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新型运载火箭低温加注工艺流程及控制策略研究

杨宜禥;王军政

【摘要】运载火箭的不断更新换代,对科学的加注工艺提出了更高的要求.以某新型

火箭液氧低温加注系统为研究对象,依据低温推进剂的加注结构特点,设计了液氧低

温加注工艺流程及相应的控制策略,即以流量为控制目标的PID-DMC串级控制算

法.采用分层控制策略,科学合理地通过调节阀门开关控制储罐压力大小,最终达到控

制复杂加注系统的目的,并将其应用于某加注任务实践,取得了较好的效果,有效地提

高了加注系统的可靠性、安全性.研究结果对新型火箭加注及决策具有实际指导作

用.

【期刊名称】《上海航天》

【年(卷),期】2019(036)001

【总页数】6页(P128-133)

【关键词】低温加注;控制策略;可靠性;工艺流程

【作者】杨宜禥;王军政

【作者单位】空军工程大学防空反导学院,陕西西安710051;太原卫星发射中心,山

西忻州036303

【正文语种】中文

【中图分类】V554

0引言

加注系统是运载火箭地面发射支持系统的一个重要组成部分。其主要作用是在规定

的时间内，按动力系统总体要求向运载火箭贮箱加注推进剂，具有推进剂贮存、泄

回、转注和安全排放等功能。与常温推进剂加注系统相比，低温推进剂由于其自身

特性，在加注工艺流程上增加了管道预冷、自动补加、射前补加等步骤，相应的加

注系统结构更为复杂，对系统控制策略及可靠性也提出了更高的要求[1-3]。

1液氧低温加注系统

1.1系统结构

图1新型火箭液氧加注系统结构示意图Fig.1Schematicdiagramofstructure

ofliquidoxygeninjectionsystemofnewlaunchvehicle

新型运载火箭液氧低温加注要求在规定的发射程序中，按时、定量、保质地完成一、

二级液氧贮箱的预冷、加注、补加、射前补加，实现液氧和氧气的安全合理排放，

并完成加注系统远距离自动控制及参数监测等任务[4]。新型火箭液氧加注系统结

构如图1所示。系统主要由液氧罐、过冷器、调节阀、截止阀、真空绝热管路、

过滤器、流量计、加泄连接器组成。采用自增压挤压模式进行管路和贮箱预冷、大

流量加注、小流量补加以完成火箭的一、二级的加注，高扬程大流量液氧加注泵加

注作为辅助备用；通过调节阀开度调节的方式控制流量；基础加注量和补加量以贮

箱液位计为准，地面流量计作为参照，使用液氮对液氧进行过冷补加。

1.2加注工艺流程设计需求

考虑火箭加注需求[5]和加注系统实际结构，在液氧加注过程中，主要完成的工作

包括置换、预冷、大流量加注、自动补加、射前补加、排空加注管路、加注，以及

排气连接器脱落和泄回，设计相应的加注工艺流程，应满足如下需求：

1)精确预冷。预冷过程中，通过阀门控制增压液氧罐中液氧进入增压器，为其他

液氧罐增压，在增压过程中通过调节阀精确控制增压压力，然后按预冷程序控制液

路相关阀门及液氧排放塔上的蝶阀，对加注管路与排放管路进行预冷，预冷过程中

过冷器的壳层需在预冷前填充液氮，该过程必须保证精确完成，达到预冷目标。

2)流量控制。加注过程中，需要满足加注流量要求。通常大流量加注过程中的流

量调节和分配通过调节贮罐气枕压力实现；备份液氧泵的流量调节用过电机变频和

泵后调节阀开度实现；补加过程中的流量调节和分配通过调节贮罐气枕压力和调节

阀开度实现。

3)补加品质。当液氧贮箱液位低于要求值时，为确保贮箱内液氧品质，需要进行

补加。补加时应控制进入贮箱的液氧温度，即保证管路和流经管路的液氧温度均符

合要求，前者需要排放管路中的热氧(调节阀控制排放流量)，后者需对液氧进行过

冷。

4)流程优化。在完成规定任务的前提下，对加注工艺流程进行优化。流程中涉及

的管路、阀门越少越好，操作越简单越好，可靠性越高越好[6]。

2液氧低温加注工艺流程

新型运载火箭采用一、二级液氧并行加注方式。加注前，地面、箭上阀门均处于关

闭状态，一、二级贮箱内压力为0.04～0.05MPa。待管路预冷完毕，开启加注阀，

进行一、二级加注，达到预定液位后，停放待机并根据实时监测进行自动补加，发

射前再进行过冷补加。加注过程中，以箭上定量法确定加注量，用自动补加方式保

持储箱液面和温度状态；用射前补加方式保证起飞前火箭贮箱处于预定加满状态。

液氧加注简要工艺流程见表1。

在制定加注工艺流程时，对各工艺步骤阶段耗时进行预估计，并预留应急处置时间，

以确定