浅析火箭发动机壳体衬层固化的温度控制系统论文
浅析火箭发动机壳体衬层固化的温度控制系统论文
火箭发动机是喷气发动机的一种，将推进剂贮箱或运载工具内的反应物(推进剂)变成高速射流，由于牛顿第三运动定律而产生推力。火箭发动机可用于航天器推进，也可用于导弹等在大气层内飞行。大部分火箭发动机都是内燃机，也有非燃烧形式的发动机。大部分发动机靠排出高温高速燃气来获得推力，固体或液体推进剂(由氧化剂和燃料组成)在燃烧室中高压(10-200 bar)燃烧产生燃气。以下是学习啦小编今天为大家精心准备的：浅析火箭发动机壳体衬层固化的温度控制系统相关论文。内容仅供参考，欢迎阅读!
浅析火箭发动机壳体衬层固化的温度控制系统全文如下：
【摘要】：衬层介于火箭发动机推进剂与壳体之间,是由一层黏弹性物质经固化后形成的,起界面粘接作用。在固化的过程中温度对衬层性能的影响较为关键。针对加热时温度的均匀性、加热速率控制的准确性以及固化设备结构复杂性等问题,提出了旋转固化热风循环的加热方式,设计了以PLC为基础的火箭发动机壳体衬层固化温度控制系统,并编制了控制流程与程序。
【关键词】： 衬层 旋转固化 PLC 火箭发动机壳体
引言
火箭发动机壳体衬层初始状态是一种高黏度流体，固化后将推进剂牢固地粘接到绝热层或发动机壳体上，其主要功能是粘接和缓冲应力，兼有隔热和限燃的作用。固化过程中要求温度控制准确、加热均匀。目前常用的烘干设备有两种：一种是蒸汽或电加热的烘箱，该加热器一般采用镍铬丝电阻器件，并将加热器设置于烘箱的底部，这种结构的烘箱温度在竖直方向上呈梯度分布，极不均匀;另一种是将风机安装在烘箱的侧壁上，通过风机工作将外部热源的热量通入到箱体内，以此来烘干箱体内的物品，所以加热温度比较均匀，但并未采用循环风，会造成热能的浪费且烘干室内温度不稳定。
面对大体积火箭发动机壳体衬层固化的复杂性及对温度控制要求较高等问题，综合热风循环、间接加热方式及旋转固化的优点，提出了将旋转固化技术与热风循环相结合的新型加热方式。即将烘干设备设计成热风循环系统，通过风机将加热箱内的热风吹到烘干箱体内，经热交换后再将烘干箱体内的气体送回到加热箱内，同时对火箭壳体进行旋转，以达到均匀加热的目的。考虑衬层固化过程中对温度控制的复杂性，采用高精度的温度传感器实时监测加热温度，运用PLC对火箭发动机壳体衬层旋转固化的热风循环控制系统进行设计，实现对固化设备的远程自动控制。
1 衬层旋转固化设备的加热原理及结构设计
涂层材料喷涂于火箭发动机壳体完毕后，在较低的转速下实施烘干以达到涂层材料与热风接触均匀的目的。空气作为热量载体在加热室中受热后经送风管道送入烘干室，然后与衬层材料接触产生对流热交换。通过对流换热的方式将热量传递给工件涂层，使涂层材料固化形成衬层。完成对流热交换的空气经过带有风机的回风管路送回到加热室内再次进行加热，形成循环回路，为烘干室提供了稳定的加热环境。整个热风输送采用下送上回方式进行循环，即送风管设置在烘干室底部工件的下部，回风管设置在烘干室上部空余空间，由于热空气上升冷空气下降，涂层上下温度分布比较均匀且整体的温度恒定。
衬层固化的热循环系统主要由空气加热室、输风管路和烘干室组成。烘干室是整个设备的关键部件，主要用于大尺寸的两组火箭壳体涂层固化。烘干室室体的主要作用是将室内环境与室外环境隔绝，防止烘干室内的热量向外界流失且具有一定的承载能力。烘干室内部设立两组支座，要求支座具有旋转工件功能且速度可控;室体采用矩形框架基本形式，即由框架和护壁构成箱式封闭空间结构。
箱体框架骨架采用12#方管，内外壁采用A3碳钢冷扎板，在内、外壁之间填充100mm厚酚醛保温板。加热室用来加热烘干室内的循环空气，使进入烘干室的混合气体保持在一定的工作温度范围内。热源选用金属管式加热器，加热器交错均布于循环风机前的回风段内室体侧壁上。加热室框架采用矩形框架基本形式，内、外壁均采用3mm 厚的A3碳钢冷扎板，保温材料选150mm 厚的酚醛保温板。输风管路均采用SUS430不锈钢无缝钢管，管路采用保温措施，空气动力装置选用耐高温的DZ500调速离心风机。
2 衬层旋转固化设备控制系统的硬件设计
火箭发动机壳体衬层旋转固化设备的烘干系统采用上、下位机进行控制。控制量主要有开关输出量和模拟输入量两类。计算机编制好控制程序后通过通讯接口RS-485传输到PLC 中，PLC执行程序运行输出数字控制信号后通过D/A输出模拟信号，模拟信号通过变频调速器改变电流、电压，最后实现对执行元件的即时控制;
同时温度传感器和风速传感器将采集的信号通过变送器后放大，放大的信号经过A/D 转换器后变成数字信号反馈给PLC，PLC程序作出判断并进行下一个程序循环。由于温度控制的复杂性，PLC选用三菱的FX2N-32MR作为基本控制单元，PC与PLC之间采用RS-458进行通讯。对温度和风速信号采集分别采用一体化温度传感器SBWZ-2480/44si 和一体化风速传感器AV 104H-2-10-10-T-30-1，显示仪表采用单输入通道数字式智能仪表XST/A-H3VTT0A2B5S0V0。控制柜与现场执行元件通过控制电缆连接以实现远程控制。
3 衬层旋转固化设备控制系统的软件设计
3.1 控制系统的程序设计
衬层旋转固化设备的加热保温系统控制较复杂，本文运用模块化设计思想，采用“化整为零”的方法，将控制程序分为公用程序、手动程序及自动程序3部分。
分别编出这些程序后，再“积零为整”，用子程序调用指令调用手动程序和自动程序。系统运行时首先执行公用程序，当选择手动工作方式时(X020接通)跳至手动程序执行，当选择自动工作方式时(X021或X022接通)跳至自动程序执行，系统实行自动控制并完成操作。
3.2 温度控制系统的控制流程
程序初始化后，火箭发动机壳体开始旋转并启动风机，利用风速传感器对烘箱内风速信号进行采集，通过对风速信号分析进行PID运算，判断出风机是否正常工作。若风机不正常工作，重新进行调试，再次启动风机。待风机能够正常工作后，启动常开组电加热管进行加热，采用温度传感器对各测量点进行数据采集，经温度PID运算，控制调节电加热管以实现对温度的调节。涂层完全固化后关闭常开组电加热管，关闭风机，待烘干室降到一定温度时，开启烘干室换装下一组壳体，关闭烘干室门，进行下一个循环。
4 结语
通过对衬层旋转固化的加热与保温控制系统的研究，提出了旋转固化热风循环的加热方式，选择了以PLC为基础的控制系统，并完成了对控制系统的硬件设计以及程序编制。采用上位机控制系统实现了自动化和远程控制的设计理念，使操作系统更智能化、人性化。