消氫裝置安全護(hù)航我國(guó)新一代液氫液氧運(yùn)載火箭發(fā)射

鄧康清，龐愛(ài)民，王相宇，劉 學(xué)，尹華麗，朱雯娟

(湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所，襄陽(yáng) 441003)

低溫推進(jìn)劑液氫/液氧因能量高、比沖大、燃?xì)馇鍧嵍诨鸺I(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。但在4%～8%體積分?jǐn)?shù)的較低的氫氣濃度下，液氫具有爆燃的危害，此時(shí)燃燒產(chǎn)生的壓力波以亞音速傳播[2]；在氫氣體積分?jǐn)?shù)18.3%～59%情況下，可產(chǎn)生嚴(yán)重的以超音速傳播的爆轟的危害[3-4]，液氫的這種易燃、易爆和易滲漏等特性，給貯存、保管、加注和發(fā)射帶來(lái)諸多不便[1]。由液氫泄漏等導(dǎo)致的事故有很多[5]，為此開(kāi)展了液氫擴(kuò)散、蒸發(fā)和泄漏的規(guī)律性研究[6-7]和航天器發(fā)射場(chǎng)安全保障技術(shù)措施研究[8]，以保證航天發(fā)射任務(wù)的安全性。以CZ-5為代表的運(yùn)載火箭是我國(guó)全新研制的推力最大、直徑最大的新一代重型運(yùn)載火箭，也是我國(guó)第一次采用液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)載火箭。這種運(yùn)載火箭在發(fā)射前噴管會(huì)直接向發(fā)射平臺(tái)周?chē)h(huán)境排放大量的低溫氫氣，這些低溫氫氣是火箭發(fā)射的最大危險(xiǎn)源，與空氣混合，形成可燃?xì)鈭F(tuán)，遇靜電或明火，可發(fā)生燃燒和爆炸，損壞發(fā)射場(chǎng)的設(shè)備和設(shè)施，甚至影響火箭推進(jìn)劑貯箱的安全，導(dǎo)致星箭俱毀。針對(duì)這一背景，湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所開(kāi)展了液氫液氧運(yùn)載火箭用消氫裝置的研制。圖1為運(yùn)載火箭發(fā)射時(shí)消氫裝置引燃低溫氫氣的情況。

(a) Fired hydrogen-eliminated device

(b) Hydrogen-eliminated device ignited LH2

消氫裝置是一種特種固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。它在液氫液氧主發(fā)動(dòng)機(jī)工作前一定時(shí)間點(diǎn)火，利用發(fā)動(dòng)機(jī)中推進(jìn)劑燃燒產(chǎn)生的高溫、高速金屬粒子流點(diǎn)燃運(yùn)載火箭發(fā)射前從大噴管排出的低溫氫氣，從而避免大量聚集的氫氣成為運(yùn)載火箭發(fā)射的危險(xiǎn)源，保證運(yùn)載火箭發(fā)射的安全。因此，消氫裝置是采用液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)載火箭的保護(hù)神。

消氫裝置采用雙層保護(hù)設(shè)計(jì)，由發(fā)動(dòng)機(jī)和安全附件組件兩部分組成，發(fā)動(dòng)機(jī)和安全附件組成內(nèi)外兩層殼體，內(nèi)層殼體實(shí)際是一種火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，可實(shí)現(xiàn)噴射高溫金屬粒子羽流的特殊功能；外層殼體為安全附件，起到防爆隔熱的功能：一方面，為發(fā)動(dòng)機(jī)工作提供更加穩(wěn)定的工作環(huán)境，避免運(yùn)載火箭點(diǎn)火時(shí)產(chǎn)生的高熱流沖擊；另一方面，也提供了安全防爆功能，防止點(diǎn)火裝置在工作過(guò)程中出現(xiàn)爆炸，而損毀火箭和設(shè)備。因此,消氫裝置具有高安全性、高可靠性的特點(diǎn)。

據(jù)報(bào)道，世界上美國(guó)航天飛機(jī)的發(fā)射也采用了該類(lèi)消氫安全防護(hù)技術(shù)。

1 消氫裝置研制關(guān)鍵技術(shù)

由于消氫裝置是通過(guò)高溫金屬粒子流點(diǎn)燃液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)噴管排放的低溫氫氣來(lái)消除消氫的，因此消氫裝置必須能產(chǎn)生足夠高溫度的金屬粒子以點(diǎn)燃?xì)錃?，足夠大的高溫金屬粒子范圍以可靠點(diǎn)燃?xì)錃?，足夠高的高溫金屬粒子噴射速度以抵御大風(fēng)環(huán)境，足夠好的安全性以防止爆炸對(duì)火箭本身和地面設(shè)施的破壞。

消氫裝置國(guó)內(nèi)沒(méi)有現(xiàn)成的產(chǎn)品，需要全新研制。其技術(shù)難點(diǎn)在于：無(wú)現(xiàn)成的推進(jìn)劑配方，需要研究；無(wú)現(xiàn)成安全可靠的裝置，需要設(shè)計(jì)；不清楚低壓下推進(jìn)劑穩(wěn)定點(diǎn)火燃燒的條件，需要研究；不知道產(chǎn)生高溫金屬粒子的條件，需要摸索。研制中經(jīng)過(guò)兩個(gè)方案數(shù)百次實(shí)驗(yàn)，攻克了高溫金屬粒子流發(fā)生技術(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火及穩(wěn)定燃燒控制技術(shù)、金屬粒子流噴射點(diǎn)氫技術(shù)、金屬粒子流噴射軌跡控制技術(shù)、明火時(shí)間控制技術(shù)、粒子流抗風(fēng)技術(shù)、裝置安全可靠性技術(shù)等多項(xiàng)技術(shù)難關(guān)，研制出了滿(mǎn)足火箭發(fā)射時(shí)要求消氫的產(chǎn)品。

消氫裝置主要技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)包括：

(1)高溫金屬粒子流發(fā)生技術(shù)

常規(guī)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰中的金屬粒子在離開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)噴口時(shí)已基本燃燒完畢，無(wú)高溫金屬粒子。本項(xiàng)目在流場(chǎng)分析基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出了一種亞音速流場(chǎng)的特種發(fā)動(dòng)機(jī)，并研制了一種新型金屬基富燃料推進(jìn)劑，實(shí)現(xiàn)了噴射高溫金屬粒子流的要求。

(2)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火及穩(wěn)定燃燒控制技術(shù)

在低壓下燃燒不穩(wěn)定、點(diǎn)火延遲時(shí)間長(zhǎng)是采用低燃速推進(jìn)劑的低壓發(fā)動(dòng)機(jī)研制中普遍存在的技術(shù)難題。消氫裝置是一個(gè)既采用低燃速推進(jìn)劑又在低壓下工作的發(fā)動(dòng)機(jī)，點(diǎn)火延遲時(shí)間長(zhǎng)，并有喘振現(xiàn)象。研制中通過(guò)采用高燃速引燃藥環(huán)持續(xù)點(diǎn)火引燃金屬基富燃料推進(jìn)劑，并設(shè)計(jì)定向器等方法，成功消除了喘振，縮短了點(diǎn)火延遲時(shí)間。

(3)金屬粒子流噴射點(diǎn)氫技術(shù)

研制初期測(cè)得點(diǎn)火裝置粒子流溫度僅為850 K，不能點(diǎn)燃?xì)錃?。為此，通過(guò)調(diào)節(jié)推進(jìn)劑配方，選用合適的金屬粒子種類(lèi)、含量和配比，提高推進(jìn)劑配方燃溫，研制出能產(chǎn)生金屬粒子的新型金屬基富燃料推進(jìn)劑，大幅度提高了粒子溫度，成功點(diǎn)燃?xì)錃狻?/p>

(4)金屬粒子流噴射軌跡控制技術(shù)

常規(guī)固體發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)尾焰中的金屬粒子存在散射直徑大、存在時(shí)間短、粒子分布難以控制的難題。本裝置的尾流場(chǎng)為亞音速流動(dòng)，流場(chǎng)中粒子軌跡更加難以控制。通過(guò)設(shè)計(jì)一種特殊的亞音速直型噴管，成功解決了金屬粒子流軌跡控制、飛行距離控制的難題。

(5)明火時(shí)間控制技術(shù)

固體推進(jìn)劑燃燒完后，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)非金屬材料分解出的可燃?xì)怏w與空氣中的氧氣結(jié)合燃燒會(huì)產(chǎn)生明火，明火燃燒時(shí)間長(zhǎng)短一般很難控制。本裝置中通過(guò)選用耐燒蝕降溫層的方法，成功縮短了明火時(shí)間。

(6)粒子流抗風(fēng)技術(shù)

在能夠產(chǎn)生金屬粒子的前提下，通過(guò)調(diào)整噴管喉徑和推進(jìn)劑燃速，提高了金屬粒子的噴射速度和噴射距離，從而提高了粒子流的抗風(fēng)性能，滿(mǎn)足了大風(fēng)環(huán)境對(duì)金屬粒子的抗風(fēng)要求。

(7)裝置安全可靠性技術(shù)

由于消氫裝置是液氫液氧火箭發(fā)射前的最后一道安全關(guān)卡，這就要求裝置既具有本質(zhì)安全性，又具有低易損性。本消氫裝置通過(guò)設(shè)置燃燒室薄弱環(huán)節(jié)和設(shè)計(jì)安全附件，提高了裝置的安全性，達(dá)到了本體安全問(wèn)題不會(huì)影響到周邊設(shè)備設(shè)施，周邊危險(xiǎn)也難以影響到裝置本身安全的要求。

此外，消氫裝置還通過(guò)采用一種加長(zhǎng)特型噴管，提高了燃?xì)庠趪姽苤械娜紵耆?，有效降低了消氫裝置黑色煙霧含量。

2 消氫裝置研制進(jìn)展及應(yīng)用

為考察消氫裝置的環(huán)境適應(yīng)性，消氫裝置通過(guò)了溫度沖擊試驗(yàn)、點(diǎn)火裕度試驗(yàn)、濕熱試驗(yàn)、2 m跌落試驗(yàn)、烤燃試驗(yàn)、金屬粒子流抗風(fēng)試驗(yàn)、振動(dòng)及運(yùn)輸試驗(yàn)等多種環(huán)境試驗(yàn)的考核，并隨總體進(jìn)行了低溫液氫點(diǎn)燃試驗(yàn)、芯一級(jí)動(dòng)力試車(chē)試驗(yàn)和發(fā)射場(chǎng)合練試驗(yàn)，這些試驗(yàn)均成功點(diǎn)燃低溫氫氣。

消氫裝置可靠性得到多次發(fā)射驗(yàn)證。

2016年11月3日，研制的消氫裝置首次應(yīng)用在液氫液氧運(yùn)載火箭上，在海南文昌發(fā)射中心 “準(zhǔn)確、準(zhǔn)時(shí)”點(diǎn)燃了火箭發(fā)射的“第一把火”，消除了火箭發(fā)射前大噴管排放的大量低溫氫氣的危險(xiǎn)，安全護(hù)航火箭首飛。

2020年5月5日，消氫裝置參加液氫液氧運(yùn)載火箭發(fā)射空間站艙段首飛成功。

2019年12月27日、2020年7月23日和2020年11月24日，消氫裝置又分別安全護(hù)航我國(guó)液氫液氧火箭成功發(fā)射實(shí)踐二十號(hào)衛(wèi)星、“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)器和“嫦娥五號(hào)”月球探測(cè)器。