火箭動(dòng)力試驗(yàn)液氫加注試驗(yàn)研究

梁懷喜，王永超，楊 林，劉瑞敏，李 清

（1. 北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京，100074；2. 中國(guó)兵器工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化研究所，北京，100089）

0 引 言

運(yùn)載火箭動(dòng)力試驗(yàn)是火箭在首飛之前最重要和最全面的測(cè)試考核。中國(guó)的某型氫氧火箭芯一級(jí)模塊和芯二級(jí)模塊在2015年分別進(jìn)行了兩次動(dòng)力試驗(yàn)，均取得圓滿成功。該火箭液氫加注量芯一級(jí)達(dá)到370 m3、芯二級(jí)達(dá)到70 m3。

液氫具有低沸點(diǎn)、易燃、易爆的特點(diǎn)，在動(dòng)力試驗(yàn)時(shí)，作為最后加注的推進(jìn)劑。液氫加注后，試驗(yàn)流程進(jìn)入不可逆過(guò)程，否則將產(chǎn)生重大損失或者失敗。首先液氫加注必須在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成，要求保證加注流量；其次是液氫加注時(shí)，既要避免輸送的過(guò)大損耗，又要防止氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的氫渦輪泵發(fā)生氣蝕，要求保證進(jìn)箭溫度。一般情況，液氫加注流量和進(jìn)箭溫度是根據(jù)火箭總體要求確定的。

1 液氫進(jìn)箭參數(shù)影響因素

1.1 影響液氫流量的因素

動(dòng)力試驗(yàn)的液氫加注流量一般是依據(jù)后續(xù)靶場(chǎng)發(fā)射流程制定的，因此地面試驗(yàn)臺(tái)液氫加注系統(tǒng)根據(jù)火箭總體加注要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。液氫加注過(guò)程中，流量由流速和流通面積決定。

a）流速：液氫流速應(yīng)控制在20 m/s以內(nèi)。加注過(guò)程，既要考慮液氫易燃、易爆的特點(diǎn)，防止發(fā)生水擊效應(yīng)，這是安全流速的問(wèn)題，安全流速小于8 m/s為宜；又要考慮液氫低沸點(diǎn)的特性，減少汽化損耗，這是最佳流速的問(wèn)題[1]。

液氫流量與輸送參數(shù)之間的內(nèi)在關(guān)系[2]可由下式計(jì)算：

式中 vout為流速；Ptank為貯罐擠壓壓力；Pout為進(jìn)箭背壓；為管道沿程流阻；為局部流阻； QH為道漏熱；G為流量； hout,htank分別為液位高度； Itank， Iout分別為液氫單位內(nèi)能；g為重力加速度；L為管道長(zhǎng)度；D為管道內(nèi)徑；ρtank為貯罐液氫密度；ρout為進(jìn)箭液氫密度。

b）流通面積：液氫輸送管道的選擇，不僅需要考慮真空絕熱管及附件的設(shè)計(jì)能力，還需要綜合考慮加工成本以及施工安裝的可行性。

1.2 影響液氫溫度的因素

液氫加注溫度主要由地面貯罐液氫的溫度以及輸送過(guò)程中溫升決定。在單相流下，液氫的溫升可由下式給出[2,3]：

液氫溫升，一方面影響進(jìn)箭溫度要求；另一方面會(huì)對(duì)流動(dòng)造成影響。如果液氫溫升過(guò)高，將會(huì)形成兩相流；兩相流引起流阻增加，加劇流動(dòng)的不穩(wěn)定性，這些都將使液氫損耗增加，故應(yīng)當(dāng)減少溫升、避免兩相流。

1.3 液氫加注系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

液氫加注系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)[4,5]，首先根據(jù)給定流量，選擇安全流速范圍內(nèi)的某一流速，初步確定加注管道通徑；再通過(guò)管道漏熱，計(jì)算在單相流時(shí)不同流速下的溫升。通過(guò)反復(fù)優(yōu)化，選取合理管徑和流速，確保給定流量下溫升最小。加注流程中，根據(jù)火箭氫箱的背壓和選取流速下管道流阻特性，確定液氫加注擠壓操作壓力。

2 動(dòng)力試驗(yàn)液氫加注試驗(yàn)分析

2.1 液氫參數(shù)要求

某型運(yùn)載火箭制定了動(dòng)力試驗(yàn)液氫加注要求，目的是獲取動(dòng)力試驗(yàn)的液氫加注流程、參數(shù)，為火箭在靶場(chǎng)合練及發(fā)射提供數(shù)據(jù)參考和經(jīng)驗(yàn)積累。表1和表2分別是某火箭芯一級(jí)和芯二級(jí)液氫加注指標(biāo)要求。

表1 芯一級(jí)模塊試車液氫加注指標(biāo)要求Tab.1 Parameter Targets of Liquid Hydrogen Filling in the First Core Stage Test

表2 芯二級(jí)模塊試車液氫加注指標(biāo)要求Tab.2 Parameter Targets of Liquid Hydrogen Filling in the Scond Core Stage Test

2.2 動(dòng)力試驗(yàn)液氫加注系統(tǒng)及流程

動(dòng)力試驗(yàn)的液氫加注通過(guò)距離動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái) 250 m的液氫庫(kù)采用擠壓方式加注，液氫庫(kù)由2臺(tái)85 m3、3臺(tái)110 m3以及2臺(tái)150 m3的液氫貯罐組成，加注管路為通徑150 mm的真空多層絕熱管路，加注系統(tǒng)如圖1所示。加注管路設(shè)計(jì)漏熱不大于20 W/m，設(shè)計(jì)的最佳流量為7000 L/min（流速約6.6 m/s），溫升不高于1.5 K[6]，該系統(tǒng)滿足動(dòng)力試驗(yàn)芯一級(jí)大流量加注溫度要求，在其他小流量下液氫處于兩相流狀態(tài)。

圖1 動(dòng)力試驗(yàn)液氫加注系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic Diagram of Liquid Hydrogen Filling System in the Stage Propulsion System Test

芯一級(jí)氫箱小流量預(yù)冷采用2臺(tái)85 m3和1臺(tái)110 m3液氫貯罐同時(shí)加注；擠空后，再使用2臺(tái)150 m3液氫貯罐同時(shí)進(jìn)行大流量加注，直到氫箱液位到達(dá)設(shè)定位置。芯二級(jí)氫箱預(yù)冷和加注都采用2臺(tái)110 m3液氫貯罐同時(shí)加注，直到液位達(dá)到設(shè)定位置。

液氫加注過(guò)程中，監(jiān)測(cè)的液氫進(jìn)箭參數(shù)有溫度、流量和壓力。溫度傳感器安裝在箭體氫箱的水平入口管路上，周向均布，數(shù)量為3個(gè)；流量通過(guò)箭上液氫連續(xù)液位計(jì)進(jìn)行測(cè)量；壓力傳感器安裝在水平管道的上部，數(shù)量為1個(gè)。

2.3 動(dòng)力試驗(yàn)液氫加注結(jié)果分析

2.3.1 芯一級(jí)第1次試驗(yàn)液氫參數(shù)分析

芯一級(jí)第1次試驗(yàn)液氫加注過(guò)程中，液氫進(jìn)箭溫度變化如圖2、圖3所示，流量變化（以氫箱出現(xiàn)液氫為起始時(shí)刻，下同）如圖4所示，壓力變化如圖5所示。

圖2 芯一級(jí)第1次試驗(yàn)液氫進(jìn)箭溫度變化曲線Fig.2 Temperature Change of Inlet in the First Test of the First Core Stage

圖3 芯一級(jí)第1次試驗(yàn)大流量加注液氫進(jìn)箭溫度曲線Fig.3 Temperature Change of Inlet During Fast Filling in the First Test of the First Core Stage

圖4 芯一級(jí)第1次試驗(yàn)液氫進(jìn)箭流量變化曲線Fig.4 Flow Rate Change of Inlet in the First Test of the First Core Stage

圖5 芯一級(jí)第1次試驗(yàn)液氫進(jìn)箭壓力曲線Fig.5 Pressure Change of Inlet in the First Test of the First Core Stage

2.3.1.1 小流量預(yù)冷

從圖2中可以看出，小流量預(yù)冷起始時(shí)間為600 s，到1400 s時(shí)地面輸送管路完全冷透；隨后繼續(xù)預(yù)冷氫箱，在2000 s時(shí)氫箱液位達(dá)到30 m3，小流量預(yù)冷結(jié)束預(yù)冷時(shí)間約14 min。

從圖3中可以看出，1200 s之后進(jìn)箭溫度進(jìn)入傳感器溫區(qū)（≤50 K），管道溫度下降迅速；在 1220 s時(shí)，低位測(cè)點(diǎn)溫度為20.9 K（見進(jìn)箭溫度2），低于當(dāng)?shù)仫柡蜏囟?1 K，說(shuō)明管道內(nèi)出現(xiàn)液氫、地面管道基本冷透。此后，液氫開始進(jìn)入氫箱，溫度繼續(xù)下降；氫箱液氫到達(dá)30 m3后，主體液氫溫度降至21.2 K。這期間，管道的余熱導(dǎo)致液氫劇烈吸熱汽化[7～10]，造成底部液氫處于過(guò)冷狀態(tài)，頂部氣氫處于過(guò)熱狀態(tài)。因此，預(yù)冷過(guò)程進(jìn)箭液氫為氣液混合狀態(tài)。

從圖4中可以看出，預(yù)冷過(guò)程中由于氫箱內(nèi)液氫積存量較少，因此無(wú)法監(jiān)測(cè)流量變化。

從圖5中可以看出，預(yù)冷前當(dāng)氫箱加注閥開啟后，進(jìn)箭壓力與箱壓平衡，壓力迅速升高；隨后氫箱排氣閥打開，壓力急劇下降到最低點(diǎn)。預(yù)冷開始后，過(guò)熱的地面管道導(dǎo)致液氫強(qiáng)烈汽化，形成的氣氫持續(xù)進(jìn)入氫箱；而氫箱排空管排放能力有限，因此氫箱壓力持續(xù)上升，進(jìn)箭壓力上升到一個(gè)峰值（0.137 MPa，950 s）。隨著管道的逐漸冷卻，氣氫產(chǎn)生量減小，排放能力比汽化能力大，氫箱壓力下降，所以進(jìn)箭壓力開始下降。隨后，增大預(yù)冷流量時(shí)，排放能力小于汽化能力，壓力又開始上升。當(dāng)管道冷透時(shí)，出現(xiàn)一個(gè)小的壓力峰，然后壓力開始下降。

2.3.1.2 大流量加注

從圖2中可以看出，大流量加注從2000 s開始，到6020 s加注結(jié)束，可分為加注前段（2000～4500 s）、加注中段（4500～6020 s）和加注后段（6000～6020 s），加注過(guò)程約66 min。

從圖3中可以看出，加注前段，液氫溫度緩慢降低到飽和溫度以下，由兩相流變成單相流，主體液氫溫度在21.3 K左右。加注中段，3臺(tái)小貯罐切換到兩臺(tái)大貯罐加注，由于小貯罐底部剩余液氫溫度較高以及大貯罐支管道過(guò)熱等綜合原因，導(dǎo)致切換過(guò)程中進(jìn)箭溫度劇烈上升，待穩(wěn)定后，液氫變成單相流，主體溫度由21.3 K上升到21.7 K；加注后段，液氫流量減小，兩相流明顯。

從圖 4中可以看出，加注前段，液氫流量從3500 L/min逐漸增大到4500 L/min；加注中段，液氫流量接近9000 L/min。

從圖5中可以看出，加注前段，進(jìn)箭壓力穩(wěn)定在0.13 MPa左右；加注后段壓力上升到0.17 MPa，這是由于液氫流量增大，在排放能力一定的情況下，氫箱液位上升速率增加，導(dǎo)致氣墊壓力上升引起的。

2.3.2 芯一級(jí)第2次試驗(yàn)液氫參數(shù)分析

芯一級(jí)第2次試驗(yàn)液氫加注流程與第1次基本一致，液氫進(jìn)箭溫度變化如圖 6所示，流量變化如圖 7所示，壓力變化如圖8所示。

圖6 芯一級(jí)第2次試驗(yàn)大流量加注液氫進(jìn)箭溫度Fig.6 Temperature Change of Inlet During Fast Filling in the Second Test of the First Core Stage

圖7 芯一級(jí)第2次試驗(yàn)液氫進(jìn)箭流量變化曲線Fig.7 Flow Rate Change of Inlet in the Second Test of the First Core Stage

圖8 芯一級(jí)第2次試驗(yàn)液氫進(jìn)箭壓力Fig.8 Pressure Change of Inlet in the Second Test of the First Core Stage

2.3.2.1 小流量預(yù)冷

從圖6中可以看出，小流量預(yù)冷起始時(shí)間為900 s，到2300 s時(shí)地面輸送管路完全冷透；在4000 s時(shí)氫箱液位達(dá)到30 m3，預(yù)冷時(shí)間約23 min。液氫到達(dá)30 m3后，主體液氫溫度為21.0 K。預(yù)冷期間，進(jìn)箭液氫處于氣液混合狀態(tài)。

從圖7中可以看出，預(yù)冷過(guò)程中，氫箱內(nèi)液氫積存量比較少，所以無(wú)法監(jiān)測(cè)流量變化。

從圖8中可以看出，當(dāng)箭上加注閥以及氫箱排氣閥先后開啟后，進(jìn)箭壓力急劇升高到峰值（0.19 MPa，1450 s）。

2.3.2.2 大流量加注

圖6中大流量加注從4000 s開始，到8200 s結(jié)束，加注過(guò)程約70 min；加注前段由兩相流緩慢變成單相流，主體液氫溫度由21.2 K上升到21.5 K；加注中段由于流量減小，液氫主體溫度由21.7 K下降到21.4 K。

從圖 7中可以看出，加注前段，液氫流量從2000 L/min逐漸增大到5000 L/min；加注后段，液氫流量從7000 L/min降到5000 L/min。

從圖 8中可以看出，加注中段，進(jìn)箭壓力隨流量的上升，從0.13 MPa上升到0.15 MPa；加注后段，壓力隨流量的下降從0.15 MPa降到0.13 MPa。

2.3.3 芯二級(jí)第1次試驗(yàn)液氫參數(shù)分析

芯二級(jí)第1次試驗(yàn)液氫加注過(guò)程中，液氫進(jìn)箭的溫度變化如圖9、圖10所示，流量變化如圖11所示，壓力變化如圖12所示。

圖9 芯二級(jí)第1次試驗(yàn)液氫進(jìn)箭溫度變化曲線Fig.9 Temperature Change of Inlet in the First Test of the Second Core Stage

圖10 芯二級(jí)第1次試驗(yàn)大流量加注液氫進(jìn)箭溫度變化曲線Fig.10 Temperature Change of Inlet During Fast Filling in the First Test of the Second Core Stage

圖11 芯二級(jí)第1次試驗(yàn)液氫進(jìn)箭流量變化曲線Fig.11 Low Rate Change of Inlet in the First Test of the Second Core Stage

圖12 芯二級(jí)第1次試驗(yàn)液氫進(jìn)箭壓力變化曲線Fig.12 Pressure Change of Inlet in the First Test of the Second Core Stage

2.3.3.1 小流量預(yù)冷

從圖 9中可以看出，小流量預(yù)冷加注起始時(shí)間為710 s，到2100 s時(shí)地面輸送管路完全冷透；隨后繼續(xù)預(yù)冷氫箱，在2500 s時(shí)氫箱液位達(dá)到4 m3，小流量預(yù)冷結(jié)束，預(yù)冷時(shí)間約20 min。

從圖10中可以看出，液氫到達(dá)4 m3后，主體液氫溫度為22.7 K，預(yù)冷期間，進(jìn)箭液氫處于氣液混合狀態(tài)。

從圖11中可以看出，在預(yù)冷過(guò)程中，箭體液氫積存量少，所以無(wú)法監(jiān)測(cè)流量變化。

從圖12中可以看出，管道冷卻過(guò)程中，當(dāng)汽化能力大于排放能力的末端，進(jìn)箭壓力到達(dá)一個(gè)峰值（0.24 MPa，220 s），管路冷透時(shí)存在一個(gè)小的壓力峰。

2.3.3.2 大流量加注

從圖9中可以看出，大流量加注從2500 s時(shí)開始，到5400 s時(shí)結(jié)束，主要分為加注前段（2500～4100 s）和加注中段（4100～5400 s），加注時(shí)間約48 min。

從圖10中可以看出，在加注過(guò)程中，液氫的溫度持續(xù)降低，一直處于兩相流狀態(tài)，溫度分層明顯。加注前段由于流量波動(dòng)引起溫度不穩(wěn)定，加注中段溫度穩(wěn)定（頂部23 K，中下部21.4 K）。

從圖 11中可以看出，加注前段液氫流量在1000～1800 L/min之間波動(dòng)，加注后段流量穩(wěn)定在1100 L/min左右。

從圖12中可以看出，加注前段隨著氫箱冷透以及流量的減小，箭體箱壓下降，進(jìn)箭壓力降低；加注后段流量平穩(wěn)，因此進(jìn)箭壓力穩(wěn)定在0.136 MPa左右。

2.3.4 芯二級(jí)第2次試驗(yàn)液氫參數(shù)分析

芯二級(jí)第2次試驗(yàn)液氫加注流程與第1次試驗(yàn)基本一致，液氫進(jìn)箭的溫度變化如圖13所示，流量變化如圖14所示，壓力變化如圖15所示。

圖13 芯二級(jí)第2次試驗(yàn)大流量加注液氫進(jìn)箭溫度變化曲線Fig.13 Temperature Change of Inlet During Fast Filling in the Second Test of the Second Core Stage

圖14 芯二級(jí)第2次試驗(yàn)液氫進(jìn)箭流量變化曲線Fig.14 Low Rate Change of Inlet in the Second Test of the Second Core Stage

圖15 芯二級(jí)第2次試驗(yàn)液氫進(jìn)箭壓力曲線Fig.15 Pressure Change of Inlet in the Second Test of the Second Core Stage

2.3.4.1 小流量預(yù)冷

從圖13中可以看出，小流量預(yù)冷起始時(shí)間為830 s，到2260 s時(shí)地面輸送管路完全冷透；在2400 s時(shí)氫箱液位為4 m3，預(yù)冷時(shí)間約為23 min；液氫到達(dá)4 m3后，主體液氫溫度為22.7 K。預(yù)冷期間，進(jìn)箭液氫處于氣液混合狀態(tài)。

從圖14中可以看出，預(yù)冷過(guò)程中，氫箱內(nèi)液氫積存量較少，所以無(wú)法監(jiān)測(cè)流量變化。

從圖15中可以看出，當(dāng)管道基本冷透時(shí)，進(jìn)箭壓力到達(dá)一個(gè)峰值（0.193 MPa，2070 s）。

2.3.4.2 大流量加注

從圖 13中可以看出，大流量加注時(shí)間從 2400 s開始，到5800 s結(jié)束，加注過(guò)程約為50 min；整個(gè)加注過(guò)程液氫溫度一直在降低，處于兩相流狀態(tài)，溫度分層明顯。加注前段溫度略有波動(dòng)，加注后段溫度穩(wěn)定（頂部22.7 K，中下部22.5 K）。

從圖14中可以看出，加注過(guò)程前段液氫流量穩(wěn)定在1250 L/min；中段有局部波動(dòng)，最大流量為1700 L/min。

從圖15中還可以看出，進(jìn)箭壓力一直在減小，加注前段進(jìn)箭壓力峰值為0.18 MPa，中段進(jìn)箭壓力穩(wěn)定在0.142 MPa左右。

2.4 液氫加注對(duì)比分析

預(yù)冷時(shí)間為芯一級(jí)第1次14 min、芯一級(jí)第2次23 min、芯二級(jí)第1次20 min、芯二級(jí)第2次23 min。這主要考慮到第 1次較大流量預(yù)冷管路時(shí)，消耗液氫過(guò)多；故后續(xù)3次預(yù)冷過(guò)程中適當(dāng)減小流量，充分利用顯熱，有效降低預(yù)冷損耗，因此預(yù)冷時(shí)間較長(zhǎng)。

4次動(dòng)力試驗(yàn)，液氫小流量預(yù)冷和加注時(shí)，液氫處于兩相流狀態(tài)；只有在兩次芯一級(jí)試驗(yàn)大流量加注時(shí)，液氫才處于單相流狀態(tài)。無(wú)論是兩相流還是單相流輸送，液氫在同一截面上溫度分層明顯。當(dāng)流量為6000 L/min左右時(shí)，液氫溫升最小，液氫溫度約為21.4 K，處于最佳流速狀態(tài)（5.7 m/s），與液氫加注系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)基本一致。在實(shí)際操作過(guò)程中，由于地面液氫貯罐采用手動(dòng)自增壓的方式進(jìn)行擠壓加注，擠壓壓力波動(dòng)明顯，因此不能在最佳流速下長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定加注。

對(duì)比芯一級(jí)第1次、第2次試驗(yàn)在大流量加注時(shí)，采用提前預(yù)冷支管路以及小開度緩慢切換的方法，能有效減少切換過(guò)程中輸送管路內(nèi)的液氫波動(dòng)，使得加注流量和溫度相對(duì)比較平穩(wěn)。但采用多貯罐并行加注的方案，切換波動(dòng)無(wú)可避免。

輸送管道與箭體氫箱一起預(yù)冷過(guò)程，存在一個(gè)壓力峰值；通過(guò)減少預(yù)冷流量和增大氫箱排放能力可以有效抑制壓力峰值。

3 結(jié) 論

a）多貯罐并行加注的方案和流程達(dá)到了不同芯級(jí)動(dòng)力試驗(yàn)液氫加注流量要求；液氫最大流量為9000 L/min；

b）芯一級(jí)液氫大流量加注時(shí)，液氫處于單相流狀態(tài)，滿足動(dòng)力試驗(yàn)進(jìn)箭溫度要求。對(duì)于300 m長(zhǎng)度通徑為150 mm的真空多層加注管道，最佳流速為5.7 m/s，液氫溫升約為1 K。

c）通過(guò)4次某型運(yùn)載火箭芯級(jí)動(dòng)力試驗(yàn)，為該火箭靶場(chǎng)發(fā)射液氫加注提供了有效流程模擬及技術(shù)數(shù)據(jù)參考。