指令时， 由该模块传递开关信号至相应的电磁阀门和信号指示灯。YC1至YC6分别为控 制A、B两路开枪、增压和安溢气路的电磁阀门；YC7和YC8分别为A、B两 路使用的开阀电磁阀；SH2至SH9为各路阀门信号指示灯；Q1.0和Q1.1接口 于电磁流量计相应接口连接，用于触发流量计脉冲累计清零信号；B1为蜂鸣器， 当贮箱压力超过设定压力上下限、加注量接近设定量时，将触发蜂鸣警报。

人机交互操作器采用的是电容式触屏显示面板，内部集成了可编程序控制 器，由操作人员将编制好软件程序写入控制器。该软件具备以下几点设计：

1、初始化参数设定逻辑判断：在系统初始化设定后，系统将进行逻辑判断， 分析输入数据的合理性(这种判断只限于逻辑分析，数据输入的正确性必须由 操作人员仔细操作、认真核对来保证)。

2、贮箱压力模拟信号输入误差剔除设计：系统在读入压力模拟量信号时， 采用连续读取三组数据，将三组数据比较，取中值的方法来剔除瞬间干扰。

3、贮箱压力极限保护设计：当系统参数设定后，系统将设定压力控制的内 定上、下限指标。当压力控制不佳，达到内定极限指标时，系统停止加注/排泄， 调整贮箱压力，直到压力正常时，自动开始继续加注/排泄。

4、对称加注不平衡保护设计：在对称加注时，如两贮箱加注/排泄速度不同， 在一定时间后两贮箱的累计加注量会越差越大，当达到500L时系统将自动停止 加注较快的一路，直到较慢一路追上后，两路再次同时加注。这一控制过程保 证了产品在加注过程中不会有严重的倾斜发生。

5、加注到位自动停机设计：该系统设置了加注到位自动停机功能，对称加 注时，以谁先到谁先停为原则。

运载火箭模拟燃料加注过程的操作步骤为：1、加注设备及工具准备；2、 各路系统阀门及传感器测试；3、接通液路、气路和电源；4、在触屏显示面板 设定加注量、贮箱压力值，选择手动或自动操作；5、按下相关按钮，加注过程 开始；6、蜂鸣器响起，增压加注/排泄过程即将结束，若选择自动操作应予以监 控，若为手动操作，准备按下相关按钮；7、记录相关数据及结论；8、加注/排 泄结束，各管路与箭体端断开。本发明的增压配气控制台具体使用方法如下：

(1)准备工作

a.设备准备：将控制台、液路管路、气管、工具等加注时须使用的设备 运至加注作业地点；

b.液路接通：加连接加注储液池至加注枪之间的管路系统，包括气控球 阀、直管段管路、流量计等；

c.气路接通：连接气源至控制台，控制台至七管连接器、加注枪、气控 球阀的全部软管，并安装七管连接器、加注枪至箭体贮箱；

d.电路接通：连接电源线、流量计信号电缆、合上空气开关，用钥匙打 开控制台电源开关，系统检测正常则可以继续工作。

(2)控制台触摸屏操作

a.系统级参数设定：通过输入预设密码进入系统参数设定界面，该界面 下设置的参数主要包括流量计类型选择、流量计量程选择、仪表常数选择和压 力传感器量程设定；

b.加注/排泄控制参数设定：进入该界面后可以通过点选通道A、B来确 定是否对称加注，确定通道后分别设定每个加注通道的加注量、贮箱压力，通 过点选手动/自动按钮确定手动或自动操作；

c.密码更改：在控制参数界面按下左下角的“钥匙”按钮，可以弹出新 密码的设定窗口，必须输入两遍完全相同的六位数字，新密码生效；

d.加注/排泄过程监控：完成各个参数设定后，进入监控界面；监控参 数主要包括贮箱压力、加注流速、加注总量和剩余加注量；

(3)控制台主令开关操作

a.电源和急停开关：电源采用带钥匙开关设计，急停开关供应急和正常 关闭阀门使用；

b.气路阀门开关：各阀门开关共8个，分别控制A、B两路对称加注用 到的开枪、开阀、增压和安溢气路；

c.蜂鸣器：按下此按钮停止蜂鸣提示；

(4)加注工作完成

a.加注结论记录：加注/排泄过程完成，应立即记录相关结论，包括：加 注/排泄量；加注误差；加注前贮箱压力；加注后贮箱压力；以及加注完成时间 等数据；

b.管路内液体的泄回：加注任务完成后，应打开/关闭液路系统中相关 的阀门，使使系统管路泄压并将模拟溶液泄回储液池；

结束工作：加注任务结束后应关闭塔内气源管路的手动阀门，拆卸箭体端 加注枪和七管连接器，拆液路管路系统，关闭总电源开关，拆卸与控制台连接 的全部气路管路和电缆，将控制台运至适当的存放地。

上面对本发明的实施例作了详细说明，上述实施方式仅为本发明的最优实 施例，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识 范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。