液氫輸送管路絕熱性能試驗(yàn)技術(shù)

王占林 葛紹嶺

(北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所 北京 100074)

1 引言

推進(jìn)劑輸送管路承擔(dān)著將推進(jìn)劑由貯箱輸送至發(fā)動(dòng)機(jī)的任務(wù)，是運(yùn)載火箭的重要組件。某型號(hào)運(yùn)載火箭芯級(jí)液氫輸送管路包括芯一級(jí)液氫輸送管、芯一級(jí)液氫預(yù)冷回流管、芯一級(jí)液氫預(yù)冷輸送管、芯二級(jí)液氫輸送管，均采用真空絕熱方案。液氫輸送管路的絕熱性能直接影響輸送給芯級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的液氫品質(zhì)，進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能。因此需獲得液氫輸送管路的絕熱性能。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)

根據(jù)任務(wù)書(shū)要求，液氫輸送管路絕熱性能試驗(yàn)系統(tǒng)見(jiàn)附圖。該系統(tǒng)主要由液氣路系統(tǒng)、蒸發(fā)量測(cè)量系統(tǒng)、溫度測(cè)量系統(tǒng)等組成。

2.1 液氣路系統(tǒng)

液氣路系統(tǒng)的主體設(shè)備包括液氫容器、液氫供應(yīng)管路、供配氣管路、試驗(yàn)件進(jìn)/出口對(duì)接工裝、氫排放系統(tǒng)等。

(1)液氫容器

液氫容器容積為2 m3，設(shè)有分節(jié)式電容液位計(jì)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)液氫液位，以確保試驗(yàn)過(guò)程中試驗(yàn)件始終處于充滿液氫的狀態(tài)。

(2)進(jìn)/出口對(duì)接工裝

進(jìn)/出口工裝主要用于試驗(yàn)件液氫加注、試驗(yàn)件兩端環(huán)境模擬及蒸發(fā)量收集等。工裝上均設(shè)有進(jìn)液口、排氣口及吹除口等，方便試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)試驗(yàn)件液氫加注、蒸發(fā)量收集及吹除等。

進(jìn)/出口工裝起冷卻對(duì)接作用，使輸送管兩端均處于液氫溫區(qū)，從而使收集的蒸發(fā)量為輸送管表面?zhèn)鳠岫鸬恼舭l(fā)量，真實(shí)模擬輸送管箭上工作狀態(tài)。

對(duì)接工裝采用304不銹鋼。為減少漏熱，對(duì)接工裝的低溫連接部位進(jìn)行了聚氨酯發(fā)泡絕熱處理。

(3)排放系統(tǒng)

輸送管預(yù)冷和試驗(yàn)過(guò)程中蒸發(fā)的低溫氫氣通過(guò)DN20收集管道排放，后經(jīng)過(guò)DN10的盤(pán)管換熱器與預(yù)冷和蒸發(fā)量測(cè)量的并聯(lián)管路相連，通過(guò)低溫閥門(mén)實(shí)現(xiàn)切換，之后與DN100的排放管道連接排放。

2.2 蒸發(fā)量測(cè)量系統(tǒng)

輸送管液氫蒸發(fā)量的測(cè)量通過(guò)科氏質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量。為了便于對(duì)蒸發(fā)量進(jìn)行比對(duì)，系統(tǒng)上串聯(lián)了一個(gè)氣體流量計(jì)進(jìn)行體積流量測(cè)量。

2.3 溫度測(cè)量系統(tǒng)

根據(jù)任務(wù)書(shū)要求，試驗(yàn)過(guò)程中要監(jiān)測(cè)試驗(yàn)件內(nèi)表面的溫度，采用貼片式溫度傳感，測(cè)點(diǎn)數(shù)量為8個(gè);同時(shí)，為便于對(duì)氫氣收集管道內(nèi)低溫氫氣溫度的監(jiān)測(cè)，在流量計(jì)前后設(shè)置插入式的溫度傳感器，測(cè)點(diǎn)為2個(gè);為確保管路完全預(yù)冷，在氫氣收集管道的前端設(shè)置溫度傳感器1個(gè)。

2.4 真空度測(cè)量

試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)輸送管真空度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3 試驗(yàn)技術(shù)關(guān)鍵及解決

本項(xiàng)試驗(yàn)最關(guān)鍵的是測(cè)出的輸送管蒸發(fā)量應(yīng)盡量與實(shí)際蒸發(fā)量相同或相近。某型號(hào)運(yùn)載火箭芯級(jí)輸送管在火箭加注后始終處于滿液狀態(tài)，從地面到高空的外部環(huán)境均要經(jīng)歷。由于輸送管采用真空絕熱結(jié)構(gòu)，高空環(huán)境溫度低且真空度高，與地面和低空環(huán)境相比蒸發(fā)量要小;同時(shí)高空環(huán)境模擬成本很高，因此本項(xiàng)試驗(yàn)主要進(jìn)行地面環(huán)境下輸送管蒸發(fā)量試驗(yàn)。

將輸送管作為研究對(duì)象，加注后的火箭上其進(jìn)口和出口均為充滿液氫介質(zhì)的輸送管、閥門(mén)或貯箱等，因此其主要與環(huán)境和進(jìn)/出口連接組件存在熱交換。由于進(jìn)/出口連接組件內(nèi)、外部環(huán)境與輸送管基本相同，因此此部分熱交換量占比很小或?yàn)榱恪?/p>

基于以上分析，為保證試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確，避免漏熱、操作不當(dāng)?shù)葘?duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，采取了如下保障措施:

(1)為保證試驗(yàn)過(guò)程中試驗(yàn)件充滿液氫，試驗(yàn)件采用底部加注、上部排放收集的方式，使試驗(yàn)件的最高位置應(yīng)始終低于液氫容器液面。為此設(shè)置了一根內(nèi)置于試驗(yàn)件的導(dǎo)管，用于液氫加注，直接插入試驗(yàn)件最低點(diǎn)，一方面避免了加注導(dǎo)管帶來(lái)的熱侵，另一方面避免了氫蒸發(fā)氣從加注導(dǎo)管逸出。

(2)為盡量模擬真實(shí)環(huán)境中試驗(yàn)件狀態(tài)，試驗(yàn)件進(jìn)/出口對(duì)接工裝內(nèi)加注液氫作為液氫冷屏，并且試驗(yàn)過(guò)程中始終保持充液狀態(tài)，以便真實(shí)模擬液氫輸送管在火箭上的狀態(tài)。

(3)為保證蒸發(fā)量的收集，在試驗(yàn)件最高部位設(shè)置了一根氫氣收集管，收集管穿過(guò)進(jìn)口對(duì)接法蘭及工裝后與蒸發(fā)量測(cè)量系統(tǒng)連接。為消除氫氣收集管漏熱引入額外的液氫蒸發(fā)量測(cè)量誤差，設(shè)置了與液氫容器連接的DN80真空絕熱液氫浸泡管(即進(jìn)口對(duì)接工裝)，收集管通過(guò)浸泡管內(nèi)部穿出，浸泡管最高點(diǎn)要高于液氫容器的最高液面。由于液氫容器的液位比較高，低于液面的氫氣收集管均處于液氫中，通過(guò)收集管的傳熱由浸泡管內(nèi)液氫吸收，從而有效避免了收集管漏熱對(duì)蒸發(fā)量測(cè)量結(jié)果的影響。

(4)為避免容器內(nèi)液氫倒灌進(jìn)質(zhì)量流量計(jì)，收集管道的最高位置要高于液氫容器液面。另外，收集管后串聯(lián)了盤(pán)管換熱器，用于蒸發(fā)氫氣的回溫，以便于測(cè)量。

(5)為避免試驗(yàn)過(guò)程中外界漏熱對(duì)蒸發(fā)量的影響，對(duì)接工裝連接處進(jìn)行了發(fā)泡絕熱處理。

4 試驗(yàn)結(jié)果

2013年7月4日，進(jìn)行了某型號(hào)運(yùn)載火箭芯一級(jí)液氫輸送管絕熱性能試驗(yàn)。試驗(yàn)共進(jìn)行3次，試驗(yàn)結(jié)果比較一致，質(zhì)量流量計(jì)均無(wú)示數(shù)，氣體流量計(jì)測(cè)量示數(shù)為3 L/min左右，流量計(jì)入口溫度為304 K，換算成氫蒸發(fā)量為約11.395 L/min，折合成氫質(zhì)量蒸發(fā)量約為 0.907 g/min。

上述試驗(yàn)結(jié)果與設(shè)計(jì)部門(mén)給出的蒸發(fā)量計(jì)算結(jié)果4.83 g/min相差很大，經(jīng)分析認(rèn)為:盡管試驗(yàn)結(jié)果為實(shí)測(cè)值，但可能由于種種原因，試驗(yàn)結(jié)果并不能反映真實(shí)情況，詳見(jiàn)試驗(yàn)結(jié)果分析。

5 試驗(yàn)結(jié)果分析

5.1 設(shè)計(jì)部門(mén)試驗(yàn)件液氫蒸發(fā)量計(jì)算過(guò)程及結(jié)果

根據(jù)CZ-3A液氫輸送管試驗(yàn)文獻(xiàn)資料，CZ-3A液氫輸送管試驗(yàn)過(guò)程中液氫蒸發(fā)速率基本穩(wěn)定在4.42 g/min左右，試驗(yàn)真空管道的長(zhǎng)度為2 065 mm，內(nèi)徑為90 mm，液氫的汽化潛熱為445.6 kJ/kg，液氫真空輸送管的漏熱估算為:

試驗(yàn)件長(zhǎng)度為1 270 mm，內(nèi)徑為160 mm，考慮絕熱條件一致的前提下，漏熱量與漏熱面積成正比，計(jì)算其蒸發(fā)量為:

單位時(shí)間液氫蒸發(fā)量為:

5.2 關(guān)于試驗(yàn)件液氫蒸發(fā)量計(jì)算結(jié)果討論

詳查CZ-3A液氫輸送管試驗(yàn)文獻(xiàn)資料發(fā)現(xiàn)，其試驗(yàn)系統(tǒng)表面上與試驗(yàn)件液氫蒸發(fā)量試驗(yàn)系統(tǒng)基本相同，但出口為一發(fā)泡絕熱的盲法蘭，并無(wú)充滿液氫的出口對(duì)接工裝。分析認(rèn)為:正是這微小差別導(dǎo)致某型號(hào)運(yùn)載火箭芯一級(jí)液氫輸送管液氫蒸發(fā)量計(jì)算結(jié)果存在較大誤差。查高真空絕熱與發(fā)泡絕熱的絕熱系數(shù)相差100倍左右，因此出口發(fā)泡絕熱盲法蘭的漏熱應(yīng)在計(jì)算中予以充分考慮。正確計(jì)算如下:

將出口發(fā)泡絕熱盲法蘭漏熱折算成真空管道當(dāng)量長(zhǎng)度L1:

則CZ-3A液氫輸送管應(yīng)按L計(jì)算:L=2.25+2.065=4.315 m

試驗(yàn)件長(zhǎng)度為1 270 mm，內(nèi)徑為160 mm，考慮絕熱條件一致的前提下，漏熱量與漏熱面積成正比，計(jì)算其蒸發(fā)量為:

則單位時(shí)間液氫蒸發(fā)量為:

5.3 關(guān)于試驗(yàn)件液氫蒸發(fā)量試驗(yàn)結(jié)果討論

試驗(yàn)系統(tǒng)原理如圖1所示，從圖1可以看出，試驗(yàn)時(shí)某型號(hào)運(yùn)載火箭芯一級(jí)液氫輸送管進(jìn)、出法蘭外側(cè)均為0表壓液氫，即外側(cè)液氫均為20.268 K。由于換熱管及下游管路均為DN10，小于氫蒸氣收集管的DN20，加上換熱管加溫因素，造成輸送管內(nèi)液氫壓力上升(試驗(yàn)時(shí)測(cè)得質(zhì)量流量計(jì)入口絕對(duì)壓力為0.18 MPa左右)，從而使輸送管內(nèi)液氫溫度上升至20.752 K，形成輸送管內(nèi)液氫溫度高于上下端法蘭外側(cè)液氫，造成輸送管內(nèi)液氫通過(guò)進(jìn)、出口法蘭向進(jìn)/出口工裝內(nèi)液氫傳遞熱量，使其液氫蒸發(fā)量試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果不能完全反映其絕熱性能。實(shí)際上，某型號(hào)運(yùn)載火箭芯一級(jí)液氫輸送管液氫蒸發(fā)量應(yīng)介于0.907ˉ2.32 g/min之間。

6 結(jié)論

(1)由于未考慮出口發(fā)泡絕熱盲法蘭漏熱影響，造成CZ-3A液氫輸送管試驗(yàn)4.42 g/min液氫蒸發(fā)量測(cè)量結(jié)果不能反映其真實(shí)絕熱性能，進(jìn)而導(dǎo)致某型號(hào)運(yùn)載火箭芯一級(jí)液氫輸送管液氫蒸發(fā)量計(jì)算結(jié)果有誤。

(2)CZ-3A液氫輸送管蒸發(fā)量實(shí)際應(yīng)為2.115 g/min，某型號(hào)運(yùn)載火箭芯一級(jí)液氫輸送管液氫蒸發(fā)量計(jì)算結(jié)果應(yīng)為2.32 g/min(或 1.827 g/m/min)。

(3)某型號(hào)運(yùn)載火箭芯一級(jí)液氫輸送管液氫蒸發(fā)量應(yīng)介于0.907ˉ2.32 g/min之間。

(4)根據(jù)上述分析，若要使某型號(hào)運(yùn)載火箭芯一級(jí)液氫輸送管液氫蒸發(fā)量測(cè)量結(jié)果接近真實(shí)情況，應(yīng)將氫收集管后管路加粗，使質(zhì)量流量計(jì)入口壓力為0表壓。

圖1 液氫輸送管絕熱性能試驗(yàn)原理圖Fig.1 Schematic diagram of insulation performance test for liquid-hydrogen duct

1 郭宵峰.液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)［M］.北京:宇航出版社，1991.

2 朱森元.氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)及低溫技術(shù)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1995.