火箭發動機試驗貯箱變箱壓控制系統設計

摘 要：可重復使用液氧液甲烷火箭發動機在研制試驗階段，為了研究發動機在不同混合比、不同推力狀態下的工作性能，需要在點火試驗過程中實現推進劑貯箱的變增壓，調節發動機入口的推進劑壓力和流量，改變混合比從而控制發動機的推力。采用國產臺達可編程邏輯控制器，設計貯箱變箱壓控制系統，采用WPLSoft開發軟件編寫PLC控制程序，根據壓力變送器獲取箱壓反饋值P_x與箱壓設定值P_set比較，通過誤差帶控制算法控制主增電磁閥和補增電磁閥開啟關閉，維持貯箱壓力穩定在設定值。通過觸摸屏輸入多個箱壓設定值，不同試驗階段箱壓設定值亦不同，貯箱壓力跳轉并穩定在新設定的箱壓值，實現貯箱的變箱壓控制。

關鍵詞：液氧甲烷；火箭發動機；變箱壓控制；試車臺；臺達PLC

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

為了實現運載火箭的回收再利用，研究一款高性能、可變推力、重復使用的火箭發動機就顯得非常重要。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焦現象，使得維修保養極為方便。發動機回收后經過簡單的處理后即可再次使用，因此液氧甲烷發動機在可重復使用火箭應用中具有很強的競爭力，是未來航天動力發展的重要方向^[9]。

在變推力液氧甲烷發動機研制試驗階段，需要解決液體推進劑變流量調節技術問題。當氣蝕管選定時，通過調節貯箱壓力進而改變氣蝕管入口壓力，可達到調節液體推進劑流量的目的。因此設計貯箱變箱壓控制系統，對于變推力發動機地面試驗非常有必要。

1 系統原理與組成

以發動機試車臺液甲烷貯箱增壓系統為基礎，設計貯箱變箱壓控制系統。該系統由貯箱及工藝管路系統、可編程邏輯控制器、工控機、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

101 所三工位試驗臺液甲烷貯箱及工藝管路系統包括液甲烷貯箱、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。增壓氣源介質為常溫氮氣，從高壓氣瓶場經減壓器減壓至15 MPa，流經增壓電磁閥和增壓孔板給貯箱進行增壓。貯箱上方安裝三路電磁閥，分別為主增電磁閥、補增電磁閥和放氣電磁閥，簡稱為主增閥、補增閥和放氣閥。其中主增閥和補增閥連接增壓氣源，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23 MPa，是一款可靠性很高的二位五通先導式電磁閥。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，執行控制算法，采集箱壓變送器輸出模擬量并轉換成箱壓反饋值，根據變箱壓控制算法進行邏輯運算并輸出，從而控制電磁閥開關。選用國產臺達可編程邏輯控制器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 內處理完成。如圖2 所示，該型可編程邏輯控制器內置一組RS232、兩組RS485 通訊端口，兼容MODBUS ASCII/RTU 通訊協議，且均支持Master 功能。具備16 路數字量輸入通道，10 路數字量輸出通道，3 路模擬量輸入通道，滿足系統設計需求。

圖2 臺達可編程邏輯控制器DVP30EX2

1.3 工控機

選用西門子工控機IPC547C， 用來記錄箱壓數據、編寫HMI 組態程序和PLC 控制程序并完成下載。IPC547C 配備有具有強大功能的節能型Intel Core?2 Quad / Duo 64 位處理器，內存容量達8 GB，串行ATA硬盤容量達500 GB。它的7 個擴展槽采用了PCI/PCIExpress技術，可插入功能強大的擴展板卡。IPC547C在熱插拔可拆卸機架中，最多可采用3 個RAID5 海量存儲單元，它們具有優化的內存空間，可保證數據安全性和高性能；利用前端的溫度和風扇LED，可進行全面的診斷和監視；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接口，因此可獲得高數據傳輸速率和冗余度；全金屬外殼，具有高電磁兼容性；由于采用了風扇控制的加壓冷卻，增強了防塵保護，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置接口具有機械連鎖。

1.4 壓力變送器

壓力變送器安裝在貯箱上方，用來監測貯箱壓力。根據箱壓的變化規律，變送器實時輸出4~20 mA 電流信號。電流信號經傳輸電纜傳送給PLC 模擬量輸入端，在PLC 程序中通過公式計算轉換成貯箱壓力反饋值（真實值）P_x。本系統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壓電源供電，供電電壓18~30 V。

1.5 觸摸屏

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

1.6 供電電源

為了防止控制系統運行過程中突然斷電，影響試驗進行，本系統采用UPS 交流凈化電源給工控機、顯示器、直流穩壓穩流電源及PLC 等設備供電提供220 V 交流電。UPS 使用美國APC 公司的交流凈化電源UPS-5000，設備運行可靠，輸出穩定，電池容量大，一旦市電切斷，UPS機箱自帶的電池可以持續工作20 min 以上。直流電源使用北京大華無線電儀器公司的DH1766-2 直流穩壓穩流電源，提供24 V 直流電。

2 系統程序設計

2.1 PLC控制程序

采用臺達DVP30EX2 PLC 作為貯箱變箱壓控制系統的控制中心，利用WPLSoft 開發軟件設計編寫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準電流信號，通過公式轉換成過程量，即箱壓反饋值P_x，并與箱壓設定值P_set 進行比較，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。當箱壓滿足P_x<P_set- 0.05 時，主增閥和補增閥同時打開，貯箱快速增壓；當箱壓滿足P_set-0.05 ≤ P_x< P_set+0.02 時，主增閥關閉，補增閥打開，貯箱繼續平穩增壓；當箱壓反饋值Px 比設定值高0.02 MPa，即P_x ≥ P_set+0.02 時，主增閥和補增閥同時關閉，貯箱保持穩壓狀態；當箱壓反饋值大于15 MPa，打開放氣閥，保護箱壓。通過該誤差帶算法，可以實現箱壓穩定在設定值。

為了實現不同階段貯箱壓力P_x 穩定在不同的設定值，即貯箱變增壓，程序中須定義多個P_set，本系統設計可實現3 個階段穩壓控制，因此箱壓設定值可記為P_seti（i = 1,2,3），每個設定值對應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行程序，當t = t₁ 時，貯箱穩壓在P_set1；當t = t₂ 時，貯箱穩壓在P_set2；當t = t₃ 時，貯箱穩壓在P_set3；當t = T_e 時，貯箱增壓程序結束。PLC 控制程序流程如圖3 所示。

2.2 觸摸屏組態程序

在進行發動機變推力試驗研究時，通常會設定不同的試驗工況，不同工況對箱壓提出不同的要求，并且根據試驗結果可能隨時調整變箱壓程序的箱壓設定值。為了提高試驗效率，避免修改PLC 程序出錯，在PLC 控制程序編程時，箱壓設定值參數不賦值，而是通過觸摸屏文本輸入，給貯箱箱壓設定值參數進行賦值。通過觸摸屏可以隨時修改參數并即時刷新CPU，不需要修改PLC 程序再次下載。

昆侖通態TPC1071Gt 觸摸屏，自帶臺達PLC 通信驅動，可以通過RS485 協議跟臺達PLC 進行快速連接通信。設計觸摸屏操作界面如圖4 所示。

3 試驗驗證與分析

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

圖4 觸摸屏組態操作界面圖

圖4 系統調試結果

將增壓氮氣壓力調到16 MPa，電源設備供電，檢查程序下載是否正常，試驗準備工作完畢，按下程序啟停按鈕程序執行并記錄數據。程序執行到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。根據試驗數據分析可知，程序執行4 s 后貯箱壓力上升，如圖4 所示。箱壓達到1.6 MPa 后，主增閥和補增閥根據誤差帶算法開關，使箱壓逐漸穩定在1.5 MPa，此時增壓帶波動頻率較高。30 s 時貯箱開始持續增壓，直至2 MPa 并穩定箱壓，增壓帶波動頻率降低。44 s 時貯箱繼續增壓，至2.5 MPa 并穩定箱壓，增壓帶波動頻率進一步降低。

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

4 結束語

針對某號液體火箭發動機地面試驗提出的液甲烷貯箱變箱壓增壓技術要求，設計了液甲烷貯箱變箱壓控制系統，采用國產臺達可編程邏輯控制器作為控制中心，采用WPLSoft 開發軟件編寫PLC 控制程序，根據壓力變送器輸出獲取箱壓反饋值P_x，并與箱壓設定值P_set 比較，通過設定的誤差帶算法控制主增電磁閥和補增電磁閥開啟關閉，維持貯箱壓力穩定在箱壓設定值。通過觸摸屏設定變箱壓參數，PLC 程序按照順序執行程序變更箱壓設定值，使貯箱壓力在不同階段穩定在不同的設定值，實現了貯箱的變箱壓控制。

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（本文來源于《電子產品世界》雜志2023年4月期）