張志廣 杜正剛 劉 茉

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所 北京 100076)

液體火箭冷氦增壓系統(tǒng)低溫試驗(yàn)研究

張志廣 杜正剛 劉 茉

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所 北京 100076)

為研究液體火箭低溫氦增壓系統(tǒng)中電磁閥與孔板組合方式的增壓性能和優(yōu)化孔板的設(shè)計(jì)，開展了使用液氫溫區(qū)的氦氣作為增壓介質(zhì)的冷氦增壓系統(tǒng)試驗(yàn)，并通過排放液氧模擬火箭貯箱內(nèi)液氧的消耗。通過分析試驗(yàn)過程中增壓氦氣流量和貯箱壓力的情況，獲得了該增壓方式對(duì)貯箱的增壓性能。試驗(yàn)結(jié)果表明電磁閥與孔板組合能將貯箱壓力維持在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，是一種簡(jiǎn)單、可行的液體火箭液氧貯箱增壓方案。

液體火箭 低溫氦氣 增壓 試驗(yàn)

1 引言

低溫火箭冷氦增壓技術(shù)是通過將高壓氦氣儲(chǔ)存在液氫溫區(qū)氣瓶?jī)?nèi)，利用氦氣分子量小、高壓低溫下氦氣密度大和與液氧介質(zhì)換熱量小等特點(diǎn)對(duì)液氧貯箱增壓，使液氧貯箱壓力維持在一定范圍，從而保證發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵的入口壓力要求。冷氦增壓系統(tǒng)是大型液體火箭的重要組成部分，也是液體火箭的關(guān)鍵技術(shù)之一，各國(guó)大型液體運(yùn)載火箭上廣泛應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)。例如中國(guó)某型號(hào)運(yùn)載火箭采用的是利用發(fā)動(dòng)機(jī)換熱器對(duì)低溫氦氣加溫增壓的技術(shù)方案［1］，日本H-2火箭二子級(jí)采用的是利用貯箱內(nèi)液氧介質(zhì)對(duì)氦氣加溫增壓的技術(shù)方案［2］，歐洲阿里安火箭芯級(jí)是將氦氣液化后儲(chǔ)存在專用氣瓶?jī)?nèi)，利用發(fā)動(dòng)機(jī)換熱器加溫增壓方案［3］。世界上的航天大國(guó)都非常重視冷氦增壓技術(shù)的研制與發(fā)展，并且獲得了豐厚的成果。

在冷氦增壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，電磁閥、孔板及壓力信號(hào)器(傳感器)組合方式是結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，可靠性最高的技術(shù)方案，阿里安火箭芯級(jí)低溫貯箱增壓即采用該方案，其關(guān)鍵技術(shù)是電磁閥及節(jié)流孔板的合理配置。為研究該項(xiàng)增壓技術(shù)在中國(guó)運(yùn)載火箭應(yīng)用的可行性，開展了探索性研究工作，通過系統(tǒng)仿真分析初步確定了系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。為驗(yàn)證系統(tǒng)在低溫條件下的工作性能，開展了電磁閥、孔板和壓力信號(hào)器全系統(tǒng)的低溫試驗(yàn)工作，本文對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)內(nèi)容及試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了綜述。

2 冷氦增壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

冷氦增壓系統(tǒng)由電磁閥、孔板和壓力信號(hào)器組成。高壓氦氣貯存在浸泡液氫中的鈦合金氣瓶?jī)?nèi)，使氦氣的溫度預(yù)先冷卻到液氫溫區(qū)以提高氦氣的密度，從而提高系統(tǒng)的增壓能力。系統(tǒng)包含3路電磁閥加孔板的增壓通路，如圖1所示。其中通路一為主增壓通路，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)電磁閥開啟并保持常開狀態(tài)，直到發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉時(shí)電磁閥關(guān)閉停止增壓;通路二由調(diào)節(jié)壓力信號(hào)器8控制，當(dāng)氧箱壓力低于壓力信號(hào)器設(shè)定值時(shí)電磁閥自動(dòng)開啟為氧箱增壓，當(dāng)氧箱壓力超過設(shè)定值時(shí)關(guān)閉停止增壓;在正常工作狀態(tài)下，系統(tǒng)依靠主增壓路和調(diào)節(jié)路即可完成增壓工作。

為提高冷氦增壓系統(tǒng)可靠性，在通路一和通路二的基礎(chǔ)上并聯(lián)了通路三備份增壓路。通路一和通路二其中一路出現(xiàn)故障，就會(huì)導(dǎo)致氧箱壓力偏低，此時(shí)備份路電磁閥在備份壓力信號(hào)器控制下自動(dòng)開啟，使氧箱壓力仍然能夠保持在一定范圍內(nèi)。

圖1 冷氦增壓系統(tǒng)原理圖1.主電磁閥;2.主孔板;3.調(diào)節(jié)電磁閥;4.調(diào)節(jié)孔板;5.備份電磁閥;6.備份孔板;7.調(diào)節(jié)壓力信號(hào)器;8.備份壓力信號(hào)器Fig.1 Schematic diagram of cryogenic helium pressurization system

3 試驗(yàn)系統(tǒng)

為驗(yàn)證冷氦增壓系統(tǒng)的工作性能，開展了低溫工況下的系統(tǒng)試驗(yàn)，試驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。試驗(yàn)前將氣瓶放置在液氫貯槽內(nèi)，并充氦氣至21 MPa，通過液氫與氣瓶的換熱使氦氣降溫至20 K，貯箱容積為14 m3，在貯箱內(nèi)加注液氧，保證貯箱0.8 m3的初始?xì)庹砣莘e。系統(tǒng)中通過地面換熱器對(duì)低溫氦氣加溫，通過排液裝置來(lái)調(diào)節(jié)氧箱內(nèi)液氧的排放速率，用來(lái)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)液氧流量。

圖2 試驗(yàn)原理圖Fig.2 Schematic diagram of experiment system

由于三級(jí)火箭飛行過程中外界環(huán)境基本處于真空狀態(tài)，因此地面試驗(yàn)中將壓力信號(hào)器放置在真空盒內(nèi)，以消除地面大氣壓力對(duì)壓力信號(hào)器性能的影響。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片見圖3和圖4。

圖3 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片F(xiàn)ig.3 Picture of experiment location

圖4 電磁閥安裝照片F(xiàn)ig.4 Picture of solenoid valve in system

4 試驗(yàn)內(nèi)容

冷氦增壓系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)中，三路增壓孔板直徑大小及匹配關(guān)系以及壓力信號(hào)器指標(biāo)是方案設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，孔板直徑的大小及其匹配關(guān)系決定了系統(tǒng)的工作特性、而壓力信號(hào)器技術(shù)指標(biāo)決定了氧箱壓力范圍。低溫系統(tǒng)試驗(yàn)孔板直徑參數(shù)和壓力信號(hào)器的開閉值見表1，表中所列壓力均為表壓。

表1 試驗(yàn)參數(shù)表Table 1 Parameters of experiment

為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的全面性，先后開展了兩次低溫系統(tǒng)試驗(yàn)，第一次為正常工況，驗(yàn)證該增壓方案在正常情況下系統(tǒng)的工作性能和技術(shù)指標(biāo);第二次試驗(yàn)為調(diào)節(jié)電磁閥故障工況，設(shè)定為調(diào)解電磁閥發(fā)生故障導(dǎo)致閥門一直關(guān)閉的工況，利用備份路電磁閥開啟對(duì)氧箱增壓，以驗(yàn)證系統(tǒng)的冗余性能。

5 試驗(yàn)結(jié)果及分析

5.1 正常工況試驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)在正常工況下試驗(yàn)結(jié)果見圖5和圖6。圖5為試驗(yàn)過程中貯箱壓力控制曲線，貯箱壓力處在0.206—0.240 MPa之間，滿足設(shè)計(jì)要求;圖6為三路孔板入口壓力曲線，主增壓路電磁閥在試驗(yàn)開始時(shí)打開，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)關(guān)閉，調(diào)節(jié)路電磁閥受壓力信號(hào)器控制，箱壓0.206 MPa時(shí)開啟，0.240 MPa時(shí)關(guān)閉，共調(diào)節(jié)動(dòng)作13次。由于備份路壓力信號(hào)器未達(dá)到開啟壓力點(diǎn)，試驗(yàn)過程中備份路電磁閥始終沒有開啟。

圖5 貯箱壓力曲線Fig.5 Pressure curve of tank

5.2 故障工況試驗(yàn)結(jié)果

圖6 孔板入口壓力曲線Fig.6 Pressure curve of orifice inlet

為驗(yàn)證系統(tǒng)的冗余功能，開展了調(diào)節(jié)電磁閥故障工況試驗(yàn)，即試驗(yàn)過程中調(diào)節(jié)電磁閥一直關(guān)閉，當(dāng)箱壓下降到備份電磁閥的開啟壓力點(diǎn)時(shí)，備份路壓力信號(hào)器發(fā)出信號(hào)，使備份電磁閥開啟對(duì)貯箱增壓。試驗(yàn)主要結(jié)果見圖7和圖8。圖7為貯箱壓力曲線，圖8為三路孔板入口壓力曲線。在試驗(yàn)初始階段依靠主增壓路使貯箱壓力維持在0.22 MPa左右，隨著貯箱內(nèi)液氧的消耗以及氣瓶壓力下降，主路增壓能力減弱導(dǎo)致貯箱壓力下降，當(dāng)下降至備份壓力信號(hào)器開啟壓力值0.180 MPa時(shí)，備份電磁閥開啟，系統(tǒng)依靠主增壓路和備份路對(duì)貯箱進(jìn)行增壓，當(dāng)箱壓上升到0.200 MPa時(shí)備份壓力信號(hào)器發(fā)出關(guān)閉信號(hào)，備份電磁閥關(guān)閉停止增壓，直到試驗(yàn)結(jié)束時(shí)貯箱壓力維持在0.180 MPa上。從試驗(yàn)結(jié)果看，在調(diào)節(jié)電磁閥發(fā)生故障一直關(guān)閉時(shí)，備份路參與增壓工作，使系統(tǒng)仍然能夠完成增壓功能。

圖7 貯箱壓力曲線Fig.7 Pressure curve of tank

圖8 孔板入口壓力曲線Fig.8 Pressure curve of orifice inlet

6 結(jié)論

液體型號(hào)運(yùn)載火箭可以采用以電磁閥、孔板及壓力信號(hào)器組合方式的冷氦增壓設(shè)計(jì)方案，通過低溫系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證試驗(yàn)，獲得以下結(jié)論:

(1)方案設(shè)計(jì)中系統(tǒng)參數(shù)選擇合理，三路電磁閥、孔板及壓力信號(hào)器工作匹配協(xié)調(diào);

(2)通過開展正常工況試驗(yàn)和故障工況試驗(yàn)，均能保證貯箱壓力保持在設(shè)計(jì)要求范圍之內(nèi)。

(3)系統(tǒng)通過增加備份增壓路，可以有效提高系統(tǒng)的工作可靠性。

1 張福忠.冷氦增壓系統(tǒng)的研制［J］，低溫工程，1996(4):7-12.

2 Toshihiko Nakagawa，Akira Konno.Captive firing test of H-IIA launch vehicle second stage［R］.AIAA-99-2771，1999.

3 Alain teissier，Gabriel Dussollier.Ariane 5 main stage oxygen tank pressurization［R］.AIAA 93-1969，1993.

Experimental study on cryogenic helium pressurization system

Zhang Zhiguang Du Zhenggang Liu Mo

(Beijing Institute of Aerospace System Engineering，Beijing 100076，China)

In order to study the pressurization performance of the combination for solenoid valve and orifice in liquid rocket cryogenic helium pressurization system，experiment was conducted with cryogenic helium in liquid hydrogen temperature.Liquid oxygen was vented to simulate the propellant consumption in the rocket tank.The pressurization performance of this combination was obtained through analysis of mass flowrate and propellant tank pressure.The experiment results show that the combination of solenoid valve and orifice can maintain the propellant tank pressure on the designed level，this combination was a simple，reliable and feasible pressurization mode for liquid rocket.

liquid rocket;cryogenic helium;pressurization;experiment

TB657.3

A

1000-6516(2013)02-0060-04

2013-01-11;

2013-03-19

某型號(hào)火箭可靠性改進(jìn)研究項(xiàng)目。

張志廣，男，45歲，高級(jí)工程師。