管路振動(dòng)試驗(yàn)的低溫防護(hù)

于韶明，蘆 田，韓文龍，衛(wèi) 國，胡彥平

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管路振動(dòng)試驗(yàn)的低溫防護(hù)

于韶明，蘆 田，韓文龍，衛(wèi) 國，胡彥平

（北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京，100076）

長征7號(hào)、長征5號(hào)運(yùn)載火箭采用煤油/液氧、液氫/液氧等清潔能源作為推進(jìn)劑，在環(huán)境保護(hù)、推力水平等方面得到長足的進(jìn)步，對(duì)新型燃料火箭的發(fā)展提出了低溫管路振動(dòng)試驗(yàn)的需求。為了液氧/液氫溫區(qū)管路振動(dòng)試驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)，需要對(duì)振動(dòng)設(shè)備進(jìn)行低溫防護(hù)。從隔熱裝置、連接裝置、防護(hù)裝置3個(gè)方面對(duì)常溫振動(dòng)設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，滿足管路低溫振動(dòng)試驗(yàn)的要求。采用低溫防護(hù)措施后，完成了上百根低溫管路的振動(dòng)試驗(yàn)，為型號(hào)研制做出巨大貢獻(xiàn)。振動(dòng)系統(tǒng)的低溫防護(hù)方法的成功經(jīng)驗(yàn)可以為其它型號(hào)試驗(yàn)提供參考。

管路；振動(dòng)試驗(yàn)；低溫防護(hù)

0 引 言

隨著中國載人航天的事業(yè)的發(fā)展，以及空間站的建立，大推力、大運(yùn)載火箭需求越來越迫切[1,2]。目前現(xiàn)有的長征系列運(yùn)載火箭是在戰(zhàn)略武器的基礎(chǔ)上演變延用而來的，其推進(jìn)劑（偏二甲肼/四氧化二氮）存在毒性大、污染嚴(yán)重、價(jià)格高、性能差等不足。美國、法國、蘇聯(lián)等航天大國很早就開始重視推進(jìn)劑的毒性與污染問題，限制甚至禁止使用偏二甲肼。因此采用新型燃料的大推力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是目前火箭發(fā)展的趨勢[3]。中國也開始對(duì)火箭的新型燃料進(jìn)行研究與使用，液氧/煤油推進(jìn)劑發(fā)動(dòng)機(jī)將在長征7號(hào)（CZ-7）上使用，液氧/液氫推進(jìn)劑發(fā)動(dòng)機(jī)將在長征5號(hào)（CZ-5）上使用。新型推進(jìn)劑相比傳統(tǒng)推進(jìn)劑在環(huán)境保護(hù)、經(jīng)費(fèi)控制等方面有明顯優(yōu)勢，但是新型燃料的采用也為設(shè)計(jì)、試驗(yàn)帶來新的要求。液氧/液氫溫度均很低，設(shè)計(jì)、試驗(yàn)需要在低溫環(huán)境下進(jìn)行，特別是低溫試驗(yàn)，沒有經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。

新型燃料火箭的研制過程中，燃料、氧化劑等的管路關(guān)系火箭發(fā)射的成敗，為了確?；鸺l(fā)射的成功，管路的環(huán)境試驗(yàn)必不可少。管路的環(huán)境試驗(yàn)，需要盡量模擬管路的真實(shí)環(huán)境，即管路通入與真實(shí)介質(zhì)類似的低溫介質(zhì)，同時(shí)保持工作狀態(tài)時(shí)的壓力。由于液氫/液氧溫度很低，分別為20 K（-253 ℃）和80 K （-193 ℃）左右，這對(duì)管路的低溫振動(dòng)提出了新的要求。原有火箭的推進(jìn)劑為偏二甲肼/四氧化二氮，雖然劇毒，但是均為常溫介質(zhì)，管路試驗(yàn)均為常溫試驗(yàn)。對(duì)于低溫管路的振動(dòng)試驗(yàn)，中國還沒有經(jīng)驗(yàn)，試驗(yàn)難度很大，為了保證試驗(yàn)的順利進(jìn)行，北京強(qiáng)度環(huán)境研究所通過攻關(guān)，掌握了低溫管路振動(dòng)試驗(yàn)技術(shù)[4~6]。由于振動(dòng)臺(tái)不能在特別低的工況下工作，為了確保管路低溫振動(dòng)試驗(yàn)的順利進(jìn)行，需要在振動(dòng)試驗(yàn)的低溫防護(hù)方面進(jìn)行一系列的研究。

1 振動(dòng)試驗(yàn)的低溫防護(hù)裝置

針對(duì)現(xiàn)有振動(dòng)設(shè)備只能在常溫工況下正常工作，而管路需要通入低溫介質(zhì)（達(dá)20 K）的實(shí)際情況，從低溫傳導(dǎo)的阻隔、連接裝置的低溫適應(yīng)性、低溫介質(zhì)泄露的防護(hù)3個(gè)方向進(jìn)行研究。通過對(duì)現(xiàn)有振動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，升級(jí)為振動(dòng)試驗(yàn)低溫防護(hù)系統(tǒng)，確保管路在通入低溫介質(zhì)的情況下，振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈仍能維持在正常工作的溫區(qū)內(nèi)；同時(shí)對(duì)試驗(yàn)過程中管路低溫介質(zhì)泄露進(jìn)行了防護(hù)，避免試驗(yàn)產(chǎn)品損壞而灼傷振動(dòng)臺(tái)，造成損失。

振動(dòng)試驗(yàn)低溫防護(hù)系統(tǒng)示意如圖1所示，振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈連接柱與轉(zhuǎn)接工裝之間放置隔熱裝置，連接裝置將轉(zhuǎn)接工裝、隔熱裝置固定于振動(dòng)臺(tái)上。

圖1 低溫防護(hù)系統(tǒng)

1.1 隔熱裝置

為防止產(chǎn)品低溫傳導(dǎo)到振動(dòng)臺(tái)上，在振動(dòng)臺(tái)與產(chǎn)品之間安裝隔熱裝置，阻隔低溫的傳導(dǎo)。隔熱裝置需要能夠防止試驗(yàn)產(chǎn)品低溫灼傷振動(dòng)臺(tái)，同時(shí)作為振動(dòng)工裝，需要滿足剛度、阻尼等要求確保振動(dòng)的傳 遞[7~10]。隔熱裝置需要選取熱傳導(dǎo)率低、剛度高的材料，既保證振動(dòng)設(shè)備能量的傳遞，又能阻斷管路低溫向振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈傳遞，從力學(xué)性能、熱性能等方面綜合考量，選取了工程中常見的材料進(jìn)行進(jìn)一步的研究對(duì)比，材料參數(shù)如表1所示。

由表1可知，剛性隔熱瓦熱性能良好，熱導(dǎo)率達(dá)0.05 W/(m·K)，但是強(qiáng)度太低，彈性模量僅有0.04 GPa左右，振動(dòng)傳遞性能難以滿足要求；不銹鋼強(qiáng)度足夠，但是熱導(dǎo)率高達(dá)14 W/(m·K)，不能有效阻隔熱量傳遞；石英/酚醛短纖維材料在熱傳導(dǎo)率與剛度等方面性能適中，從數(shù)據(jù)上看是良好的振動(dòng)設(shè)備隔熱裝置材料。

表1 備選材料性能參數(shù)

Tab.1 Parameters of Alternative Materials

材料參數(shù)石英/酚醛短纖維剛性隔熱瓦不銹鋼 密度/(g·cm-3)1.64～1.650.33±0.037.9 強(qiáng)度/MPa40.9～55.51.7~2.2520 模量/GPa12.4～24.90.03~0.05206 斷裂伸長率58%～86%—— 彎曲強(qiáng)度/MPa55.7～182—— 彎曲模量/GPa7.24～13.4—— 熱導(dǎo)率（150℃）W/(m·k)0.51～0.550.0514 比熱容kg/(kg·K)1.14～1.211.25～1.260.51 線膨脹系數(shù)/K6.59×10-6～8.27×10-6（150℃）1.64×10-6（100℃）17×10-6（100℃）

對(duì)石英/酚醛短纖維材料的隔熱裝置隔熱效果進(jìn)行簡單計(jì)算，分析驗(yàn)證石英/酚醛短纖維材料的隔熱裝置能否滿足低溫振動(dòng)的要求。考慮到與振動(dòng)臺(tái)連接的是圖1中冷源為試驗(yàn)件，因此只需計(jì)算轉(zhuǎn)接工裝的溫度能否滿足要求。

試驗(yàn)中，管路試驗(yàn)件通過法蘭與隔熱板相連，法蘭是振動(dòng)臺(tái)的直接冷源，法蘭如圖2所示。

圖2 管路轉(zhuǎn)接法蘭

熱的傳導(dǎo)主要有3種方式：熱輻射，熱對(duì)流，熱傳導(dǎo)[11]。

熱輻射功率見式（1），由于管路法蘭與轉(zhuǎn)接工裝之間有隔熱裝置，熱輻射無法直接作用，可以忽略。

熱對(duì)流方程見式（2）[12]，由于整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)暴露于廠房之中，空間足夠大，空氣對(duì)流迅速，因此熱對(duì)流影響不大，可以忽略。

熱傳導(dǎo)方程見式（3）[13]，邊界條件是法蘭（見圖2）內(nèi)液氮為冷源，為了簡化計(jì)算、偏安全考慮，將法蘭作為冷源邊界。

從式（3）可以推導(dǎo)出熱傳導(dǎo)的功率方程（4）為

對(duì)于采用的隔熱裝置：

出于安全考慮，假設(shè)熱傳導(dǎo)的熱量全部作用于轉(zhuǎn)接工裝上，使得轉(zhuǎn)接工裝溫度變化。對(duì)于轉(zhuǎn)接工裝，吸收的熱量導(dǎo)致溫度升高，見式（5）：

式（5）與式（6）聯(lián)立，得：

式（7）為轉(zhuǎn)接工裝在采用隔熱裝置后，產(chǎn)品充滿液氮時(shí)變溫速率，降溫速率為3.5 K/h，石英/酚醛短纖維材料的隔熱裝置能夠滿足工程試驗(yàn)要求。

1.2 連接裝置

振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈連接柱與轉(zhuǎn)接工裝之間通過連接裝置連接。連接裝置需要在低溫（最低達(dá)20 K）工況下保持高強(qiáng)度，具有較強(qiáng)的低溫適應(yīng)性，同時(shí)熱導(dǎo)率盡量低；連接后，保證振動(dòng)臺(tái)的能量通過隔熱裝置能夠傳導(dǎo)到轉(zhuǎn)接工裝上，同時(shí)盡量防止產(chǎn)品上的低溫傳導(dǎo)到振動(dòng)臺(tái)上。金屬材料低溫環(huán)境下強(qiáng)度（彈性模量、屈服應(yīng)力等）增強(qiáng)，韌性（頸縮率等）降低，容易發(fā)生破壞。0Cr18Ni9材料液氧溫區(qū)強(qiáng)度增強(qiáng)，彈性模量從200 GPa升至214 GPa，屈服應(yīng)力從205 MPa升至 441 MPa；韌性降低少，頸縮率從35%降到30%，相比碳鋼等其他常用材料，0Cr18Ni9適用于低溫環(huán)境固支連接。

1.3 防護(hù)裝置

選用防低溫液體材料制成的防護(hù)布，嵌套在振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈連接柱與隔熱裝置之間，防止低溫介質(zhì)泄露灼傷動(dòng)圈。防護(hù)布首先需要能夠防止低溫液體泄露，同時(shí)需要具備足夠的韌性，能夠蓋在振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈上。低溫振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，低溫介質(zhì)發(fā)生泄漏，要求低溫防護(hù)布在介質(zhì)完全氣化前進(jìn)行阻隔，保護(hù)振動(dòng)臺(tái)。聚氯乙烯無固定熔點(diǎn)，80~85 ℃開始軟化，常溫環(huán)境質(zhì)軟，低溫環(huán)境中強(qiáng)度增強(qiáng)，可以作為低溫防護(hù)布材料。

2 幾種管路系統(tǒng)振動(dòng)試驗(yàn)的低溫防護(hù)

作為火箭的“血管”，管路系統(tǒng)的可靠性關(guān)系著整個(gè)發(fā)射的成敗。為了航天的可靠性，管路系統(tǒng)的地面振動(dòng)試驗(yàn)尤為重要。在CZ-7、CZ-5號(hào)的研制過程中，上百根管路需要進(jìn)行低溫振動(dòng)試驗(yàn)，包含各級(jí)火箭的氧輸送管路、氧預(yù)冷回流管路、氧加注管路等的驗(yàn)收、鑒定試驗(yàn)

圖3為CZ-5號(hào)某根液氧輸送管路低溫振動(dòng)試驗(yàn)。液氮與液氧的熔點(diǎn)、密度等物理性能接近，更加安全，采用液氮模擬液氧環(huán)境。從圖3中可以看出，液氮加注后，加注管路因?yàn)榈蜏亟Y(jié)霜，在低溫防護(hù)系統(tǒng)保護(hù)下，振動(dòng)臺(tái)正常運(yùn)行，確保了管路振動(dòng)試驗(yàn)的順利完成。

圖3 液氧輸送管振動(dòng)試驗(yàn)

圖4為CZ-7號(hào)某根氧預(yù)冷回流管管系低溫振動(dòng)試驗(yàn)。從圖4中可以看出，預(yù)冷回流管管系為多根管路連接而成，管系長、走勢復(fù)雜，采用雙振動(dòng)臺(tái)加載模擬火箭環(huán)境。在低溫防護(hù)系統(tǒng)保護(hù)下，振動(dòng)臺(tái)正常運(yùn)行，CZ-7氧預(yù)冷回流管路振動(dòng)試驗(yàn)順利完成。

圖4 預(yù)冷回流管路振動(dòng)試驗(yàn)

圖5為CZ-5某根液氧加注管路低溫振動(dòng)試驗(yàn)。液氧加注管路的長度一個(gè)振動(dòng)臺(tái)無法固定，需采用兩個(gè)振動(dòng)臺(tái)加載。從圖5中可以看出，圖中為滑臺(tái)方向振動(dòng)試驗(yàn)，滑臺(tái)方向的低溫防護(hù)與垂臺(tái)方向相似，也包含隔熱裝置、連接裝置等，在低溫防護(hù)系統(tǒng)保護(hù)下，滑臺(tái)潤滑油保持在室溫環(huán)境，滑臺(tái)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，振動(dòng)臺(tái)正常工作，確保了CZ-5液氧加注管路振動(dòng)試驗(yàn)的順利完成。

圖5 氧加注管振動(dòng)試驗(yàn)

3 結(jié)束語

運(yùn)載火箭是航天事業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，管路系統(tǒng)是運(yùn)載火箭的“血管”，在采用液氫/液氧等清潔能源作為運(yùn)載火箭新型燃料的發(fā)展趨勢下，火箭管路的低溫振動(dòng)試驗(yàn)需求越來越大。管路低溫振動(dòng)試驗(yàn)涉及到溫度、振動(dòng)等多方面學(xué)科，為了管路低溫振動(dòng)試驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)，振動(dòng)系統(tǒng)的低溫防護(hù)是必不可少的，也是極其重要的。

從低溫傳導(dǎo)的阻隔、連接裝置的低溫適應(yīng)性、低溫介質(zhì)泄露的防護(hù)3個(gè)方向進(jìn)行研究。通過對(duì)隔熱裝置材料遴選以及理論計(jì)算驗(yàn)證解決了管路內(nèi)溫度傳導(dǎo)到振動(dòng)臺(tái)的難題；采用0Cr18Ni9加工低溫振動(dòng)試驗(yàn)的連接裝置，確保低溫振動(dòng)試驗(yàn)振動(dòng)應(yīng)力的傳遞；防護(hù)裝置為安全設(shè)計(jì)，避免在振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)低溫介質(zhì)泄露時(shí)，振動(dòng)臺(tái)被灼傷，造成安全事故。

完成CZ-7、CZ-5號(hào)液氧輸送管、液氫輸送管、液氧預(yù)冷回流管路，氧加注管等一系列管路低溫、內(nèi)壓、位移、振動(dòng)復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)的地面試驗(yàn)，管路低溫振動(dòng)試驗(yàn)中低溫防護(hù)經(jīng)實(shí)際檢驗(yàn)，該防護(hù)方法切實(shí)可靠，可以為其它型號(hào)試驗(yàn)借鑒。

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Cryogenic Protection of Pipeline Vibration Test

Yu Shao-ming, Lu Tian, Han Wen-long, Wei Guo, Hu Yan-ping

(Beijing Institute of Structure and Environment Engineering, Beijing, 100076)

Using kerosene / oxygen and hydrogen / oxygen such as propellant in the launch vehicle of CZ-7&CZ-5 has made great progress in environmental protection, thrust level and so on. The development of new launch vehicle has put forward the requirement of cryogenic pipeline vibration test. In order to realize the pipeline vibration test of liquid oxygen / liquid hydrogen temperature, it is necessary to make cryogenic protection for vibration equipment. From three aspects of heat insulation device, connecting device and protective device, the normal vibration equipment is improved to meet the requirements of pipeline cryogenic vibration test. After the cryogenic protection measures, the vibration test of hundreds of cryogenic pipelines were completed, which made great contributions to the development of the launch vehicle. The successful experience of the cryogenic protection method of vibration system can provide reference for other tests.

Pipeline; Vibration test; Cryogenic protection

1004-7182(2018)01-0102-04

10.7654/j.issn.1004-7182.20180120

V416.2

A

2017-02-07；

2017-05-02

于韶明（1986-），男，工程師，主要研究方向?yàn)閯?dòng)力學(xué)試驗(yàn)