小型液體火箭常規(guī)推進劑機動應(yīng)急保障模式及方案探討

楊潞鋒　軒志勇　楊曉靜　董薇　徐元元

摘? 要：該文分析了現(xiàn)有航天發(fā)射場加注系統(tǒng)的現(xiàn)狀，考慮到今后小型商業(yè)火箭的發(fā)展需要，提出了小型液體火箭常規(guī)推進劑機動應(yīng)急保障模式。通過分析小型液體火箭常規(guī)推進劑機動應(yīng)急保障模式的優(yōu)點，同時研究了機動應(yīng)急保障總體方案，通過研制模塊集成化的加注裝備，可適應(yīng)小型液體火箭的推進劑機動保障，應(yīng)該具有廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：小型液體火箭? 機動應(yīng)急保障? 方案探討

中圖分類號：V434.3 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2020）02（c）-0070-02

推進劑加注系統(tǒng)是航天發(fā)射場地面設(shè)備的重要組成部分，主要承擔火箭臨射前推進劑的加注工作。目前，各發(fā)射場在發(fā)射區(qū)，均建有相對成熟的固定式的常規(guī)推進劑保障系統(tǒng)，具備推進劑貯存、調(diào)溫、流量計在線校驗、庫房回流和塔上回流、加注等多種功能。固定式加注系統(tǒng)這種保障方式，雖然已經(jīng)非常成熟、可靠和穩(wěn)定，但保障模式卻相對單一，特別是在戰(zhàn)場等特殊環(huán)境下，固定目標一旦受到打擊，或者發(fā)生突發(fā)爆炸事故，就會失去保障能力。

1? 機動應(yīng)急保障模式的提出

隨著航天技術(shù)的進步成熟，發(fā)射塔架簡易化和火箭燃料低溫化是發(fā)展趨勢，簡易化后的發(fā)射塔架需要與之配套的加注系統(tǒng)相適應(yīng)，目前各基地只建有庫房固定式推進劑保障系統(tǒng)，沒有配套的機動保障和應(yīng)急保障等其他輔助保障手段。

另外，隨著小型商業(yè)火箭的快速發(fā)展，小型火箭需要機動、快速發(fā)射，因此也需要與之相匹配的機動、快速加注系統(tǒng)。

針對上述情況，該文提出了航天發(fā)射場“小型火箭常規(guī)推進劑機動應(yīng)急保障模式”。推進劑機動應(yīng)急保障具有以下幾個特點。

（1）機動、靈活、快速展開、快速撤收。

（2）保障范圍大。

（3）保養(yǎng)維修便利。

（4）提高發(fā)射區(qū)的安全系數(shù)。

（5）簡化發(fā)射區(qū)固定設(shè)施。

2? 推進劑機動應(yīng)急保障初步方案

2.1 小型火箭轉(zhuǎn)場就位

小型火箭一般是靠車載式“起豎發(fā)射車”完成火箭的轉(zhuǎn)場運輸，將火箭從技術(shù)區(qū)平穩(wěn)可靠地轉(zhuǎn)運到發(fā)射區(qū)，然后進入待加注狀態(tài)。起豎發(fā)射車主要由車體、起豎機構(gòu)、發(fā)射臺、火焰導流裝置、擺桿、車載動力源和配套系統(tǒng)這7個部分組成。

火箭完成技術(shù)區(qū)全部工作后，通過起豎發(fā)射車從技術(shù)區(qū)經(jīng)公路轉(zhuǎn)運至發(fā)射區(qū)指定位置，發(fā)射車按指定方位?？坎㈡i定，進入待加注狀態(tài)。

2.2 小型火箭加注系統(tǒng)配置及加注參數(shù)

小型火箭加注供氣系統(tǒng)采用移動式設(shè)備組成，分為5個車載式模塊：貯存模塊、動力計量模塊、控制指揮模塊、供氣模塊、廢氣模塊。具備完成加注管路吹除、氣密性檢查、推進劑加注信號聯(lián)試、推進劑加注及泄回、廢氣廢液處理等功能。加注系統(tǒng)配置及主要參數(shù)如下。

（1）系統(tǒng)配置。

系統(tǒng)主要由四氧化二氮（簡稱Y）加注槽車2臺（有效容積50m3）、偏二甲肼（簡稱R）加注槽車2臺（有效容積50m3）、氮氣瓶車1臺（車輛尺寸為40英尺）、動力計量車1臺、控制指揮車1臺、Y廢氣處理車（1臺）、R廢氣處理車（1臺）、加注管路等組成。

（2）加注順序。

加注順序為：先加R，后加Y。采用單貯箱順序加注模式：R1級→R2級→Y1級→Y2級。

（3）加注速度。

加注速度：一級大流量加注速度約1500L/min，二級大流量加注速度為400～600L/min，一、二級小流量加注速度為400～600L/min，定量補加注保持流量約

300L/min。

（4）加注方式。

開始以小流量充填管道，當?shù)竭_0液位時，加注轉(zhuǎn)入大流量加注狀態(tài)，加注至定量補加液位時，進行小流量定量補加。

2.3 加注方案

火箭加注推進劑來源于發(fā)射場區(qū)推進劑庫房。加注前，推進劑庫房根據(jù)調(diào)溫要求，對推進劑進行調(diào)溫，然后將氧化劑/燃料分別轉(zhuǎn)注至推進劑加注槽車，再通過公路運輸至發(fā)射工位。在發(fā)射工位將推進劑槽車與貯箱、氣瓶車、廢氣處理車通過管路可靠連接。在完成全系統(tǒng)氣檢、置換、氣電聯(lián)試等工作后進行加注。

（1）燃燒劑加注。

偏二甲肼加注槽車配屏蔽泵2臺，每臺流量1500L/min，揚程50m;配電動隔膜泵1臺，用于加注軟管抽吸，流量3.5m3/h;配大、小流量計各1臺，流量計精度優(yōu)于0.5%;槽車有效容積50m3，最高工作壓力0.3MPa，貯罐外壁做保溫處理。

（2）氧化劑加注。

氧化劑加注槽車配屏蔽泵2臺，每臺流量1500L/min，揚程50m;配電動隔膜泵1臺，用于加注軟管抽吸，流量3.5m3/h;配大、小流量計各1臺，流量計精度優(yōu)于0.5%;推進劑槽車有效容積50m3，最高工作壓力0.3MPa，貯罐外壁作保溫處理。

2.4 供氣方案

（1）用氣需求。

加注系統(tǒng)：考慮置換、管線檢測等，燃燒劑用氣按400Nm3，氧化劑用氣按400Nm3，控制用氣按100Nm3，合計約900Nm3。

箭上用氣：貯箱置換、氣瓶充氣等按在技術(shù)區(qū)進行考慮，箭上考慮貯箱增壓、泄回補壓用氣等（約400Nm3），控制及其他用氣約100Nm3。兩項總計用氣約為1400Nm3。供氣壓力暫按15MPa考慮。

（2）氣瓶車配置。

擬考慮采用16m3/35MPa集裝箱配備平板運輸車進行保障（具體數(shù)量待用氣需求明確后確定），供應(yīng)15MPa以上氮氣約1600Nm3。平板車長為40英尺，氣體集裝箱約30英尺，配氣方艙10英尺，設(shè)置配氣臺（板），將集裝箱的氮氣減壓分配后輸送給發(fā)射臺及加注系統(tǒng)使用。集裝箱的氮氣充氣依托發(fā)射場保障條件。

2.5 廢氣處理方案

（1）偏二甲肼廢氣處理。

偏二甲肼與空氣中O2發(fā)生反應(yīng)，生成無害的CO2、N2和H2O，從而消除了偏二甲肼對環(huán)境的污染。其反應(yīng)機理為：

4O2+（CH3）2N2H2====4H2O+2CO2+N2

37O2+2C12H26====26H2O+24CO2

在燃燒爐膛內(nèi)還可以進行高溫分解反應(yīng)：

（CH3）2N2H2====2CH4+N2

CH4+2O2====CO2+2H2O

試驗結(jié)果表明，燃燒過程平穩(wěn)，偏二甲肼去除率達99.9%以上，尾氣中其他物質(zhì)的含量均達到國家規(guī)定的排放標準。

偏二甲肼廢氣處理車主要由工藝部分、控制部分和車輛載體3個部分組成。車輛載體提供運輸和操作平臺，工藝和控制是處理的核心單元，工藝和控制部分設(shè)備放置于8m長的方艙內(nèi)。

（2）四氧化二氮廢氣處理。

四氧化二氮具有強氧化性，將四氧化二氮廢氣通入己達到一定溫度的柴油燃燒爐中與助燃燃料進行燃燒反應(yīng)，生成無害的CO2、N2和H2O，從而消除了四氧化二氮對環(huán)境的污染。其反應(yīng)機理為：

37N2O4+4C12H26====52H2O+48CO2+37N2

37O2+2C12H26====26H2O+24CO2

在燃燒爐膛內(nèi)還可以進行高溫分解反應(yīng)：

2NO2====2NO+O2

2NO====N2+O2

試驗結(jié)果表明，燃燒過程平穩(wěn)，四氧化二氮去除率達99.9%以上，尾氣中其他物質(zhì)的含量均達到國家規(guī)定的排放標準。

四氧化二氮廢氣處理車主要由工藝部分、控制部分和車輛載體三部分組成。車輛載體提供運輸和操作平臺，工藝和控制是處理的核心單元，工藝和控制部分設(shè)備放置于8m長的方艙內(nèi)。

3? 結(jié)語

該文分析了現(xiàn)有航天發(fā)射場加注系統(tǒng)的現(xiàn)狀，考慮到今后小型商業(yè)火箭的發(fā)展需要，提出了小型火箭常規(guī)推進劑機動應(yīng)急保障模式。通過分析小型火箭常規(guī)推進劑機動應(yīng)急保障模式的優(yōu)點，同時設(shè)計了機動應(yīng)急保障初步方案，通過研制模塊集成化的加注裝備，可適應(yīng)小型火箭的推進劑機動保障，應(yīng)該具有廣泛的前景，并能產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟和軍事效益。

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