顧中華，宋建嶺，張 鑫，王日杰，張 帥

(天津航天長(zhǎng)征火箭制造有限公司，天津300462)

1 引言

長(zhǎng)征七號(hào)運(yùn)載火箭是新一代中型運(yùn)載火箭[1]，采用新型高壓補(bǔ)燃液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，箭體貯箱為2219 鋁合金材料，發(fā)動(dòng)機(jī)液氧燃料入口對(duì)鋁屑類多余物特別敏感，一旦有鋁屑類多余物存在，不但可能堵塞管路或閥門，還有可能發(fā)生爆燃，這將直接影響火箭發(fā)射和飛行安全[2]。 為了保證型號(hào)產(chǎn)品質(zhì)量安全，新一代運(yùn)載火箭貯箱多余物控制需要比現(xiàn)役型號(hào)更為嚴(yán)格。

多余物控制與清理一直是航天產(chǎn)品研制過程中的技術(shù)難點(diǎn)、風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)和薄弱環(huán)節(jié)。 國內(nèi)外歷史上眾多航天飛行失敗案例中，很多都是由于多余物引起并導(dǎo)致了巨大的損失。 因此，多余物是彈箭生產(chǎn)過程的重點(diǎn)控制內(nèi)容和實(shí)現(xiàn)成功飛行的關(guān)鍵[3]。 丁新玲等[4]介紹了以美俄為代表的航天大國貯箱多余物的清理基本已采用自動(dòng)化手段，以液體沖洗、射流或超音速氣液混合的方式進(jìn)行自動(dòng)清理，通過多余物顆粒度和重量分布進(jìn)行量化控制。 國內(nèi)針對(duì)運(yùn)載火箭貯箱多余物防控的公開資料較少，王娟等[5]開展了貯箱多余物控制及檢測(cè)技術(shù)研究，分析了貯箱多余物產(chǎn)生的過程，總結(jié)了控制多余物產(chǎn)生的方法與防護(hù)措施；張聃等[6]開展了運(yùn)載火箭貯箱多余物清理技術(shù)研究，介紹了國內(nèi)外多余物清理的技術(shù)現(xiàn)狀，并對(duì)國內(nèi)多余物清理及檢驗(yàn)方法的發(fā)展情況進(jìn)行了展望；許龍飛等[7]開展了運(yùn)載火箭總裝氣密試驗(yàn)多余物控制方法分析研究，提出對(duì)總裝氣密試驗(yàn)進(jìn)行全過程細(xì)化分析的思路。

我國貯箱多余物清理手段自動(dòng)化程度較低，目前均主要采用傳統(tǒng)人工清理的方式。 貯箱在臥式狀態(tài)下，作業(yè)人員穿戴防護(hù)服進(jìn)入箱內(nèi)，通過刮、吸、吹、擦、振動(dòng)等手段進(jìn)行多余物的清理，清理完成后進(jìn)行人工目視定性檢查評(píng)價(jià)。 因此，清理效果與人員技能水平和工作狀態(tài)直接相關(guān)，無法對(duì)清理效果進(jìn)行有效地定量評(píng)價(jià)，這就對(duì)貯箱多余物防控造成了質(zhì)量安全隱患。

為此，本文在總結(jié)國內(nèi)外貯箱多余物防控技術(shù)的基礎(chǔ)上，探索開展射流與超聲相結(jié)合的貯箱多余物自動(dòng)清理技術(shù)和稱重與尺寸測(cè)量相結(jié)合的多余物清理效果定量評(píng)價(jià)技術(shù)研究。

2 貯箱立式自動(dòng)清理技術(shù)

2.1 清理系統(tǒng)及工藝流程

針對(duì)大型回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)小入孔貯箱，研制了貯箱多余物立式自動(dòng)清理系統(tǒng)。 清洗裝置為可伸縮及開閉的傘形回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，裝置進(jìn)入貯箱后，以射流清洗和超聲清洗相結(jié)合的方式對(duì)貯箱內(nèi)部全表面進(jìn)行自動(dòng)清理。 貯箱多余物立式清理系統(tǒng)主要包括機(jī)械機(jī)構(gòu)伸縮回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、清理裝置展開收攏系統(tǒng)、高壓水射流系統(tǒng)、超聲清理系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)及多余物取樣收集系統(tǒng)等部分，如圖1 所示。 清理時(shí)將傘形清理裝置移動(dòng)至待清理貯箱頂部，將清理裝置在收攏狀態(tài)通過頂部法蘭進(jìn)入箱內(nèi)，根據(jù)箱內(nèi)結(jié)構(gòu)尺寸和清理位置的不同，清理裝置開啟不同的開度，并通過周向旋轉(zhuǎn)和軸向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)貯箱內(nèi)部自上而下的清理，然后在貯箱出口處對(duì)多余物進(jìn)行收集。

圖1 貯箱多余物自動(dòng)清理系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of automatic cleaning system for tank remainder

按照“先粗后精、射流為主、超聲為輔”的原則，通過高速水射流去除貯箱內(nèi)表面較大的多余物，然后通過超聲清理去除浮動(dòng)的細(xì)小類和夾縫中的多余物，最后再次通過射流沖洗貯箱內(nèi)表面附著的多余物。 對(duì)排出過程中收集的多余物進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)合格后回收清理裝置，試驗(yàn)貯箱下架烘干，最后對(duì)貯箱內(nèi)部多余物情況進(jìn)行人工復(fù)檢確認(rèn)，自動(dòng)清理工藝流程如圖2 所示。

圖2 貯箱多余物立式自動(dòng)清理工藝流程Fig.2 Process of vertical automatic cleaning of the tank remainder

2.2 自動(dòng)清理路徑設(shè)計(jì)

針對(duì)貯箱多余物內(nèi)部的全表面清理需求，在分析待清理貯箱箱內(nèi)典型結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，從清理裝置可達(dá)性和安全性的角度出發(fā)，確定不同規(guī)格貯箱的清理路徑參數(shù)。 在保證貯箱箱內(nèi)結(jié)構(gòu)安全性的前提下，開展清理試驗(yàn)工作，避免清理系統(tǒng)與箱內(nèi)結(jié)構(gòu)發(fā)生干涉。 自動(dòng)清理采用貯箱立式狀態(tài)自上而下的逐段清理方法，清理分段依據(jù)清理裝置單級(jí)覆蓋范圍設(shè)置，分段間確保覆蓋范圍重疊，自上而下的順序利于將上一級(jí)清理下的多余物及時(shí)清除。 在每一個(gè)清理高度，清理裝置通過周向勻速旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)作業(yè)范圍內(nèi)的貯箱壁面自動(dòng)清理，旋轉(zhuǎn)速度的設(shè)置需綜合考慮清理效率與清理效果。 考慮到管路、線纜和密封的影響，清理裝置旋轉(zhuǎn)范圍設(shè)置為0°～±360°。

2.2.1 前底側(cè)

考慮到貯箱前底側(cè)為球形結(jié)構(gòu)，為增加自動(dòng)清理的范圍，清理裝置到達(dá)起始位置后在貯箱內(nèi)可分多級(jí)展開不同的開啟角度，從而對(duì)射流噴嘴或超聲振子朝向進(jìn)行調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)球底不同部位的清理，在每個(gè)開啟角度，清理裝置正反轉(zhuǎn)各一周。

2.2.2 筒段部位

清理裝置保持大角度開啟狀態(tài)，下降到預(yù)設(shè)指定高度，進(jìn)行整周貯箱壁面清理。 以此順序，實(shí)現(xiàn)貯箱筒段部位自上而下的逐段清理，當(dāng)下降至終止位置后，清理裝置停止軸向運(yùn)動(dòng)。

2.2.3 后底側(cè)

當(dāng)清理至終止位置時(shí)，同樣分多級(jí)收攏清理裝置，為前底側(cè)開啟的逆過程，實(shí)現(xiàn)對(duì)后底側(cè)球形內(nèi)表面的自動(dòng)清理。 清理完成后，裝置完全收攏，然后提升至前底側(cè)，回收出箱。

2.3 射流清理工藝

高壓水射流清洗技術(shù)是近年來在國際上興起的一門新型清洗技術(shù)，具有清洗速度快、效率高、成本低、清潔環(huán)保、不腐蝕損傷基體、適用范圍廣、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和智能化控制等優(yōu)點(diǎn)[8]。 高壓射流清理是使用增壓泵輸出高壓流體介質(zhì)，并經(jīng)過一定管路到達(dá)噴嘴，再把高壓力低流速的流體介質(zhì)轉(zhuǎn)換為一定壓力高流速的射流，然后射流以很高的沖擊動(dòng)能，連續(xù)不斷地作用在被清理表面，從而使垢物脫落，最終實(shí)現(xiàn)清理目的[9]。 針對(duì)典型運(yùn)載火箭小入孔貯箱，設(shè)計(jì)了射流自動(dòng)清理工藝，工藝流程如圖3 所示，利用開口工藝貯箱開展射流清理試驗(yàn)如圖4 所示。

2.3.1 射流介質(zhì)選取

射流介質(zhì)應(yīng)為無毒無污染的流體介質(zhì)，可用介質(zhì)有純凈水、清洗劑或其與潔凈高壓氣體組成的氣液混合流。 本文采用了純凈水，通過控制介質(zhì)電導(dǎo)率，避免試驗(yàn)介質(zhì)對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)生腐蝕或損傷。

圖3 貯箱高壓射流自動(dòng)清理工藝流程Fig.3 Process of high pressure water jet cleaning test

圖4 射流清理試驗(yàn)圖Fig.4 Picture of high pressure water jet cleaning test

2.3.2 射流噴嘴分布設(shè)計(jì)

高壓射流噴嘴的設(shè)置綜合考慮不同方向上的清理需求，沿清理裝置外表面環(huán)形螺旋線方向設(shè)置，從而在清理裝置旋轉(zhuǎn)時(shí)形成完整射流清理面；噴嘴數(shù)量依據(jù)單個(gè)噴嘴覆蓋范圍而定，沿螺旋環(huán)向清理范圍全覆蓋；為實(shí)現(xiàn)對(duì)前后箱底內(nèi)表面的清理，應(yīng)在清理裝置上下端面上至少各設(shè)置1 個(gè)射流噴嘴實(shí)現(xiàn)軸向高度方向上的射流。

2.3.3 射流壓力確定

由于射流為高壓流體介質(zhì)，當(dāng)射流介質(zhì)噴射到貯箱表面時(shí)存在一定的作用力。 因而，需在保證貯箱產(chǎn)品結(jié)構(gòu)安全的前提下開展自動(dòng)清理。 射流壓力的選擇必須以對(duì)貯箱無損傷為前提，需充分評(píng)價(jià)射流沖擊的影響。 射流沖擊壓力不允許使貯箱產(chǎn)生塑性變形，沖擊力應(yīng)小于貯箱產(chǎn)品強(qiáng)度試驗(yàn)壓力。 通過調(diào)節(jié)射流源壓力和射流噴嘴與貯箱壁面間的距離來調(diào)節(jié)射流作用在貯箱上的沖擊力[10]。 具體射流壓力需通過工藝試驗(yàn)確定，綜合考慮射流沖擊影響和清理效果。

2.4 超聲清理工藝

超聲清理是指利用超聲波的空化作用對(duì)物體表面上的污物進(jìn)行撞擊、剝離，以達(dá)到清理目的。該方法具有清理速度快、清理效果好、清潔度一致、對(duì)工件表面無損傷等特點(diǎn)，對(duì)深孔、細(xì)縫和隱蔽處可以強(qiáng)有力地清理表面附著的微小污漬顆粒[11]。 針對(duì)典型運(yùn)載火箭小入孔貯箱，設(shè)計(jì)了超聲清理工藝，工藝流程如圖5 所示，超聲清理試驗(yàn)如圖6 所示。

圖6 超聲清理試驗(yàn)圖Fig.6 Picture of ultrasonic cleaning test

2.4.1 超聲介質(zhì)選取

為實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波的有效傳導(dǎo)，超聲清洗介質(zhì)應(yīng)為無毒無污染的液體介質(zhì)，可用介質(zhì)有純凈水或清洗劑等，本文優(yōu)先選用純凈水，與射流清洗介質(zhì)一致。

2.4.2 超聲振子分布設(shè)置

超聲振子的設(shè)置原則與射流噴嘴一致，實(shí)現(xiàn)沿螺旋環(huán)向清理范圍全覆蓋。 超聲振子的數(shù)量和分布還需考慮待清理貯箱容積，以滿足大容積貯箱內(nèi)的液體介質(zhì)振動(dòng)的需求。

2.4.3 超聲頻率和功率確定

超聲清理頻率的確定依據(jù)工藝試驗(yàn)確定，一般工業(yè)清理頻率為40 ～50 kHz 左右。 超聲功率應(yīng)可調(diào)，需適應(yīng)不同規(guī)格貯箱清理要求，實(shí)際功率依據(jù)工藝試驗(yàn)清理效果確定，以滿足不同容積貯箱內(nèi)的液體介質(zhì)振動(dòng)需求。

2.4.4 超聲清洗過程液位協(xié)調(diào)控制

為滿足超聲清理要求，需將清理裝置浸入液體中，以滿足振子浸沒要求，達(dá)到傳遞超聲波的作用。 但浸入量過多將導(dǎo)致超聲振子負(fù)載過大，起不到良好的清洗效果。 同時(shí)，為配合不同高度段的超聲清理需求，在清理裝置高度下降前，需將貯箱內(nèi)液位排至指定高度，以配合超聲清理的開展。為此，需設(shè)置貯箱液位計(jì)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)貯箱液位變化，保證排水高度與清理裝置下降高度相匹配。

3 多余物檢測(cè)分析技術(shù)

針對(duì)貯箱完成多余物清理后的效果評(píng)價(jià)，本文提出稱重與尺寸測(cè)量相結(jié)合的多余物檢測(cè)分析技術(shù)，研制貯箱多余物檢測(cè)分析系統(tǒng)，并探索總結(jié)出多余物檢測(cè)分析工藝方法。

3.1 檢測(cè)系統(tǒng)及工藝流程

多余物檢測(cè)分析系統(tǒng)由多余物顯微裝置平臺(tái)和高精度電子秤組成，如圖7 所示。 其中顯微裝置平臺(tái)由多余物采集顯微鏡、電控掃描臺(tái)、背光源載物臺(tái)、控制計(jì)算機(jī)等組成，主要工作原理為：利用相機(jī)對(duì)背光源載物臺(tái)上多余物進(jìn)行分塊成像，再將分塊拍出的照片利用計(jì)算機(jī)拼接成背光源載物臺(tái)上的完整圖像，在保證高像素的同時(shí)保證了視場(chǎng)足夠大，最后通過圖片處理技術(shù)，利用像素與顆粒物實(shí)際尺寸的對(duì)應(yīng)關(guān)系，識(shí)別出圖片上指定區(qū)域內(nèi)多余物顆粒的大小，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。 該多余物顯微裝置能實(shí)現(xiàn)10 ～2000 μm 粒徑范圍、0 ～100 g 質(zhì)量范圍內(nèi)多余物的綜合量化分析記錄。

圖7 多余物檢測(cè)分析系統(tǒng)Fig.7 Remainder detection system

多余物清理后，對(duì)收集到的多余物進(jìn)行烘干，然后對(duì)多余物進(jìn)行量化分析，并對(duì)照控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)定，最后通過人工進(jìn)箱確認(rèn)的方式進(jìn)行驗(yàn)收復(fù)核，其方法流程如圖8 所示。

圖8 多余物檢測(cè)分析工藝流程Fig.8 Process of remainder detection

3.2 多余物等級(jí)量化評(píng)定技術(shù)

利用多余物收集與量化分析系統(tǒng)，對(duì)每次收集到的多余物進(jìn)行粒徑分布和重量分布等方面開展分析統(tǒng)計(jì)，以此來評(píng)價(jià)多余物自動(dòng)清理效果。當(dāng)連續(xù)兩次收集到的多余物均較少或者不存在時(shí)，則說明多余物自動(dòng)清理已經(jīng)達(dá)到其清理極限。

3.2.1 多余物重量量化評(píng)定

采用單位表面積的多余物含量進(jìn)行評(píng)定，如箱內(nèi)結(jié)構(gòu)相差較大時(shí)，則應(yīng)根據(jù)不同貯箱分別設(shè)立評(píng)定指標(biāo)。 由于缺少相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，前期可以在借鑒國外貯箱多余物清理的最終要求基礎(chǔ)上進(jìn)行加嚴(yán)控制，作為自動(dòng)清理收集多余物的評(píng)定指標(biāo)，后續(xù)利用統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)包絡(luò)進(jìn)行調(diào)整。 俄羅斯對(duì)大型貯箱的凈化和檢查要求是，在箱體清理后，清潔度檢查按俄羅斯國家標(biāo)準(zhǔn)17216-71 第9 級(jí)執(zhí)行。 能源號(hào)貯箱大約1500 m2，要求污染物允可質(zhì)量不超過22 g(12 mg/m2)[4]。

因此，為保證最終清理效果，本技術(shù)要求最后一次多余物自動(dòng)清理收集到的多余物重量應(yīng)小于10 mg/m2，以推進(jìn)劑貯箱內(nèi)表面面積作為依據(jù)，計(jì)算多余物顆粒平均分布重量。

3.2.2 多余物尺寸量化評(píng)定

顆粒度檢測(cè)參照美國推進(jìn)劑貯箱多余物檢測(cè)要求，對(duì)每一個(gè)粒徑區(qū)間或面積區(qū)間應(yīng)當(dāng)設(shè)置一定的上限值[4]。 采用的多余物自動(dòng)清理方法與美國貯箱潔凈度檢測(cè)方法存在一定的區(qū)別。 美國方法是將試驗(yàn)介質(zhì)排出后烘干收集[4]，本方法為直接對(duì)出箱液體進(jìn)行過濾收集。 但受限于液阻的影響，目前采用的過濾網(wǎng)最高精度為400 目，對(duì)應(yīng)尺寸約為37 μm，但由于疊加效應(yīng)和液體表面張力等因素的影響，實(shí)際試驗(yàn)過程中也能收集到部分小于37 μm 的多余物。 為了彌補(bǔ)過濾網(wǎng)精度不足造成的影響，通過加嚴(yán)單位貯箱容積對(duì)應(yīng)的顆粒物允可數(shù)量進(jìn)行補(bǔ)償。 綜上，在大量試驗(yàn)驗(yàn)證基礎(chǔ)上，并參考美國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[5]，本技術(shù)要求最后一次多余物自動(dòng)清理收集到的多余物量化分析結(jié)果應(yīng)滿足表1 要求。 其中26 ～36 μm間的多余物以濾網(wǎng)實(shí)際收集到的為準(zhǔn)，隨液體流失的暫不計(jì)入，后續(xù)通過改進(jìn)過濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)，可對(duì)收集評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行細(xì)化調(diào)整。

表1 貯箱多余物尺寸量化指標(biāo)要求Table 1 Quantitative dimensional indicators of tank remainder

4 驗(yàn)證試驗(yàn)

利用該技術(shù)對(duì)某型號(hào)貯箱產(chǎn)品進(jìn)行多余物自動(dòng)清理和檢測(cè)分析，該貯箱直徑3.35 m，長(zhǎng)度約12 m，容積約100 m3，內(nèi)表面表面積約130 m2。試驗(yàn)所采用過濾網(wǎng)為上層200 目、下層400 目。

4.1 第一輪射流超聲聯(lián)合清理

利用表2 所示工藝參數(shù)對(duì)該貯箱進(jìn)行射流超聲聯(lián)合清理試驗(yàn)，收集到的多余物烘干后如圖9所示，主要為鋁屑、毛發(fā)纖維及少量非金屬膠布等。

表2 貯箱清洗參數(shù)表Table 2 Parameters of the cleaning program

4.2 第二輪射流清理

第二輪試驗(yàn)僅進(jìn)行射流清理，參數(shù)與表2 中的射流相關(guān)參數(shù)一致。 清理后收集到的多余物烘干后如圖10 所示，僅有少量多余物，主要為細(xì)小的鋁屑顆粒和少量非金屬顆粒等。

圖9 第一輪射流超聲清理所收集多余物烘干后Fig.9 Collected remainder dried after one jet and ultrasonic cleaning

4.3 多余物檢測(cè)分析

利用稱重與尺寸測(cè)量相結(jié)合的方法對(duì)兩輪試驗(yàn)收集的多余物進(jìn)行檢測(cè)分析。 通過高精度天平對(duì)所收集多余物重量進(jìn)行了測(cè)量，具體數(shù)據(jù)如表3 所示。 該貯箱內(nèi)表面的面積約為130 m2，最后一次收集到的多余物的質(zhì)量為0.05 g，換算成單位面積質(zhì)量為0.38 mg/m2，滿足小于10 mg/m2的要求。

圖10 第二輪射流清理所收集多余物烘干后Fig.10 Collected remainder after the second jet cleaning

表3 多余物稱重?cái)?shù)據(jù)表Table 3 Remainder weight /g

通過顯微測(cè)量平臺(tái)對(duì)兩輪試驗(yàn)所收集多余物的極限尺寸面積和顆粒度進(jìn)行了測(cè)量，如圖11 所示。 第二輪所收集多余物與第一輪相比顯著減少，所收集多余物的粒徑分布尺寸也顯著減小。

圖11 兩輪清理所收集多余物測(cè)量結(jié)果分布Fig.11 Results of the quantitative detection of the collected remainder after cleaning

該貯箱容積為100 m3，按照表2 指標(biāo)要求，各尺寸顆粒物允可數(shù)量和第二輪最終控制情況如表4 所示。 經(jīng)比對(duì)，圖11 中第二輪所示多余物數(shù)量均滿足表4 各指標(biāo)要求。

表4 某貯箱多余物尺寸量化指標(biāo)要求及控制情況Table 4 Quantitative dimensional indicators of remainder of one specific tank

4.4 手動(dòng)對(duì)自動(dòng)清理復(fù)檢確認(rèn)

貯箱自動(dòng)清理完成后，保留的箱內(nèi)懸空類零件進(jìn)行了安裝，然后進(jìn)行液壓、容積、氣密等一系列試驗(yàn)，試驗(yàn)后對(duì)貯箱進(jìn)行了人工精細(xì)化清理。經(jīng)檢查，僅夾縫結(jié)構(gòu)內(nèi)存在少量多余物，其他壁板及防晃板等箱內(nèi)零件結(jié)構(gòu)表面潔凈情況良好。

多余物自動(dòng)清理不僅保證了清理質(zhì)量，還顯著提升了清理效率，降低了人員勞動(dòng)強(qiáng)度。 以該貯箱為例，工作效率較傳統(tǒng)清理方法提升近50%。 因此，通過該貯箱試驗(yàn)充分驗(yàn)證了自動(dòng)清理和檢測(cè)的有效性和可行性。

5 結(jié)論

通過開展貯箱多余物立式自動(dòng)清理與檢測(cè)評(píng)定技術(shù)研究，本文探索出了射流與超聲相結(jié)合的多余物自動(dòng)清理工藝，研制了系統(tǒng)裝備，形成了稱重與尺寸測(cè)量相結(jié)合的多余物量化評(píng)價(jià)方法。 該技術(shù)針對(duì)新一代運(yùn)載火箭液氧低溫貯箱，形成了多余物自動(dòng)清理工藝規(guī)范，并成功應(yīng)用于型號(hào)產(chǎn)品，有效提升了貯箱內(nèi)部多余物清理質(zhì)量和效率，減少人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了貯箱可靠性，取得了良好的清理效果。