吳 姮 孫善秀 趙春宇 吳俊峰 劉文川

（1 北京宇航系統(tǒng)工程研究所 北京 100076）

（2 深低溫技術(shù)研究北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100076）

1 引 言

加注閥在運(yùn)載火箭上是實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑加注的重要結(jié)構(gòu)產(chǎn)品,其功能是將地面貯存的推進(jìn)劑按需要輸送至運(yùn)載火箭貯箱中。其按照流道型式分為直通式和直角式;按打開方式可分為機(jī)械頂開式和氣動(dòng)打開式;按開關(guān)狀態(tài)信號(hào)反饋可分為無(wú)信號(hào)反饋式和有信號(hào)反饋式[1]。由于無(wú)信號(hào)反饋式機(jī)械頂開加注閥結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單、可靠性高,因此在中國(guó)新一代低溫運(yùn)載火箭廣泛采用。該加注閥通過(guò)地面連接器頂桿頂開閥門進(jìn)行貯箱推進(jìn)劑加注,加注完成后地面連接器頂桿退回,加注閥在推進(jìn)劑液柱壓力及閥門彈簧力作用下實(shí)現(xiàn)關(guān)閉,且其自身不具備反饋閥門啟閉狀態(tài)的功能。地面連接器頂桿退回后連接器與地面加注管路形成密閉通道,與加注閥斷開連通,連接器上設(shè)置的兩個(gè)位置信號(hào)器只能判斷連接器頂桿是否退回,無(wú)法準(zhǔn)確判斷箭上加注閥門是否正常關(guān)閉。同時(shí)低溫運(yùn)載火箭由于采用易相變消耗的低溫推進(jìn)劑,因此往往將推進(jìn)劑加注操作置于火箭發(fā)射日,且盡量臨近發(fā)射時(shí)刻[2]?；鸺l(fā)射日低溫推進(jìn)劑加注主要完成的工作包括置換、預(yù)冷、大流量加注、自動(dòng)補(bǔ)加、射前補(bǔ)加、排空加注管路、連接器脫落[3],且連接器脫落一般發(fā)生在射前-2 min,故加注連接器脫落后,一旦出現(xiàn)加注閥卡滯未正常關(guān)閉故障,只能終止發(fā)射,待推進(jìn)劑完全泄出后對(duì)連接器進(jìn)行手動(dòng)除霜、更換密封墊后再次對(duì)接,且排空后的液氧加注管若已破空還需重新置換,再次進(jìn)入低溫加注程序組織發(fā)射,上述工作歷時(shí)較長(zhǎng),將導(dǎo)致火箭推遲發(fā)射,影響任務(wù)窗口。因此對(duì)加注閥關(guān)閉狀態(tài)的確認(rèn)直接影響任務(wù)的正常發(fā)射。

為解決某型號(hào)液氧頂開式加注閥關(guān)閉狀態(tài)的確認(rèn),提高發(fā)射可靠性,擬對(duì)該頂開式加注閥進(jìn)行改進(jìn),通過(guò)在閥門殼體入口端增加壓力傳感器,監(jiān)測(cè)加注閥入口與加注連接器間小容腔壓力對(duì)閥門是否可靠關(guān)閉進(jìn)行判斷。本研究建立了加注閥啟閉狀態(tài)確認(rèn)試驗(yàn)系統(tǒng),通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證采用傳感器監(jiān)測(cè)容腔壓力實(shí)現(xiàn)對(duì)加注閥是否泄漏判斷的可行性,為后續(xù)加注閥改進(jìn)提供支撐。

2 加注閥工作原理

低溫加注閥為頂開式單向閥,加注閥的出口與箭上貯箱連接,入口與地面連接器連接,加注閥關(guān)閉時(shí)閥芯與閥座形成密封,在加注閥與地面連接器間形成一小容腔,該容腔內(nèi)推進(jìn)劑通過(guò)連接器頂桿中心的小孔自動(dòng)泄出（見圖1 中箭頭所示）。在加注階段,地面連接器頂桿頂開閥門進(jìn)行推進(jìn)劑加注,加注完成后地面連接器頂桿退回,加注閥在液柱壓力及閥門彈簧力作用下實(shí)現(xiàn)關(guān)閉,關(guān)閉到位后地面加注管路排空后加注連接器脫落,火箭起飛。由于加注閥關(guān)閉在臨射前-4 min 左右,一旦加注閥未關(guān)閉或者關(guān)閉不到位可能通過(guò)加注閥頂桿中心的小孔來(lái)不及泄出,導(dǎo)致入口壓力升高,因此提出在加注閥殼體入口側(cè)增加壓力傳感器,通過(guò)壓力傳感器監(jiān)測(cè)該容腔壓力變化對(duì)加注閥關(guān)閉狀態(tài)進(jìn)行確認(rèn)。加注閥與連接器示意圖見圖1。

圖1 加注閥與連接器對(duì)接示意圖Fig.1 Schematic diagram of docking between filling valve and connector

3 試驗(yàn)系統(tǒng)

為開展低溫加注閥啟閉狀態(tài)確認(rèn)原理性試驗(yàn),搭建了試驗(yàn)系統(tǒng),試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖及現(xiàn)場(chǎng)圖如圖2 所示。系統(tǒng)由40 m3液氮貯罐、加注閥、液氮管路、低溫手閥、壓力傳感器和孔板等組成。加注閥出口通過(guò)加注管路與液氮貯罐連通,加注閥入口采用堵蓋模擬加注連接器,堵蓋上設(shè)置3 路通路。一路由手閥及孔板組成的排放路,用于模擬連接器頂桿退回加注閥關(guān)閉后通過(guò)連接器中心小孔泄出入口腔大部分推進(jìn)劑;一路由手閥和加注管路組成的加注路,用于模擬加注閥打開時(shí)推進(jìn)劑對(duì)入口的預(yù)冷及充填;一路由手閥、換熱器及流量計(jì)組成的放氣路,用于入口的預(yù)冷放氣及泄漏量加溫汽化。系統(tǒng)中設(shè)置了3 個(gè)流量計(jì),流量計(jì)1 用于測(cè)量總流量,流量計(jì)3 用于測(cè)量預(yù)冷排放路流量,兩者的差值即為泄漏流量,同時(shí)泄漏量加溫成常溫后也可以通過(guò)流量計(jì)2 測(cè)量。

圖2 低溫加注閥啟閉狀態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig.2 Schematic diagram of test system

本試驗(yàn)中,進(jìn)行加注閥泄漏試驗(yàn)時(shí)在加注閥閥座上預(yù)置泄漏通道,手閥0 開啟液氮進(jìn)入A 腔（保持A腔壓力恒定）后通過(guò)泄漏通道進(jìn)入B 腔,引起B(yǎng) 腔壓力升高,B 腔壓力僅通過(guò)孔板排放路進(jìn)行泄壓（模擬連接器中心小孔泄壓）,試驗(yàn)過(guò)程中監(jiān)測(cè)B 腔壓力及泄漏量。然后拆除加注閥入口堵蓋及管路,使B 腔處于大氣環(huán)境（模擬加注連接器脫落）,通過(guò)試驗(yàn)確認(rèn)加注閥存在泄漏通道時(shí)在連接器脫落前后泄漏量的變化,從而實(shí)現(xiàn)火箭發(fā)射前通過(guò)監(jiān)測(cè)加注閥入口的壓力（B 腔）對(duì)連接器脫落后閥門泄漏量進(jìn)行判斷,為正常發(fā)射提供參考。

4 試驗(yàn)內(nèi)容

本試驗(yàn)主要研究通過(guò)監(jiān)測(cè)加注閥入口的壓力實(shí)現(xiàn)對(duì)加注閥關(guān)閉后是否泄漏進(jìn)行評(píng)判,同時(shí)獲得該壓力與連接器脫落后加注閥泄漏量之間的關(guān)系,從而在連接器脫落前提前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題確?？煽堪l(fā)射,試驗(yàn)結(jié)果為箭上加注閥改進(jìn)提供支撐。試驗(yàn)前加注閥預(yù)制泄漏通道,試驗(yàn)時(shí)保證出口壓力（A 腔）與發(fā)射前貯箱壓力一致,入口僅保留排放路手閥全開,通過(guò)3 mm孔板模擬加注連接器頂桿中心通徑3 mm 孔的對(duì)外排氣,通過(guò)監(jiān)測(cè)B 腔壓力確認(rèn)一旦泄漏該壓力可測(cè);同時(shí)拆除加注閥入口堵蓋模擬連接器脫落,研究此時(shí)泄漏量變化情況,獲得連接器脫落后泄漏量為飛行提供依據(jù)。為達(dá)到上述試驗(yàn),開展了如下工況的試驗(yàn),表1 為試驗(yàn)參數(shù)。

表1 試驗(yàn)參數(shù)表Table 1 Test parameters table

（1）閥門無(wú)泄漏時(shí)B 腔壓力經(jīng)過(guò)連接器頂桿中心孔排放情況;

（2）閥門預(yù)制小泄漏通道,排放路和放氣路手閥均關(guān)閉,獲取預(yù)冷路流量;

（3）預(yù)制小泄漏通道后B 腔壓力情況及模擬連接器脫落前后泄漏量變化,獲得B 腔壓力與連接器脫落后泄漏量對(duì)應(yīng)關(guān)系。

5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

5.1 閥門無(wú)泄漏時(shí)試驗(yàn)結(jié)果

加注閥關(guān)閉未開始射前增壓時(shí),加注閥B 腔僅為關(guān)閉前射前液柱壓力0.025 MPa。本測(cè)試工況實(shí)際測(cè)試時(shí)將B 腔壓力增至射前壓力0.32 MPa 后進(jìn)行排放,各孔板排放情況見圖3 和圖4。從排放結(jié)果可以看出,加注閥若無(wú)泄漏,加注閥B 腔僅為射前液柱壓力0.025 MPa 時(shí),若存在3 mm 或2 mm 孔很快能將B 腔內(nèi)壓力泄出。具體試驗(yàn)結(jié)果如下:

圖3 3 mm 孔板排放時(shí)壓力變化情況Fig.3 Pressure of cavity during discharge of 3 mm orifice

圖4 2 mm 孔板排放時(shí)壓力變化情況Fig.4 Pressure of cavity during discharge of 2 mm orifice

（1）3 mm 孔板排放時(shí),B 腔壓力（Pq）從0.32 MPa（47.2 s）排放至0.003 MPa（73.1 s）約26 s,B 腔壓力從0.025 MPa（56.1 s）排放至0.003 MPa 約17 s;

（2）2 mm 孔板排放時(shí),B 腔壓力（Pq）從0.32 MPa（56.5 s）排放至0.003 MPa（190.5 s）約134 s,B腔壓力從0.025 MPa（87.1 s）排放至0.003 MPa 約103.4 s。

5.2 預(yù)冷流量情況

加注閥預(yù)制小泄漏通道,加注閥出口（A 腔P1）壓力0.33 MPa 時(shí),保持預(yù)冷路手閥K4 全開,手閥1—3 關(guān)閉,通過(guò)預(yù)冷路流量計(jì)測(cè)量預(yù)冷路流量,見圖5。從曲線來(lái)看,由于排氣口和孔板排放口手閥均處于關(guān)閉狀態(tài)且加注閥存在泄漏,故A 腔（P1）和B腔（P2）壓力基本一致。當(dāng)壓力為0.33 MPa 時(shí),從A腔預(yù)冷口流出的液氮流量（Q1）約為80 g/s。

圖5 給定出口壓力下預(yù)冷路流量曲線Fig.5 Flow curve of precooling under given outlet pressure

5.3 閥門泄漏時(shí)試驗(yàn)結(jié)果

5.3.1 加注閥與連接器間容腔壓力

加注閥預(yù)制小泄漏通道,采用3 mm 孔板模擬加注連接器頂桿中心3 mm 孔進(jìn)行排放試驗(yàn),試驗(yàn)進(jìn)行了2 次,2 次試驗(yàn)加注閥P1和P2壓力的情況見圖6。從曲線來(lái)看,兩次試驗(yàn)壓力重復(fù)性較好,當(dāng)加注閥出口P1壓力（A 腔）為0.33 MPa 時(shí),第一次試驗(yàn)加注閥入口P2-1壓力（B 腔）約為0.19 MPa,第二次加注閥入口P2-2壓力（B 腔）約為0.18 MPa。

圖6 3 mm 孔板排放時(shí)A 腔和B 腔壓力曲線(第一次和第二次)Fig.6 Pressure curves of cavity A and cavity B during discharge of 3 mm orifice

5.3.2 加注閥與連接器對(duì)接時(shí)低溫泄漏量

圖7 為加注閥泄漏試驗(yàn)中A 腔（P1）和B 腔壓力（P2）及主路流量計(jì)1（Q1）的曲線。從圖中可以看出,當(dāng)A 腔壓力約為0.33 MPa 時(shí),B 腔壓力約為0.18 MPa,總的流量Q1約為111 g/s。根據(jù)預(yù)冷路流量計(jì)測(cè)量的預(yù)冷路流量約為80 g/s（A 腔壓力為0.33 MPa,K4 手閥全開）,從而計(jì)算出連接器對(duì)接時(shí)通過(guò)加注閥的低溫泄漏量為31 g/s。

圖7 壓力和流量曲線Fig.7 Pressure and flux curves

5.3.3 連接器脫落后加注閥泄漏量

拆除加注閥入口堵蓋模擬射前-2 min 連接器脫落,此時(shí)加注閥入口壓力（B 腔）P2處于大氣壓,整個(gè)試驗(yàn)中K4 狀態(tài)不動(dòng),從流量計(jì)1 監(jiān)測(cè)的流量變化曲線見圖8。從曲線上可以看出,加注閥預(yù)制小泄漏通道不變,當(dāng)加注閥出口壓力（A 腔）P1為0.33 MPa,加注閥入口壓力（B 腔）P2為大氣壓時(shí),流量計(jì)1監(jiān)測(cè)的流量（Q1）約為120 g/s,說(shuō)明此時(shí)泄漏量為120 g/s。

圖8 P2 處于大氣壓狀態(tài)下流量計(jì)1 監(jiān)測(cè)的流量情況Fig.8 Flux curve under atmospheric pressure

5.4 數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果

采用AMEsim 軟件建立仿真計(jì)算模型,用孔板模擬加注閥預(yù)制泄漏孔,試驗(yàn)中加注閥出入口管路進(jìn)行絕熱,預(yù)冷后加注閥殼體表面已結(jié)厚厚的霜進(jìn)一步對(duì)加注閥進(jìn)行絕熱且試驗(yàn)時(shí)間較短,因此仿真計(jì)算未考慮加注閥與外界換熱的影響,加注閥出口壓力P1為0.32 MPa,加注閥與連接器對(duì)接后形成的容腔壓力P2為0.18 MPa,由仿真計(jì)算出來(lái)的泄漏量為82 g/s;加注閥入口堵蓋拆除后P2為0 表壓,由仿真計(jì)算的泄漏量為120 g/s,計(jì)算曲線見圖9,仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)量的80 g/s 和120 g/s 基本一致。

圖9 仿真計(jì)算結(jié)果Fig.9 Results of numerical simulation

圖10 給出了加注閥出口壓力P1為0.32 MPa下,不同加注閥泄漏面積下,加注閥入口安裝堵蓋（模擬加注閥關(guān)閉后對(duì)接連接狀態(tài)）和加注閥入口拆除堵蓋（模擬加注閥關(guān)閉后連接器脫落狀態(tài)）兩種情況的加注閥低溫泄漏量,圖11 給出了不同加注閥泄漏面積下B 腔壓力和拆除堵蓋后泄漏量對(duì)應(yīng)關(guān)系。從泄漏量計(jì)算曲線可以看出,隨著加注閥泄漏面積的增大,加注閥在兩種狀態(tài)下的低溫泄漏量差值逐步增大,泄漏面積9 mm2時(shí),加注閥入口安裝堵蓋時(shí)泄漏量為89 g/s,而拆除堵蓋泄漏量為144.2 g/s,相差62%。

圖10 不同加注閥泄漏面積下加注閥入口安裝堵蓋和拆除堵蓋泄漏量對(duì)比曲線Fig.10 Comparison curves of leakage amount of valve inlet with plug installed and removed under different leakage surfaces

圖11 不同加注閥泄漏面積下加注閥B 腔壓力與拆除堵蓋泄漏量關(guān)系曲線Fig.11 Pressure of cavity B with play removed and leakage under different leakage surfaces

6 結(jié) 論

通過(guò)開展加注閥啟閉狀態(tài)試驗(yàn),研究了加注閥未泄漏和泄漏兩種狀態(tài)下加注閥與連接器形成的容腔

內(nèi)壓力的變化以及連接器脫落前后加注閥泄漏量的變化,為加注閥改進(jìn)提供技術(shù)支撐,主要結(jié)論如下:

（1）加注閥未泄漏時(shí),采用3 mm 孔板模擬加注連接器頂桿中心孔泄漏,加注閥與連接器形成的容腔（B 腔）壓力從0.025 MPa 經(jīng)過(guò)17 s 壓力降至0.003 MPa;而加注閥低溫泄漏量為80 g/s 時(shí)（5.99 L/min）,加注閥與連接器形成的容腔（B 腔）壓力維持在0.18 MPa,說(shuō)明在加注閥入口安裝壓力傳感器監(jiān)測(cè)加注閥泄漏情況是可行的。

（2）加注閥存在泄漏通道時(shí),入口對(duì)接連接器工況試驗(yàn)獲得流量為31 g/s,連接器拆除后的工況由于備壓降低試驗(yàn)獲得流量為120 g/s,泄漏量明顯增大。

（3）數(shù)值仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致性較好,且由數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果可以得到:隨著加注閥泄漏面積不斷增大,加注閥與連接器對(duì)接狀態(tài)和連接器脫落兩種狀態(tài)下泄漏量差別越大,加注閥泄漏面積9 mm2時(shí),泄漏量相差62%,說(shuō)明加注閥泄漏通道相同時(shí)評(píng)估泄漏量能否對(duì)發(fā)射任務(wù)有影響應(yīng)以連接器脫落后泄漏量為準(zhǔn)。