1200kN 液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)濕態(tài)停放和快速處理技術(shù)研究

宋亞輕，白旭東，成 潔，王 飛，楊永強(qiáng)

（西安航天動(dòng)力研究所，西安，710100）

0 引 言

1200 kN液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)是新型運(yùn)載火箭的主動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)。當(dāng)火箭載荷不同時(shí)，發(fā)射窗口寬窄不一[1]，嫦娥一號(hào)甚至實(shí)現(xiàn)了零窗口發(fā)射[2]，因此對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)濕態(tài)停放時(shí)間提出了窗口適應(yīng)性要求。另外由于惡劣天氣或突發(fā)故障，導(dǎo)致推進(jìn)劑加注后推遲或中止發(fā)射[3]，若推遲時(shí)間超出發(fā)動(dòng)機(jī)濕態(tài)停放期，則需要泄出發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)腔推進(jìn)劑，按目前地面試車發(fā)動(dòng)機(jī)后處理，工作量大，處理周期長(zhǎng)，不僅延誤發(fā)射進(jìn)程，甚至導(dǎo)致火箭錯(cuò)過(guò)發(fā)射窗口。

為提高火箭發(fā)射可靠性和發(fā)射任務(wù)需求，開(kāi)展發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間濕態(tài)停放適應(yīng)性和箭體環(huán)境使用維護(hù)流程研究，依據(jù)推進(jìn)劑加注流程和隨箭待機(jī)時(shí)間的不同，制定簡(jiǎn)捷高效的適應(yīng)發(fā)射場(chǎng)環(huán)境的后處理方案，可簡(jiǎn)化操作流程，縮短發(fā)動(dòng)機(jī)處理周期。

1 火箭窗口期或延遲發(fā)射對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)要求

火箭執(zhí)行正常發(fā)射流程時(shí)，推進(jìn)劑加注流程有兩個(gè)：a）氧貯箱和發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)腔同時(shí)加注液氧；b）發(fā)動(dòng)機(jī)燃料腔抽真空，打開(kāi)煤油入口隔離閥加注煤油。

根據(jù)火箭測(cè)發(fā)流程和火箭等待或推遲發(fā)射時(shí)間的長(zhǎng)短，梳理出5種工況，涵蓋了三型火箭載荷窗口期要求和推遲發(fā)射時(shí)間段的要求。等待或延遲發(fā)射期間，要求發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)處理后，可隨時(shí)進(jìn)入點(diǎn)火程序，為火箭快速響應(yīng)創(chuàng)造寬松的條件，如表1所示。

表1 火箭對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)處理需求Tab.1 Rocket Request for Engine Rreatment

續(xù)表1

2 發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)前準(zhǔn)備工作

1200 kN液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)氧化劑為液氧，燃料為煤油，煤油系統(tǒng)入口設(shè)有隔離閥，發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 1200kN液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Fig.1 1200kN LOX/Kerosene Rocket Engine System Schematic

由圖1可以看出，氧系統(tǒng)預(yù)冷和煤油系統(tǒng)抽真空是發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)必須完成的準(zhǔn)備工作[4]，箭體環(huán)境下，液氧經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)入口泵前管路、氧泵和泵后管路、預(yù)冷回流閥出口，最終返回氧貯箱，即采用循環(huán)預(yù)冷方案[5]。預(yù)冷將完成時(shí)，燃料系統(tǒng)抽真空充填，抽真空可保證煤油供應(yīng)系統(tǒng)工作穩(wěn)定性和可靠性。

3 氧系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間預(yù)冷適應(yīng)性

3.1 適應(yīng)性分析

氧系統(tǒng)維持低溫狀態(tài)為1200 kN發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)條件。發(fā)動(dòng)機(jī)維持加注液氧狀態(tài)隨箭停放3天。長(zhǎng)時(shí)間預(yù)冷對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)影響主要有以下3個(gè)方面：

a）主泵隔離腔溫度。發(fā)動(dòng)機(jī)煤油泵和氧泵同軸，在結(jié)構(gòu)上，主泵隔離腔將氧泵和煤油泵隔開(kāi)；發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)冷期間，維持隔離腔吹除，以控制隔離腔溫度；需持續(xù)對(duì)該測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)判讀。

b）推力室燃?xì)鈬娗皽囟取０l(fā)動(dòng)機(jī)加注前已拆除推力室保護(hù)堵蓋，燃?xì)馇槐┞对诳諝庵校A(yù)冷期間燃?xì)馇粶囟容^低。為了防止水蒸汽倒吸結(jié)晶，須在預(yù)冷期間對(duì)燃?xì)馇淮党?，氮?dú)獯党郎乜匦Ч柰ㄟ^(guò)地面試車預(yù)冷試驗(yàn)考核。

c）以上兩路吹除均設(shè)有單向閥。單向閥工作時(shí)，閥芯在特定吹除壓力和流量下易發(fā)生顫振[6]，閥芯與外殼長(zhǎng)時(shí)間碰撞，因磨損將導(dǎo)致反向密封失效，需進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

長(zhǎng)時(shí)間低溫狀態(tài)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)是否有影響，須經(jīng)過(guò)整機(jī)試車驗(yàn)證。

3.2 單向閥3天吹除試驗(yàn)

為確保試驗(yàn)準(zhǔn)確性，吹除試驗(yàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)搭載，試驗(yàn)主要分為兩個(gè)階段：首先通過(guò)吹除壓力寬帶掃頻，找到單向閥在各流道顫振吹除壓力；其次，避開(kāi)顫振入口壓力進(jìn)行3天吹除試驗(yàn)，壓力值穩(wěn)定，如圖2所示。試驗(yàn)第1天和完成后分別檢查單向閥反向密封性滿足要求，驗(yàn)證單向閥長(zhǎng)時(shí)間工作的適應(yīng)性。

圖2 單向閥3天吹除壓力曲線Fig.2 Pressure of Check Valve Blowoff Last for Three Days

3.3 整機(jī)預(yù)冷試車

遵循循序漸進(jìn)的原則，1200 kN整機(jī)預(yù)冷試驗(yàn)時(shí)間逐步延長(zhǎng)，先后開(kāi)展預(yù)冷1天、預(yù)冷2天和預(yù)冷3天，測(cè)點(diǎn)顯示泵隔離腔溫度和推力室燃?xì)鈬娗皽囟确€(wěn)定，單向閥后吹除壓力穩(wěn)定，試驗(yàn)后直接進(jìn)入正常流程點(diǎn)火試車，發(fā)動(dòng)機(jī)正常起動(dòng)，工況參數(shù)無(wú)異常，驗(yàn)證了發(fā)動(dòng)機(jī)氧系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間預(yù)冷適應(yīng)。

4 液氧加注后泄出

貯箱加注液氧后，在停放期間貯箱中的液氧大量汽化損耗[7]，若待機(jī)超過(guò)3天，泄出貯箱中的液氧，發(fā)動(dòng)機(jī)在箭體環(huán)境下泄液氧回溫存在如下問(wèn)題：

a）氧腔回流口對(duì)接。

發(fā)動(dòng)機(jī)與艙體對(duì)接后，氧腔回流口與總體氧貯箱對(duì)接，無(wú)法由回流口泄出。

b）地面工裝。

發(fā)射場(chǎng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)用熱空氣吹除氧化劑系統(tǒng)外表面。地面試車狀態(tài)，可在控制室監(jiān)測(cè)氧化劑預(yù)冷回流出口和氧化劑入口處確定回溫進(jìn)程。在發(fā)射場(chǎng)泄液氧回溫時(shí)，箭體已斷電，無(wú)法監(jiān)測(cè)溫度變化。

針對(duì)上述問(wèn)題采取如下措施：a）用地面管路連接已引至艙壁的預(yù)冷回流閥控制口和排放口，液氧從排放口泄出；b）回溫期間，用艙段吹除代替熱空氣回溫；c）用紅外測(cè)溫儀監(jiān)測(cè)氧系統(tǒng)壁溫。

5 濕態(tài)停放3天適應(yīng)性

5.1 適應(yīng)性分析

煤油入口隔離閥打開(kāi)，煤油完成加注后發(fā)動(dòng)機(jī)隨箭停放，與加注液氧相比，增加了對(duì)燃料系統(tǒng)的維護(hù)要求，應(yīng)關(guān)注低溫氧系統(tǒng)對(duì)燃料系統(tǒng)的影響和非金屬組件煤油浸泡適應(yīng)性。

5.1.1 低溫氧系統(tǒng)對(duì)燃料系統(tǒng)的影響

低溫氧系統(tǒng)對(duì)燃料系統(tǒng)的影響為：a）燃料系統(tǒng)壁溫過(guò)低將導(dǎo)致煤油結(jié)冰，發(fā)動(dòng)機(jī)包裹在艙體內(nèi)，燃料腔煤油受氧系統(tǒng)低溫?zé)醾鲗?dǎo)和冷氣對(duì)流影響逐漸降低；b）煤油溫度變化引起燃料腔內(nèi)壓波動(dòng)。

采取的措施為：a）濕態(tài)停放期間維持艙段吹除，避免燃料系統(tǒng)溫度過(guò)低；b）不再關(guān)閉煤油入口隔離閥，發(fā)動(dòng)機(jī)煤油腔壓力變化被貯箱氣墊緩沖吸收；c）貯箱保護(hù)壓和煤油液柱靜壓較小，對(duì)燃料腔影響不大。

5.1.2 非金屬件煤油浸泡適應(yīng)性

燃料管路密封墊、啟動(dòng)箱膠囊、閥門和煤油泵密封墊均為非金屬材料，在煤油浸泡下會(huì)發(fā)生輕微溶脹，將影響其密封性能。因此需開(kāi)展組件煤油浸泡試驗(yàn)和整機(jī)加注煤油停放試驗(yàn)。

5.2 組件相容性試驗(yàn)

5.2.1 閥門煤油浸泡試驗(yàn)

對(duì)典型閥門開(kāi)展常溫和低溫煤油浸泡試驗(yàn)，累計(jì)試驗(yàn)時(shí)間10天；然后對(duì)閥門試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行分階段檢查，使其處于密封良好、打開(kāi)和關(guān)閉壓力穩(wěn)定狀態(tài)。

流量調(diào)節(jié)器是工況轉(zhuǎn)級(jí)、流量調(diào)節(jié)和穩(wěn)定的關(guān)鍵組件， 將流量調(diào)節(jié)器在浸泡煤油 30天后進(jìn)行冷調(diào)試驗(yàn)，流量調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)級(jí)正常。

5.2.2 煤油泵煤油浸泡試驗(yàn)

開(kāi)展煤油泵密封長(zhǎng)時(shí)間常溫和低溫浸泡試驗(yàn)，結(jié)果顯示，煤油泵入口端面密封30天后無(wú)泄漏，分解后產(chǎn)品無(wú)異常，其性能滿足要求。

5.2.3 啟動(dòng)箱相容性試驗(yàn)

啟動(dòng)箱內(nèi)部膠囊隔離液腔和氣腔，腔囊受壓翻轉(zhuǎn)擠破點(diǎn)火裝置啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，經(jīng)60天煤油浸泡，氣密檢查良好。

5.3 整機(jī)濕態(tài)停放試驗(yàn)

發(fā)動(dòng)機(jī)按試車流程加注液氧和煤油，維持加注狀態(tài)，開(kāi)展氧系統(tǒng)和燃料系統(tǒng)在液柱壓力下3天停放試驗(yàn)，如圖3所示，期間煤油系統(tǒng)外壁溫度測(cè)點(diǎn)示值高于煤油結(jié)冰溫度-60 ℃，煤油無(wú)結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)。3天停放試驗(yàn)后，直接進(jìn)入點(diǎn)火流程試車，發(fā)動(dòng)機(jī)正常啟動(dòng)和關(guān)機(jī)，全程工況和測(cè)量參數(shù)無(wú)異常。

圖3 1200kN發(fā)動(dòng)機(jī)濕態(tài)停放試驗(yàn)示意Fig.3 1200kN LOX/Kerosene Standby Test in Propellant Loading

6 7天內(nèi)濕態(tài)停放快速處理

6.1 快速處理論證

6.1.1 泄出液氧

發(fā)動(dòng)機(jī)加注液氧煤油后，推遲或等待4～7天發(fā)射，按火箭要求，超過(guò)3天液氧泄出。

6.1.2 關(guān)閉煤油入口隔離閥

發(fā)動(dòng)機(jī)恢復(fù)常溫，可關(guān)閉入口隔離閥使燃料腔不再承受入口壓力，緩解管路及組件密封處，使發(fā)動(dòng)機(jī)與增壓輸送系統(tǒng)和貯箱界限清晰，保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)不受外界影響，規(guī)避停放期間煤油貯箱或增壓系統(tǒng)因誤操作增壓的風(fēng)險(xiǎn)。

6.1.3 打開(kāi)排放閥泄壓

關(guān)閉煤油入口隔離閥，燃料腔為封閉環(huán)境，打開(kāi)燃料排放閥泄壓，排出部分煤油后關(guān)閉，防止內(nèi)腔煤油受環(huán)境溫度變化壓力增大。

6.1.4 非金屬件煤油浸泡適應(yīng)性

對(duì)燃料路典型閥門、煤油泵和啟動(dòng)箱等含非金屬密封件的組件開(kāi)展煤油相容性試驗(yàn)，試驗(yàn)完成無(wú)煤油泄漏，檢查無(wú)異常。

6.2 整機(jī)試驗(yàn)考核

發(fā)動(dòng)機(jī)按試車流程加注液氧和煤油，維持加注狀態(tài)停放3天，泄出液氧，關(guān)閉煤油入口隔離閥，打開(kāi)排放閥泄壓，繼續(xù)停放6天，前后停放9天。期間監(jiān)測(cè)煤油系統(tǒng)外壁無(wú)滲漏，停放結(jié)束時(shí)，在推力室喉部取樣化驗(yàn)碳?xì)浠衔锖课闯瑯?biāo)，證明整機(jī)燃料腔密封良好。壓力測(cè)點(diǎn)顯示燃料腔內(nèi)壓波動(dòng)很小。停放試驗(yàn)結(jié)束，直接進(jìn)入點(diǎn)火流程試車，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和工況參數(shù)無(wú)異常。

7 不離箭快速處理技術(shù)

7.1 快速泄煤油方案

發(fā)動(dòng)機(jī)停放 7～30天時(shí)，需泄出貯箱及發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)腔煤油。地面試車時(shí)處理流程為：首先拆除渦輪泵泄液口、推力室泄液口和五通泄液口，并連接管路泄煤油；然后打開(kāi)抽真空口泄煤油；最后擠啟動(dòng)箱，通過(guò)五通泄液口再次泄出煤油。

按目前發(fā)動(dòng)機(jī)總裝布局，箭體環(huán)境下，只有推力室泄液口和抽真空口在艙外。不進(jìn)艙簡(jiǎn)化處理解決的途徑有兩種：第1種是將其余4個(gè)接口引出；第2種是通過(guò)艙外的兩個(gè)接口泄煤油。

第1種途徑可保證煤油腔處理后與試車處理方法一致，無(wú)需驗(yàn)證，因發(fā)動(dòng)機(jī)搖擺時(shí)與艙壁之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，必須用金屬軟管引出，布局復(fù)雜，效率低，且增加了處理操作，不宜采用；第2種途徑可極大地減少泄煤油工作量，難點(diǎn)在于按此泄出煤油后，發(fā)動(dòng)機(jī)燃料腔有煤油殘留?；鸺俅芜M(jìn)入發(fā)射流程時(shí)，再次抽真空能否達(dá)到指標(biāo)要求，加注完成后，是否影響發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，需要進(jìn)行煤油充填泄出試驗(yàn)和試車考核。應(yīng)首先對(duì)第2種途徑進(jìn)行分析和試驗(yàn)，若發(fā)動(dòng)機(jī)不適應(yīng)，則再考慮第1種途徑。

7.2 可行性分析

快速泄煤油后，煤油腔殘留的煤油分布如圖4所示，啟動(dòng)箱、轉(zhuǎn)級(jí)腔和煤油泵積存的煤油無(wú)法泄出。

發(fā)動(dòng)機(jī)燃料腔存在幾個(gè)盲腔，盲腔內(nèi)組件的煤油相容性需驗(yàn)證。分析認(rèn)為簡(jiǎn)化泄煤油的主要風(fēng)險(xiǎn)為：燃料腔內(nèi)未泄出的煤油經(jīng)再次抽真空后，變成氣液混合狀態(tài)或懸浮煤油夾氮?dú)鈮|，再次充填無(wú)法將夾雜的氮?dú)馀懦?，將?huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火及轉(zhuǎn)級(jí)時(shí)序異常，啟動(dòng)失敗。關(guān)鍵的部位有兩處：再次抽真空后啟動(dòng)箱內(nèi)真空度和流量調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)級(jí)腔真空度。

圖4 快速處理后殘留煤油分布示意Fig.4 Kerosene Remain after Fast Processing

7.3 組件試驗(yàn)

燃料腔組件通過(guò)了長(zhǎng)時(shí)間浸泡煤油相容性試驗(yàn)考核，啟動(dòng)箱已實(shí)現(xiàn)免復(fù)位[8]，通過(guò)增加試驗(yàn)驗(yàn)證了啟動(dòng)箱在充填煤油貯存60天后，抽真空滿足啟動(dòng)前真空度指標(biāo)要求，啟動(dòng)箱充滿煤油抽真空時(shí)間比無(wú)煤油情況延長(zhǎng)，如圖5所示。

圖5 啟動(dòng)箱充填煤油貯存后抽真空曲線Fig.5 Starting Box Creation of Vacuum in Filling State Storage

7.4 整機(jī)快速泄煤油和試車考核

1200 kN發(fā)動(dòng)機(jī)按點(diǎn)火流程加注煤油，從推力室泄液口和抽真空口泄出燃料腔煤油，測(cè)量泄出煤油體積，快速處理泄出的煤油體積為正常流程泄出量的 86%。然后進(jìn)行煤油腔試抽真空，啟動(dòng)箱液腔和流量調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)腔真空度滿足要求，但抽真空時(shí)間需大幅增加。按正常流程加注液氧和煤油，檢測(cè)啟動(dòng)條件滿足后，直接點(diǎn)火試車，獲得成功，試后分析發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和工況參數(shù)正常，驗(yàn)證了煤油快速處理方案的可行性。

8 結(jié) 論

a）首次實(shí)現(xiàn)了1200 kN液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)3天預(yù)冷和煤油7天不泄出停放，完成了組件飛行狀態(tài)裕度試驗(yàn)和相容性試驗(yàn)，整機(jī)長(zhǎng)時(shí)間濕態(tài)停放后試車考核，拓寬了火箭緊急情況下推遲發(fā)射的時(shí)間裕度；

b）提出一種可靠的不離箭快速處理方案，開(kāi)展了關(guān)鍵組件適應(yīng)性試驗(yàn)考核和發(fā)射場(chǎng)真實(shí)流程整機(jī)模擬試車考核，使發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)射場(chǎng)使用維護(hù)簡(jiǎn)便快捷、易操作。