低溫推進(jìn)劑交叉輸送管路關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展

許 浩，容 易，季 偉，崔 晨，王 夕，陳士強(qiáng)，陳六彪，王俊杰

（1.中國(guó)科學(xué)院 低溫工程學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（理化技術(shù)研究所），北京 100190；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 工程科學(xué)學(xué)院，北京 100049；3.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076）

0 引言

目前，氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)是世界范圍內(nèi)運(yùn)載火箭的主流推進(jìn)動(dòng)力之一［1］。利用液氫液氧作為低溫推進(jìn)劑的運(yùn)載火箭稱為低溫火箭。為了實(shí)現(xiàn)并提高低溫火箭推進(jìn)系統(tǒng)的動(dòng)力冗余能力，低溫推進(jìn)劑交叉輸送（CPCF）技術(shù)在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有概念設(shè)計(jì)和相關(guān)應(yīng)用。國(guó)外NASA、波音公司以及SpaceX 等機(jī)構(gòu)都進(jìn)行了相關(guān)的技術(shù)探索和儲(chǔ)備。國(guó)內(nèi)上海宇航系統(tǒng)工程研究所、北京宇航系統(tǒng)工程研究所等單位也開(kāi)展了相關(guān)研究。采用CPCF 技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)芯級(jí)和助推級(jí)動(dòng)力系統(tǒng)推進(jìn)劑的合理利用，從而提高兩級(jí)動(dòng)力系統(tǒng)的冗余能力，不僅能將設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)測(cè)試評(píng)估（DDT&E）所需成本降低約25%，還能同時(shí)提高系統(tǒng)的安全性和可靠性［2］。交叉輸送管路是該技術(shù)的核心部件，梳理歸納交叉輸送管路的關(guān)鍵技術(shù)對(duì)于CPCF 技術(shù)的研發(fā)及應(yīng)用具有重要意義。

1 系統(tǒng)形式及原理

推進(jìn)劑交叉輸送技術(shù)是一種能夠提高飛行器推進(jìn)系統(tǒng)模塊之間的通用性，實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑可靠有效利用的推進(jìn)劑管理技術(shù)。通常推進(jìn)劑交叉輸送系統(tǒng)主要由芯級(jí)/助推級(jí)推進(jìn)劑貯箱、流體管路、芯級(jí)/助推級(jí)隔離閥和分離連接裝置等組成［3］。推進(jìn)劑貯箱用于儲(chǔ)存液體燃料和氧化劑，要求低溫絕熱、結(jié)構(gòu)可靠。流體管路作為氧化劑和燃料傳輸分配的載體，要求管路設(shè)計(jì)合理。閥門起到調(diào)節(jié)流量和壓力的作用，其中，隔離閥是關(guān)鍵部件之一，要求在助推分離過(guò)程中保證切斷推進(jìn)劑的輸送及分離端口的可靠密封。分離連接裝置需要在助推分離前可靠連接管路，助推分離時(shí)穩(wěn)定解鎖分離。增壓系統(tǒng)具有穩(wěn)定推進(jìn)系統(tǒng)壓力，維持推進(jìn)劑正常輸送的功能。

常見(jiàn)的交叉輸送形式有管線與管線型、貯箱與貯箱型［4-8］，如圖1 所示。管線-管線型優(yōu)勢(shì)為相對(duì)簡(jiǎn)單，通過(guò)控制閥門實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑穩(wěn)流，但是分離時(shí)同樣需要保證穩(wěn)流，且在助推級(jí)分離前，隨著時(shí)間推移芯級(jí)貯箱推進(jìn)劑在外部環(huán)境漏熱下不斷蒸發(fā)，尤其是液氫，貯箱內(nèi)會(huì)出現(xiàn)氣液分層［4］。貯箱與貯箱型優(yōu)勢(shì)為推進(jìn)劑流動(dòng)近似定常流動(dòng)，但是需要設(shè)計(jì)自增壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑擠壓輸送［4］。雖然兩種形式特點(diǎn)具有差異，但是兩種系統(tǒng)都包含有一段相同的管路，即助推級(jí)隔離閥1 和4、芯級(jí)隔離閥3 和6 以及連接分離裝置2 和5。這部分管路就是CPCF 技術(shù)的核心管路，其工作原理為：助推分離前助推級(jí)和芯級(jí)的隔離閥處于開(kāi)啟狀態(tài)，連接分離裝置處于鎖緊狀態(tài)；助推分離時(shí)，兩級(jí)隔離閥按程序關(guān)閉，連接分離裝置解鎖并拋離助推級(jí)。

圖1 推進(jìn)劑交叉輸送形式Fig.1 Cross feed forms of propellant

2 發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外均開(kāi)展了CPCF 技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用。國(guó)外已經(jīng)有部分型號(hào)的飛行器系統(tǒng)應(yīng)用了CPCF 技術(shù)。如圖2 所示，美國(guó)航天飛機(jī)優(yōu)先消耗外貯箱的推進(jìn)劑，耗盡后進(jìn)行分離［5，9］。在此基礎(chǔ)上，美國(guó)開(kāi)始進(jìn)行新一代航天飛機(jī)［6-7，9］的交叉輸送技術(shù)研究。運(yùn)載火箭的交叉輸送技術(shù)大多停留在理論設(shè)計(jì)層面。三級(jí)并聯(lián)-運(yùn)載火箭的設(shè)計(jì)（如圖3 所示）已有發(fā)明專利，其形式為貯箱之間的推進(jìn)劑共用［10］。宇宙神火箭發(fā)動(dòng)機(jī)之間的推進(jìn)劑共用（如圖4 所示）和歐洲航天局Ariane 4 火箭的交叉增壓均已實(shí)現(xiàn)［8］。然而，CPCF 技術(shù)在國(guó)內(nèi)起步較晚，仍處于試驗(yàn)探索階段。

圖2 航天飛機(jī)交叉輸送系統(tǒng)Fig.2 Cross feed system of space shuttle

圖3 三級(jí)火箭交叉輸送系統(tǒng)Fig.3 Cross feed system of three-stage rocket

圖4 宇宙神發(fā)動(dòng)機(jī)間交叉輸送系統(tǒng)Fig.4 Cross feed system of Atlas rocket engines

目前CPCF 技術(shù)的研發(fā)主要包括概念方案、流程模擬和縮比試驗(yàn)等。GORMLEY 等［11］對(duì)比分析了交叉輸送技術(shù)在兩級(jí)飛行器系統(tǒng)的應(yīng)用形式，為實(shí)際選擇交叉輸送技術(shù)的方案提供了參考。STANLEY 等［12-13］和SMITH 等［2］論證了推進(jìn)劑交叉輸送技術(shù)的優(yōu)越性。NGUYEN 等［14］基 于EASY5 仿真平臺(tái)，建立了貯箱和交叉輸送閥門的熱力學(xué)模型，分析了液氫液氧貯箱氣隙（貯箱內(nèi)液面以上的空間）壓力、氣隙質(zhì)量等參數(shù)的變化規(guī)律，確定了助推級(jí)和軌道級(jí)之間交叉輸送止回閥門的工作壓差約為103 kPa。在此基礎(chǔ)上，發(fā)展了一種用于可重復(fù)使用的兩級(jí)入軌飛行器交叉輸送系統(tǒng)的增壓系統(tǒng)模型［15］。為了分析兩級(jí)分離過(guò)程時(shí)如何實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑的穩(wěn)流及壓力的恒定，SCHWANEKAMP 等［4］利用軟件PMP 完成了貯箱-貯箱型、管線-管線型的穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬，并結(jié)合軟件EcosimPro 完成了瞬態(tài)（分離過(guò)程）數(shù)值模擬。在穩(wěn)態(tài)過(guò)程中，管線-管線型形式簡(jiǎn)單，但是解鎖分離動(dòng)作會(huì)導(dǎo)致管路中出現(xiàn)晃動(dòng)，因此貯箱-貯箱型相對(duì)更可靠；此外，液氫和液氧在選用交叉輸送形式時(shí)存在差異。

國(guó)內(nèi)學(xué)者圍繞交叉輸送系統(tǒng)的原理、形式和關(guān)鍵技術(shù)等內(nèi)容也開(kāi)展了相應(yīng)的模擬與試驗(yàn)研究。符錫理［5］分別分析了航天動(dòng)力裝置中并聯(lián)和串聯(lián)形式的液體推進(jìn)劑交叉輸送管路，闡述了系統(tǒng)中分離連接裝置的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。廖少英等［6］進(jìn)行了以水為介質(zhì)的縮比試驗(yàn)，研制了新型隔離閥門，驗(yàn)證了兩種分離方案的可靠性。馬方超［3］系統(tǒng)性地梳理了交叉輸送系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)結(jié)合AMEsim軟件仿真模擬，開(kāi)展了系統(tǒng)的試驗(yàn)，分析了系統(tǒng)中的壓力參數(shù)，得到了推進(jìn)劑切換過(guò)程中隔離閥前的壓力需要持續(xù)穩(wěn)定的結(jié)論。湯波等［16］利用Flow-3D軟件對(duì)系統(tǒng)中的總體參數(shù)匹配以及貯箱的晃動(dòng)特性進(jìn)行了模擬分析，結(jié)果表明助推級(jí)-芯級(jí)輸送宜使用重力輸送方式。綜上所述，關(guān)于推進(jìn)劑交叉輸送技術(shù)的研究主要偏向于系統(tǒng)參數(shù)、形式進(jìn)行開(kāi)展，對(duì)于CPCF 技術(shù)核心管路存在的低溫密封、低溫推進(jìn)劑管理以及解鎖分離等技術(shù)問(wèn)題研究的相對(duì)較少，這些問(wèn)題直接關(guān)系到CPCF 技術(shù)的可靠性與安全性。因此，梳理總結(jié)核心管路中的難點(diǎn)問(wèn)題對(duì)CPCF 技術(shù)的發(fā)展具有一定的價(jià)值。

3 核心管路關(guān)鍵技術(shù)

3.1 低溫密封

CPCF 技術(shù)的工質(zhì)主要為液氫、液氧等低溫推進(jìn)劑，具有易燃易爆、沸點(diǎn)低、飽和壓力低等特點(diǎn)。因此，介于工質(zhì)的特點(diǎn)，需要考慮密封件材料在相應(yīng)介質(zhì)下的工作性能。對(duì)于液氧則需要考慮密封件材料的耐氧沖擊性，對(duì)于液氫則要防止密封件材料的氫脆現(xiàn)象。在CPCF 核心管路中應(yīng)用低溫密封的部位主要是助推級(jí)與芯級(jí)的連接分離端面和隔離閥。連接分離端面的密封設(shè)計(jì)需要考慮的因素有：1）與永久性密封不同，連接分離端面處的密封結(jié)構(gòu)既要滿足密封比壓要求，又要保證解鎖分離的順利完成，有學(xué)者稱其為半靜密封［17］；2）在晃動(dòng)環(huán)境下需要保證密封可靠穩(wěn)定。

地面推進(jìn)劑加注管路系統(tǒng)中同樣存在類似的密封部位，即低溫推進(jìn)劑加注自動(dòng)脫落連接器的連接處。該連接處的密封結(jié)構(gòu)對(duì)CPCF 核心管路連接分離端面的密封設(shè)計(jì)具有很高參考價(jià)值。其密封結(jié)構(gòu)主要有球面對(duì)錐面（如圖5 所示）和插拔式（如圖6 所示）密封結(jié)構(gòu)［5，17-18］。球面對(duì)錐面的密封結(jié)構(gòu)具有良好的自位對(duì)中性能，插拔式的密封結(jié)構(gòu)則允許軸向存在較大的位移。對(duì)于大口徑低溫推進(jìn)劑加注管路連接處的密封一般設(shè)置有兩道密封結(jié)構(gòu)，對(duì)于液氫管路甚至設(shè)有三道密封［17］。然而，地面低溫推進(jìn)劑加注連接器的連接處密封受到晃動(dòng)因素的影響要遠(yuǎn)弱于CPCF 核心管路的連接分離端面。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的晃動(dòng)可能會(huì)對(duì)密封件產(chǎn)生疲勞損害等不利影響，致使密封失效。因此，CPCF 核心管路連接分離端面還需要對(duì)晃動(dòng)環(huán)境下的密封進(jìn)行模擬和試驗(yàn)。

圖5 球面對(duì)錐面雙道密封Fig.5 Ball to cone dual seal

圖6 插拔式“V”型密封Fig.6 Plug-in“V”type seal

3.2 低溫推進(jìn)劑管理控制

在CPCF 核心管路中需要考慮的低溫推進(jìn)劑管理控制問(wèn)題主要有：1）保證助推分離時(shí)助推級(jí)和芯級(jí)隔離閥按設(shè)定動(dòng)作指令關(guān)閉，考慮關(guān)閉過(guò)程產(chǎn)生的水擊壓力；2）考慮兩級(jí)隔離閥之間的管路內(nèi)剩余推進(jìn)劑排放問(wèn)題［8］；3）考慮助推級(jí)分離后芯級(jí)隔離閥所處一段管路的熱防護(hù)。

CPCF 核心管路中包含的助推級(jí)和芯級(jí)的隔離閥起到了切斷連通推進(jìn)劑輸送管的作用。一般用于管路快速切斷連通的閥門主要有球閥和蝶閥。這兩種形式的閥門都屬于旋轉(zhuǎn)類閥門，從全開(kāi)狀態(tài)切換至全閉狀態(tài)只需要將啟閉件繞閥桿旋轉(zhuǎn)90°，其快速啟閉的性能符合CPCF 技術(shù)的操作要求。在關(guān)閉過(guò)程中，隔離閥開(kāi)度減小，流體管路阻力損失增大，這時(shí)推進(jìn)劑輸送動(dòng)力需要及時(shí)匹配。同時(shí)，由于關(guān)閉時(shí)間短，要考慮關(guān)閥動(dòng)作導(dǎo)致的水擊壓力，需要采取措施將壓力控制在可接受范圍內(nèi)。例如通過(guò)設(shè)置合理的控制策略調(diào)整其余閥門的開(kāi)度來(lái)保證貯箱壓力的穩(wěn)定［19］。當(dāng)管路連接分離裝置解鎖分離時(shí)，由于液氫液氧等低溫推進(jìn)劑易燃易爆，位于隔離閥之間管路內(nèi)的推進(jìn)劑需要優(yōu)先進(jìn)行控制排放，還可防止連接分離裝置附近出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，保證解鎖分離正常進(jìn)行［8］。此外，助推分離后，芯級(jí)側(cè)隔離閥的啟閉件將直接與外部環(huán)境接觸，由于低溫推進(jìn)劑飽和溫度低，受到外界熱流容易蒸發(fā)氣化產(chǎn)生蒸汽，局部出現(xiàn)超壓，需要分析評(píng)估該處漏熱對(duì)芯級(jí)低溫推進(jìn)劑管路的安全風(fēng)險(xiǎn)影響。

3.3 管路連接分離

在CPCF 核心管路中連接分離裝置具有連接分離助推級(jí)和芯級(jí)輸送管路的作用。在助推級(jí)貯箱推進(jìn)劑消耗完后，要滿足助推級(jí)和芯級(jí)的隔離閥關(guān)閉動(dòng)作完成后，連接分離裝置及時(shí)按時(shí)序進(jìn)行解鎖分離，拋離助推級(jí)無(wú)效結(jié)構(gòu)。連接工況時(shí)，連接鎖緊力要滿足在晃動(dòng)環(huán)境下連接可靠穩(wěn)定；分離工況時(shí)，分離驅(qū)動(dòng)力要能實(shí)現(xiàn)助推級(jí)和芯級(jí)管路的可靠平穩(wěn)分離。箭上解鎖分離裝置可分為火工分離和非火工分離［20］?；鸸し蛛x技術(shù)成熟，應(yīng)用較廣，但是涉及管路連接分離較少?；鸸し蛛x裝置驅(qū)動(dòng)能源大多數(shù)與箭上電源相容，設(shè)計(jì)緊湊，缺點(diǎn)主要體現(xiàn)在爆炸分離沖擊難以控制，并且會(huì)產(chǎn)生爆炸碎屑，在低溫推進(jìn)劑管路的分離過(guò)程中易產(chǎn)生爆炸危險(xiǎn)。

因此，需要對(duì)火工分離產(chǎn)生的爆炸碎屑采取措施進(jìn)行控制。然而，一般火工分離裝置產(chǎn)生的爆炸碎屑具有一定隨機(jī)性，較難控制，難以適用于低溫推進(jìn)劑管路的連接分離。為了解決管路的連接分離問(wèn)題，發(fā)展可靠穩(wěn)定的非火工分離裝置是一個(gè)需要攻克的技術(shù)難題。

目前，在液化天然氣裝卸臂［21］和地面推進(jìn)劑加注自動(dòng)脫落連接器［5，17，22］中已經(jīng)有類似裝置的應(yīng)用，可以為CPCF 核心管路的連接分離裝置提供參考。液化天然氣裝卸臂的連接分離裝置主要由離合爪、推桿與卡箍組成。意大利MIB 公司研制的連接分離裝置使用了離合爪機(jī)構(gòu)，如圖7 所示，能實(shí)現(xiàn)低溫流體加注管路的快速連接與分離，工作原理為：連通管路時(shí)，通過(guò)周向均布的鉤爪鎖緊，保證可靠連接；分離管路時(shí)，鉤爪解鎖釋放。美國(guó)SVT 公司研制的用于低溫流體管路快速連接分離的裝置使用了推桿與卡箍的組合機(jī)構(gòu)，如圖8 所示，通過(guò)驅(qū)動(dòng)推桿向下運(yùn)動(dòng)，平穩(wěn)關(guān)閉兩側(cè)隔離閥后，再頂開(kāi)中間的卡箍，實(shí)現(xiàn)解鎖分離。與液化天然氣裝卸臂的連接分離裝置類似，地面推進(jìn)劑加注自動(dòng)脫落連接器的結(jié)構(gòu)形式可歸納為在管路周向均布鎖緊機(jī)構(gòu)，主要有離合爪機(jī)構(gòu)和球鎖機(jī)構(gòu)［22］。用于地面低溫推進(jìn)劑加注的離合爪機(jī)構(gòu)［5］，如圖9 所示，其工作原理與液化天然氣裝卸臂的離合爪機(jī)構(gòu)一致。連接管路時(shí)，控制氣從A 處通入；分離管路時(shí)，控制氣由B處通入，從A 處放出。應(yīng)用于美國(guó)土星V 運(yùn)載火箭上液氫液氧加注管路的自動(dòng)脫落連接器，如圖10 所示，其工作原理為：連接管路時(shí)，通過(guò)均布于圓周上的3 個(gè)球鎖機(jī)構(gòu)與對(duì)應(yīng)的管接頭連接；分離管路時(shí)，3 個(gè)球鎖機(jī)構(gòu)在氣源壓力驅(qū)動(dòng)下解鎖分離［5］。由于液化天然氣裝卸臂和地面推進(jìn)劑加注管路的連接分離裝置應(yīng)用場(chǎng)合為地面，受空間限制小，工作環(huán)境平穩(wěn)，然而CPCF 連接分離裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還需要考慮結(jié)構(gòu)重量與箭上安裝空間，整個(gè)裝置增加的結(jié)構(gòu)重量與總體提高的有效載荷需要對(duì)比分析。此外，驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源需要與箭上動(dòng)力源相互匹配，例如箭上電源、氣源分配給連接分離裝置驅(qū)動(dòng)力的定量分析。同時(shí)，在飛行過(guò)程中進(jìn)行解鎖分離，還需要考慮振動(dòng)因素的干擾。

圖7 MIB 連接分離裝置Fig.7 MIB connection-separation device

圖8 SVT 連接分離裝置Fig.8 SVT connection-separation device

圖9 離合爪式連接器Fig.9 Clutch claw type connector

圖10 球鎖式連接器Fig.10 Ball lock type connector

4 結(jié)束語(yǔ)

CPCF 技術(shù)是提高飛行器動(dòng)力冗余能力的關(guān)鍵技術(shù)之一，能夠有效提高飛行器系統(tǒng)的可靠性和運(yùn)載能力。實(shí)現(xiàn)該技術(shù)需要解決其核心管路的三方面技術(shù)難題，即低溫密封、低溫推進(jìn)劑管理以及管路連接分離。本文歸納了交叉輸送核心管路的技術(shù)難題，通過(guò)借鑒部分相關(guān)行業(yè)領(lǐng)域的成熟技術(shù)以及與CPCF 技術(shù)進(jìn)行的對(duì)比分析，得到了該技術(shù)還需進(jìn)行深入研究的技術(shù)方向，主要包括晃動(dòng)環(huán)境下連接分離裝置處的大口徑低溫密封、隔離閥之間的推進(jìn)劑排放管理和雙隔離閥關(guān)閥時(shí)的壓力控制、連接分離裝置的驅(qū)動(dòng)力與箭上動(dòng)力源的匹配性等。這些研究方向可以為我國(guó)未來(lái)重型運(yùn)載火箭的總體設(shè)計(jì)研制提供一定的參考價(jià)值。