氫氧發(fā)動機多余物防控設計

龐紅麗，康紅雷

（北京航天動力研究所，北京，100076）

0 引 言

多余物是指產(chǎn)品中存在的由外部進入或內(nèi)部產(chǎn)生的與產(chǎn)品規(guī)定狀態(tài)不符的物質(zhì)。在影響航天質(zhì)量的眾多因素中，多余物是在航天產(chǎn)品中造成重大質(zhì)量事故的主要原因之一。

1990 年2 月22 日，阿里安火箭由于一塊布留在D維金5 發(fā)動機管路內(nèi)，導致火箭起飛后101 s 發(fā)生爆炸，直接導致發(fā)射的超鳥B（Superbird B）和BS-2X兩顆衛(wèi)星損毀。

1992 年3 月22 日，澳大利亞通訊衛(wèi)星澳星B1 通信衛(wèi)星（Aussat B1）助推器發(fā)動機中途熄火，程序配電器第4、5 觸點間存在0.15 mg 多余鋁屑物，產(chǎn)生的電弧接通了第Ⅰ、Ⅱ號助推器發(fā)動機氧化劑副系統(tǒng)斷流閥門電爆管，發(fā)射失敗。

在低溫發(fā)動機系統(tǒng)中，特別是液氫液氧發(fā)動機，要特別注意防止水分、潮氣等進入發(fā)動機內(nèi)腔。

1991 年4 月18 日和1992 年8 月22 日，宇宙神I火箭兩次發(fā)射商業(yè)衛(wèi)星，火箭升空后分別于2755 s 和2895 s 失控，導致發(fā)射失敗。經(jīng)過分析研究，確認兩次故障完全一致，RL-10 的1 臺發(fā)動機單向閥在火箭發(fā)射前沒有關閉，致使?jié)駳膺M入液氫渦輪泵并結(jié)冰，空氣中氮也被冷凝，從而使渦輪泵無法旋轉(zhuǎn)，導致飛行失敗，造成重大損失。宇宙神RL-10 發(fā)動機采用了重新設計的單向閥，加裝電磁冗余密封閥，并在射前監(jiān)測該閥開啟，增加溫度控制，從而防止空氣及氮氣進入發(fā)動機。

1994 年1 月24 日，阿里安火箭第63 次發(fā)射失敗。遙測數(shù)據(jù)分析表明，發(fā)動機渦輪泵液態(tài)氧內(nèi)的一個軸承冷卻過遲是導致發(fā)射失敗的原因?？赡苁且驗檠鯕馀欧艜r滲入系統(tǒng)的潮氣造成了冷塊，這一障礙可能堵塞了通向軸承的氧氣口濾清片，軸承環(huán)未能充分冷卻，導致膨脹斷裂。法國阿里安火箭公司決定對軸承冷卻系統(tǒng)進行兩項調(diào)整：a）故障軸承的洞口將配備排放系統(tǒng)，用氦清洗，以改善凈化；b）軸承將加上二硫化鉬自動潤滑保護層。

2005 年2 月25 日，中國某氫氧發(fā)動機試車啟動后未達到額定工況，發(fā)動機緊急關機。故障原因是發(fā)動機系統(tǒng)進入的潮氣，在發(fā)動機預冷的低溫條件下結(jié)成冰，使氧副控閥門的運動受阻滯。

多余物導致的航天質(zhì)量問題，不勝枚舉。隨著航天產(chǎn)品高精尖的發(fā)展，多余物管控也日益加強，從產(chǎn)品設計、生產(chǎn)、試驗、交付等各個環(huán)節(jié)對多余物進行預防和控制。設計是產(chǎn)品的源頭，產(chǎn)品設計應將預防多余物及其損害作為設計準則之一。

1 氫氧發(fā)動機產(chǎn)品特點

氫氧發(fā)動機由推力室、渦輪泵、噴管、閥門等組成。被控閥門采用氣動控制，通過電磁閥的通、斷電，實現(xiàn)被控閥門的開、關。

發(fā)動機使用液氫、液氧低溫高能推進劑，在推力室內(nèi)燃燒產(chǎn)生高溫高壓燃氣，將這些燃氣通過噴管產(chǎn)生高速噴氣流噴出，獲得推力。

2 氫氧發(fā)動機多余物特點

發(fā)動機的多余物多種多樣，有內(nèi)部產(chǎn)生的，也有外來的。有的多余物對產(chǎn)品性能沒有影響或沒有大的影響，但有的多余物雖然很小，卻會導致產(chǎn)品喪失功能，造成發(fā)射失敗。

發(fā)動機外部多余物主要來自發(fā)動機對外接口，供給發(fā)動機的控制氣體和吹除氣體以及液氫液氧推進劑夾雜的多余物。

發(fā)動機內(nèi)部多余物主要來自6 個方面：a）零部件加工、裝配、焊接、測試等工序的切屑、毛刺、焊瘤、飛濺物、油污等，未能清除干凈；b）發(fā)動機裝配時多余物落入或遺留在內(nèi)部；c）受生產(chǎn)工藝限制，不可避免產(chǎn)生的多余物，如電鑄鎳成型推力室外壁工序中殘留的弱連接鎳粉，在試車過程中因振動而脫落；d）發(fā)動機的運動部件發(fā)生摩擦產(chǎn)生的磨屑，這類多余物主要來自渦輪泵系統(tǒng)；e）點火器火藥點火時產(chǎn)生的火藥殘渣；f）發(fā)動機內(nèi)腔潮氣及未置換干凈的空氣，對低溫氫氧發(fā)動機而言，潮氣及未置換干凈的空氣等也是多余物。如某低溫發(fā)動機裝配、測試過程中系統(tǒng)內(nèi)進入潮氣，在發(fā)動機預冷過程中的低溫條件下凝結(jié)成冰，氧副控閥門的運動件被卡不能完全到位，致使燃氣發(fā)生器混合比過低，渦輪功率不足，發(fā)動機參數(shù)未達預定值自動緊急關機。

氫氧發(fā)動機受多余物危害的組合件主要是推力室、渦輪泵和閥門。如果多余物堵塞推力室的冷卻通道，會使得被堵塞的通道內(nèi)冷卻劑量不足甚至流動受阻，因此可造成內(nèi)壁燒蝕，嚴重時能燒穿身部而漏火，發(fā)動機喪失功能；多余物堵塞噴注器，可能引起局部噴注單元的混合比發(fā)生變化，改變了混合比和流場分布，有時只造成局部燒蝕而對性能影響微弱，但如果造成嚴重燒蝕或影響到燃燒穩(wěn)定性時，也會使發(fā)動機喪失功能。渦輪泵為高速旋轉(zhuǎn)機械，如果進入金屬多余物，會導致渦輪泵機械損傷，并造成發(fā)動機失效。有些閥門和渦輪泵的運動副的配合間隙很小，如果多余物卡在配合間隙內(nèi)，會影響運動副的正常工作，如果多余物積留在密封面上，則會導致閥門和渦輪泵密封泄漏。多余物堵塞汽蝕管喉部或孔板則會導致系統(tǒng)失效。

本文主要從氫氧發(fā)動機整機層面對多余物防控進行設計。

3 氫氧發(fā)動機多余物防控設計

3.1 介質(zhì)的精度要求

為了預防發(fā)動機對外接口帶來的外來多余物，設計要求液氫、液氧推進劑輸送管路上必須安裝過濾器，過濾器精度一般要求液氫不大于40 μm，液氧不大于70 μm。

3.2 過濾器設置

為加強多余物控制，在發(fā)動機對多余物敏感相關部位設置過濾器，是設計上防控多余物的有效手段。

a）外部多余物防控。

發(fā)動機在飛行過程中，液氫、液氧推進劑內(nèi)夾雜的多余物由火箭總體進行控制。在氫、氧泵前閥前設置過濾精度高的過濾器，會帶來一定的流阻損失，貯箱壓力則需進行相應提高，綜合考慮，一般情況下，發(fā)動機泵前閥前不單獨設置精度較高的過濾器，精度較高的過濾器一般設置在推進劑貯箱加注管路上。

發(fā)動機控制氣和吹除氣路過濾器一般設置在減壓閥、電磁閥或單向閥前，防止多余物引起的閥門卡滯，導致減壓閥出口壓力異常、電磁閥卡滯導致被控閥不能正常工作、單向閥卡滯導致吹除功能失效，從而導致發(fā)動機不能正常工作。

b）內(nèi)部多余物防控。

推力室、噴管延伸段多余物防控一般在氫進口和氧進口設置過濾器，避免多余物進入推力室氫、氧噴注器，引起推力室氫、氧噴嘴堵塞，嚴重時引起局部燒蝕。

渦輪泵多余物防控一般不在內(nèi)部設置過濾器，而是在隔離用氣、冷卻用介質(zhì)進入前的其它組件上設置。如在連接氦隔離腔的減壓器前設置過濾器，軸承冷卻路也會根據(jù)多余物的情況設置過濾器。

閥門多余物防控一般在閥芯前設置過濾器，防止閥門運動中卡滯。根據(jù)控制電磁閥工作原理，在其入口、出口均需設置過濾器。

發(fā)動機調(diào)節(jié)元件多余物防控一般在調(diào)節(jié)元件的上游。為控制發(fā)動機各系統(tǒng)的推進劑流量，發(fā)動機設置了調(diào)節(jié)元件，有的調(diào)節(jié)元件孔徑很小，孔徑細小處應嚴格控制多余物，以防多余物堵塞孔徑，推進劑流量控制不準，導致發(fā)動機性能偏差或工作異常。

3.3 發(fā)動機“潮氣及未置換干凈的空氣”的防控設計

氫氧發(fā)動機內(nèi)腔的潮氣及未置換干凈的空氣在液氫液氧溫度下，會凝結(jié)成冰，形成“冰堵”。

3.3.1 閥門盒的設計

發(fā)動機電磁閥上設有排氣孔，在電磁閥不通電的情況下，排氣孔與被控閥門控制腔相通。當液氫液氧推進劑進入發(fā)動機后，被控閥門溫度降低，會使被控閥控制腔的空氣冷凝結(jié)冰，從而導致閥門功能喪失。

為防止控制腔內(nèi)空氣冷凝成冰，設計從源頭上進行了防控，設計了專門的閥門盒，將控制電磁閥放置在閥門盒內(nèi)，在發(fā)動機工作過程中，閥門盒中處于氦氣保護狀態(tài)，使進入控制腔的氣體為氦氣，而氦氣在氫氧溫度下，不會固化，從而有效防止冰堵現(xiàn)象。

3.3.2 發(fā)動機吹除系統(tǒng)的設計

為預防和控制此種類型的多余物，發(fā)動機在低溫液氫、液氧進入發(fā)動機前，設計了一套吹除系統(tǒng)，將發(fā)動機內(nèi)的空氣通過吹除的方式，置換成在液氫液氧下不固化的氣體，一般氫路用氦氣置換，氧路用氦氣或氮氣置換，置換完成后保證發(fā)動機內(nèi)腔無潮氣、空氣。

氫氧發(fā)動機吹除系統(tǒng)由地面吹除和箭上吹除兩部分組成。

a）地面吹除系統(tǒng)。

由地面供氣系統(tǒng)提供低壓氦氣或氮氣/加溫氮氣，在液氫液氧進入發(fā)動機前，對發(fā)動機內(nèi)腔進行預冷前吹除置換；在氫氧推進劑加注過程中，液氫液氧溫度通過結(jié)構(gòu)傳熱，發(fā)動機結(jié)構(gòu)溫度降低，為“防止冷抽吸”，形成固態(tài)空氣，對發(fā)動機進行吹除防護。

發(fā)動機熱試車結(jié)束后，液氫液氧的燃燒產(chǎn)物水蒸汽存在于發(fā)動機內(nèi)部，且發(fā)動機部分管路處于低溫狀態(tài)，可通過吹除排出水蒸汽、火藥殘渣并對發(fā)動機進行回溫，防止蒸汽停留在發(fā)動機內(nèi)腔及冷抽吸。

b）箭上吹除系統(tǒng)。

箭上吹除系統(tǒng)給發(fā)動機推力室和燃氣發(fā)生器氧頭腔供高壓吹除氦氣，發(fā)動機起動和關機時工作，起動時進一步局部置換，關機時吹除掉燃燒產(chǎn)物和火藥殘渣。

3.3.3 發(fā)動機整體真空干燥

氫氧發(fā)動機試車后，存留于發(fā)動機內(nèi)腔的水分必須及時徹底清除，僅靠試車后吹除是無法完全去除發(fā)動機內(nèi)腔的水介質(zhì)，因此應對發(fā)動機進行干燥處理。

正常情況下，發(fā)動機整體真空干燥處理工序應在試車返廠后48 h 內(nèi)開始進行。

a）整體真空干燥的工藝參數(shù)要求。

干燥溫度的選?。汉娓蓽囟戎饕且罁?jù)發(fā)動機各非金屬材料的零部組件的耐受溫度確定，一般不應高于各種材質(zhì)耐受溫度的最小值；另外，干燥溫度還應考慮設備的恒溫保持能力。

真空度的選取：選擇真空度參數(shù)時，需考慮以下因素：1）保證發(fā)動機內(nèi)不能存在液態(tài)水，即真空度要低于干燥溫度下水的飽和蒸汽壓；2）蒸發(fā)的水汽不會重新凝結(jié)成水；3）真空度應在設備允許的情況下全程保持穩(wěn)定。

干燥時間：干燥時間應根據(jù)預估的試車后發(fā)動機內(nèi)腔內(nèi)含水量來確定，可通過大量的產(chǎn)品干燥比對試驗來確定。

b）真空干燥過程。

發(fā)動機真空干燥處理前，對發(fā)動機各對外接口進行多余物清理，再將發(fā)動機上的各對外接口敞開通大氣。

將發(fā)動機送入真空干燥箱中，檢查真空計顯示值是否在規(guī)定范圍內(nèi)，設定時間與溫度。抽真空至規(guī)定值后，關閉抽真空程序，烘干箱開始加熱，抽真空及加熱程序也可同時進行，到規(guī)定溫度值后，系統(tǒng)開始計時，至規(guī)定時間后烘干程序結(jié)束。向干燥箱內(nèi)充入高純氮氣或壓縮空氣，混合停留一段時間后，再次進行發(fā)動機規(guī)定時間的真空干燥。

干燥出箱后，及時封堵發(fā)動機各出口，保證發(fā)動機內(nèi)腔的干燥環(huán)境與外界隔離，防止大氣中的水汽重新凝結(jié)。

3.3.4 發(fā)動機內(nèi)腔環(huán)境監(jiān)測設計。

在發(fā)動機停放和存儲期間，發(fā)動機內(nèi)腔環(huán)境應干燥，無潮氣。為此在發(fā)動機推力室出口、渦輪排氣口等對外接口處設計了帶變色硅膠（又稱“防潮砂”）的保護蓋。

變色硅膠對空氣中的水蒸氣具有極強的吸附作用，能通過所含的氯化鈷結(jié)晶水變化數(shù)量而顯示不同的顏色，即由吸潮前的藍色隨吸潮量的增加而逐漸轉(zhuǎn)變成淺紅色、白色。

通過定期檢查發(fā)動機對外接口處變色硅膠的顏色變化，即可檢測發(fā)動機內(nèi)腔環(huán)境，變色硅膠變色即立刻更換，使其具有持續(xù)的吸潮能力。

4 結(jié)束語

多余物種類繁多，形式多樣，層出不窮。理論上來說，多余物是絕對存在的，不存在則是相對的。多余物的防控需要在產(chǎn)品全壽命周期過程中全程預防和控制。對于氫氧低溫發(fā)動機，介質(zhì)的精度要求、過濾器設置均是預防多余物的防護設計，還應充分考慮對空氣和潮氣帶來的多余物的防控。