液氧煤油并行加注流程設(shè)計(jì)和適應(yīng)性分析

古宇飛 鐘文安 張 博 陳少將 晏 政

(航天發(fā)射場(chǎng)可靠性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 ?？?571126)

1 引言

近年來,以CZ-5、CZ-6、CZ-7 和CZ-8 為代表的新一代運(yùn)載火箭逐步走向成熟,有效提升了中國的航天發(fā)射力量。液氧、煤油和液氫推進(jìn)劑加注技術(shù)不斷得到突破,具備了多模塊并行加注、大流量加注、一鍵加注能力[1-2],但與國外主流運(yùn)載火箭相比,在加注流程方面還存在一定差距。

美國不斷開展火箭射前流程優(yōu)化,普遍采用多推進(jìn)劑并行加注、快速加注技術(shù),以縮短發(fā)射區(qū)占位時(shí)間。Atlas V 火箭發(fā)射區(qū)占位最短僅14 h,液氧預(yù)冷與煤油加注并行開展;Delta 4 系列火箭采用了液氫液氧并行加注技術(shù),加注發(fā)射流程為8 h,-4 h15 min 開始通用芯級(jí)氫箱預(yù)冷和加注,-3 h45 min 開始通用芯級(jí)氫箱大流量加注,同時(shí)開始通用芯級(jí)氧箱預(yù)冷,預(yù)冷好后即開始液氧加注;-2 h55 min 液氫大流量加注完畢,-2 h40 min 液氧大流量加注完畢;Falcon 9 火箭不斷迭代優(yōu)化液氧煤油并行加注流程,射前加注時(shí)間相對(duì)較短,射前-35 min 開始一級(jí)的液氧、煤油并行加注及二級(jí)的煤油加注,-16 min 開始二級(jí)液氧加注。

中國新一代低溫火箭整體的射前加注流程偏長,均在12—14 h,主體加注過程耗時(shí)在7—9 h[3],存在優(yōu)化的可能。本文在某型火箭串行加注流程的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了液氧煤油并行加注流程,從加注安全性、組織指揮順暢性、系統(tǒng)能力適應(yīng)性及流程耦合性等方面進(jìn)行了分析,據(jù)此提出了并行加注流程的實(shí)施策略。

2 并行加注流程設(shè)計(jì)

某型火箭采用先煤油后液氧的串行加注方式,煤油加注和液氧加注耗時(shí)約7 h。其中,煤油加注按照先加注芯級(jí)再加注助推的方式,耗時(shí)約2 h;煤油加注后開展煤油抽泄及管路撤收工作,耗時(shí)約2 h。煤油撤收完成后,開始液氧加注,所有箭體模塊并行開展;加注過程分為地面管路預(yù)冷、貯箱預(yù)冷、大流量加注、停放等階段,整個(gè)加注過程耗時(shí)約3 h。

加上準(zhǔn)備和射前程序,整個(gè)射前程序12 h,崗位人員勞動(dòng)強(qiáng)度較大。尤其是面臨上午發(fā)射窗口時(shí),面臨通宵工作,連續(xù)兩天奮戰(zhàn),易引發(fā)“三誤”問題。從現(xiàn)有情況看,液氧加注后的射前程序優(yōu)化空間不大,而7 h 的主體加注時(shí)間偏長,煤油加注時(shí)間與液氧預(yù)冷過程時(shí)間相近,如果能將煤油加注推遲至液氧加注并行開展將大大縮短流程?；谌蝿?wù)經(jīng)驗(yàn)積累和發(fā)射場(chǎng)安全實(shí)際,設(shè)計(jì)圖1 所示的液氧煤油并行加注流程。

圖1 液氧煤油并行加注流程示意圖Fig.1 Parallel loading process of liquid oxygen and kerosene

采用并行加注后,發(fā)射日由-H4進(jìn)流程,相比串行流程可壓縮4 h。在進(jìn)入流程前完成煤油加注和氧氮加注的準(zhǔn)備工作,-H4開始煤油加注和液氮加注;液氧加注流程與原流程基本一致;發(fā)射日程序與原任務(wù)流程在-H7基本對(duì)齊。此外,并行流程下還涉及到控制、塔勤、發(fā)射支持等系統(tǒng)工作的調(diào)整,主要包括:

(1)停艙段吹除空調(diào)送風(fēng)轉(zhuǎn)空氣大流量在線供氣、塔架工作平臺(tái)調(diào)整、撤收防雨布、打開防雨百葉等發(fā)射日準(zhǔn)備工作從-H0前調(diào)整至-H4前;

(2)煤油管路抽泄及管路撤收工作從-H2— -H4調(diào)整至-H6以后;

(3)發(fā)射臺(tái)蓋板打開等其他輔線工作,根據(jù)流程壓縮進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整。

3 并行加注適應(yīng)性分析

針對(duì)設(shè)計(jì)的液氧煤油并行加注流程,從加注安全性、組織指揮、系統(tǒng)能力及故障耦合等方面開展適應(yīng)性分析,確保流程合理可行。

3.1 安全性分析

并行加注帶來的安全性問題主要有:兩種推進(jìn)劑同時(shí)泄漏的安全性和加注異常引起的箭體結(jié)構(gòu)安全性兩種。

3.1.1 推進(jìn)劑安全性分析

基于煤油閃點(diǎn)與氧氣濃度、煤油蒸氣濃度的關(guān)系[4-6],結(jié)合火箭液氧煤油并行加注實(shí)際,通過數(shù)值分析、小尺度試驗(yàn)、真實(shí)介質(zhì)典型泄漏工況試驗(yàn)和安全邊界試驗(yàn),對(duì)液氧煤油的蒸發(fā)擴(kuò)散機(jī)制及安全邊界進(jìn)行了研究。

(1)煤油閃點(diǎn)與氧氣濃度關(guān)系

航天煤油主要元素為碳和氫,其余硫、氮、氧元素含量極低,其化學(xué)式可寫為CmHn,其在可燃下限條件下的反應(yīng)式為:

式中:x為氧氣濃度;L為煤油在不同氧濃度下的可燃下限,是關(guān)于氧濃度的函數(shù);r=m+n/4。

根據(jù)理論計(jì)算和閃點(diǎn)溫度測(cè)量[7],可得出航天煤油燃燒存在16.8% 的極限氧濃度下限,低于該濃度時(shí)煤油無法被點(diǎn)燃。

(2)煤油閃點(diǎn)與煤油蒸氣濃度關(guān)系

基于Clausius-Clapeyron 方程,可燃液體的蒸氣壓與溫度的關(guān)系可以改寫為(積分常數(shù)為P0=1.013 ×105Pa、積分上限為T=Tb,Tb為可燃液體沸點(diǎn)):

式中:P為氣壓,Pa;T為溫度,K;Hfg是可燃液體的蒸發(fā)焓,J/kg;Mg為可燃液體的摩爾質(zhì)量,kg/mol;R=8.314 J/(mol·K)。

根據(jù)式(2)可知,當(dāng)可燃液體的溫度達(dá)到沸點(diǎn)Tb時(shí),其蒸氣壓和大氣壓力P0相等;當(dāng)可燃液體的溫度達(dá)到閃點(diǎn)TF時(shí),蒸氣壓正好與標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下燃燒下限(L)相等,據(jù)此可得出閃點(diǎn)和煤油蒸氣濃度下限的關(guān)系。

(3)安全性試驗(yàn)情況

從加注情況看,液氧的預(yù)冷用時(shí)和煤油的加注用時(shí)整體相近,可采用氧系統(tǒng)預(yù)冷和煤油加注并行開展的方式,在煤油加注穩(wěn)定后開始液氧貯箱預(yù)冷,待助推煤油加注好后,開始轉(zhuǎn)液氧大流量加注,有效避免兩種推進(jìn)劑接觸的可能性。

3.1.2 箭體結(jié)構(gòu)安全性分析

針對(duì)并行加注過程可能發(fā)生的異常狀態(tài)開展分析,識(shí)別了9 種極限加注工況,見表1。利用有限元仿真方法分析了加注不平衡對(duì)箭體結(jié)構(gòu)載荷及捆綁連桿的影響,采用MSC.Patran/Nastran 軟件對(duì)火箭載荷進(jìn)行計(jì)算模型創(chuàng)建、加載和求解,并利用慣性釋放方法求得各工況載荷和連桿受力情況[8-9]。

表1 并行加注的極限偏差工況分析Table 1 Limit deviation condition of parallel loading

經(jīng)計(jì)算和分析,箭體結(jié)構(gòu)對(duì)并行加注造成的質(zhì)心偏移適應(yīng)性較強(qiáng),在煤油加注階段,可以適應(yīng)箭體任意1—2 個(gè)模塊煤油不加注造成的質(zhì)心偏移;在液氧大流量加注階段,可以適應(yīng)箭體任意1—2 個(gè)模塊液氧不加注造成的質(zhì)心偏移;結(jié)合推進(jìn)劑泄回經(jīng)驗(yàn)和理論計(jì)算,箭體可以適應(yīng)所有模塊煤油空箱、液氧先加注加注及4 個(gè)助推模塊空箱、氧箱保持預(yù)冷的工況。在各工況下箭體各部段及連桿所受載荷均小于飛行任務(wù)設(shè)計(jì)最大載荷。

3.2 組織指揮適應(yīng)性分析

在推進(jìn)劑加注過程中,01 指揮員直接指揮控制、測(cè)量、動(dòng)力、地勤及航天器等系統(tǒng)開展工作。各子動(dòng)力、氧氮加注和煤油加注等分系統(tǒng)又在總體動(dòng)力指揮員的指揮下協(xié)同開展并行加注工作,適應(yīng)性分析如下。

3.2.1 口令交互方面

煤油和液氧的加注準(zhǔn)備及預(yù)冷工作并行開展,且從-H4進(jìn)入發(fā)射日程序,對(duì)整個(gè)發(fā)射日工作計(jì)劃和指揮協(xié)同程序均有影響。工作時(shí)間更加集中,指揮協(xié)同和口令協(xié)調(diào)難度增加。煤油加注和液氮加注系統(tǒng)為兩套隊(duì)伍,雙線指揮,可以適應(yīng)并行加注的指揮協(xié)同和設(shè)備操作。但加注系統(tǒng)上級(jí)指揮動(dòng)力系統(tǒng)在-H4— -H7階段的口令更加密集,調(diào)整情況見圖2所示。

1.2.2 AFC測(cè)定 選擇經(jīng)陰道超聲檢測(cè)AFC，使用西門子公司的SSD3500型超聲診斷儀，配有3～5 MHz陰道探頭。使探頭的掃描面向前，在陰道穹窿部獲得卵泡最大切面的信息，使用探頭全方位整體性的掃描卵巢，取同一平面上的兩條互相垂直的最大徑線，對(duì)卵泡邊緣進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算在左右卵巢中直徑介于2和10 mm之間的總卵泡數(shù)，數(shù)據(jù)納入AFC計(jì)數(shù)。測(cè)量誤差低于5%。

圖2 并行流程口令交互情況Fig.2 Password interaction of parallel loading process

以-H5— -H6為例,加注系統(tǒng)與動(dòng)力系統(tǒng)交互口令或液位信號(hào)64 個(gè),比原流程該階段增加46 個(gè)?？紤]到動(dòng)力系統(tǒng)還要與連接器、子動(dòng)力系統(tǒng)及01 指揮員進(jìn)行口令交互,口令將成倍增加,因此需要科學(xué)編排計(jì)劃、優(yōu)化指揮協(xié)同程序,將加注系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)的液位、流量等交互口令進(jìn)行優(yōu)化。

3.2.2 人員能力方面

并行加注過程中,各分系統(tǒng)內(nèi)工作相對(duì)獨(dú)立,與并行加注流程關(guān)聯(lián)度低,對(duì)崗位人員能力無新的要求。煤油和氧氮加注系統(tǒng)加注工序、加注精度要求及控制方式等均無變化,人員可以適應(yīng)并行加注。

一級(jí)動(dòng)力系統(tǒng)指揮兼顧總體動(dòng)力系統(tǒng)職能,在要完成一級(jí)動(dòng)力系統(tǒng)工作的同時(shí),指揮煤油加注系統(tǒng)和氧氮加注系統(tǒng),并行加注后,總體動(dòng)力指揮口令的則密集度會(huì)增加,對(duì)崗位能力提出較高要求,需結(jié)合開展專項(xiàng)訓(xùn)練、演練和桌面推演,提高組織指揮能力。

3.2.3 多系統(tǒng)并行方面

液氧煤油并行加注前端主要的工作區(qū)域包括煤油加注庫區(qū)、氧氮加注庫區(qū)、塔架各樓層及回轉(zhuǎn)平臺(tái)。其中2 個(gè)加注庫區(qū)相對(duì)獨(dú)立,工作開展上不存在空間的耦合,并行加注可能存在關(guān)聯(lián)耦合的區(qū)域主要在塔架。

經(jīng)梳理,煤油系統(tǒng)塔上人員工作主要集中在塔架或工作平臺(tái)管路、閥門區(qū)域,主要開展手動(dòng)閥操作和狀態(tài)監(jiān)視,相比于串行加注,塔上現(xiàn)場(chǎng)增加3 人;對(duì)應(yīng)動(dòng)力系統(tǒng)主要工作在工作平臺(tái)箭地接口位置,人數(shù)增加6 人。氧氮加注系統(tǒng)主要集中在塔架各層低溫管路區(qū)域,共有4 人,相比于串行加注人數(shù)無變化;對(duì)應(yīng)動(dòng)力系統(tǒng)主要工作在工作平臺(tái)芯一級(jí)和芯二級(jí)箭地接口位置,相比于串行加注人員無變化?？刂?、測(cè)量、空調(diào)、塔勤系統(tǒng)等系統(tǒng)在并行加注期間,對(duì)201#塔上現(xiàn)場(chǎng)人員情況無影響。因此,并行加注期間主要增加了煤油加注和對(duì)應(yīng)動(dòng)力系統(tǒng)的人員9 人,占塔上總?cè)藬?shù)的約10%,且分散在各層,影響可控。通過合理安排分工、精細(xì)化安排工作時(shí)間和人員定位,工作現(xiàn)場(chǎng)可以適應(yīng)性人員并行工作。

3.3 系統(tǒng)耦合性分析

并行加注過程中,某一個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況時(shí),會(huì)對(duì)其它系統(tǒng)造成影響和制約,提高了射前故障處置的復(fù)雜度和難度,需要對(duì)系統(tǒng)間的故障耦合性進(jìn)行分析。根據(jù)故障類型、受影響的系統(tǒng)、故障發(fā)生時(shí)機(jī),液氧煤油并行加注故障耦合問題記為F,則:

式中:T為時(shí)間段,M為故障類型,N為加注階段參與的各個(gè)系統(tǒng)。

為簡化矩陣模式,時(shí)間列T按照并行加注關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)可以將-H4— -H7劃分為5 個(gè)階段,可記為T1—T5,形成[T1,T2,T3,T4,T5]T,具體如圖3 所示。

圖3 并行流程關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)劃分Fig.3 Key nodes of parallel loading process

故障類型M,共計(jì)有煤油加注系統(tǒng)故障、氧氮加注系統(tǒng)故障、影響煤油加注的箭上故障、影響液氧加注的箭上故障、不影響加注的箭上故障和其它故障6類,分別記為M1—M6,形成[M1,M2,…M6]矩陣。并行加注階段參與的系統(tǒng)N,主要有煤油加注、氧氮加注、控制、測(cè)量、動(dòng)力和地勤6 個(gè)系統(tǒng),分別記為N1—N6,形成[N1,N2,…N6]T。

以芯級(jí)煤油加注初始階段T1為例,該階段液氧加注未開始,M4故障類型為空。各系統(tǒng)主要工作如下:控制系統(tǒng)保持+Y加電,測(cè)量系統(tǒng)保持箭上視頻加電,動(dòng)力系統(tǒng)氧箱泄壓、發(fā)動(dòng)機(jī)吹除準(zhǔn)備液氧加注,煤油加注系統(tǒng)開展芯級(jí)煤油加注管路充填,氧氮加注系統(tǒng)開始液氮加注,地勤系統(tǒng)持續(xù)為加注、動(dòng)力供氣保障。據(jù)此繪制故障處置矩陣如表2 所示。

表2 故障矩陣示意Table 2 Schematic diagram of fault matrix

基于故障矩陣,可以得到5 ×6 ×6=180 種故障類型,對(duì)其進(jìn)行逐一識(shí)別和分析,根據(jù)受影響系統(tǒng)逐項(xiàng)制定故障處置預(yù)案。

4 并行加注實(shí)施策略

為確保并行加注流程的安全可靠實(shí)施,基于流程設(shè)計(jì)、安全性、適應(yīng)性和耦合性分析情況,提出流程實(shí)施和故障處置策略如下。

4.1 流程實(shí)施策略

(1)為確保安全穩(wěn)妥,流程實(shí)施工作遵循“煤油零液位到且箭上和地面氣密性良好,才能開始液氧貯箱預(yù)冷”、“煤油貯箱預(yù)壓好后,才能開始液氧大流量加注”和“液氧加注大流量加注完成后才能開展煤油管路撤收工作”的邏輯順序。

(2)為進(jìn)一步確保并行加注推進(jìn)劑安全,需要嚴(yán)格執(zhí)行加注前打開平臺(tái)防雨百葉窗以降低塔架內(nèi)煤油和氧蒸氣濃度,并采取禁止一切明火上塔、嚴(yán)格落實(shí)防靜電要求、加強(qiáng)加注管路狀態(tài)巡視和應(yīng)急處置演練等措施。

(3)針對(duì)并行加注過程中口令交互更加密集,尤其是動(dòng)力系統(tǒng)口令成倍增加,需要?jiǎng)恿ο到y(tǒng)精簡口令,并簡化和加注系統(tǒng)的回令方式,并按照真實(shí)發(fā)射日流程開展口令演練。

(4)針對(duì)多系統(tǒng)并行可能存在的相互制約,需要在全系統(tǒng)層面精細(xì)化統(tǒng)計(jì)各時(shí)段塔上工作人員數(shù)量、位置及工作性質(zhì),區(qū)分輕重緩急,合理安排工作項(xiàng)目,調(diào)整人員數(shù)量、工作時(shí)間、“錯(cuò)峰出行”,確保不產(chǎn)生工作沖突。提前組織組織協(xié)同程序討論,開展發(fā)射日當(dāng)天塔上工作流程推演,明確搶險(xiǎn)、應(yīng)急等非正常項(xiàng)目作業(yè)流程,避免人員混亂,確保塔上工作安全有序。

4.2 故障處置策略

基于各系統(tǒng)故障耦合分析結(jié)果,結(jié)合液氧貯箱預(yù)冷和液氧大流量加注等制約條件和火箭對(duì)加注系統(tǒng)的總體要求,針對(duì)不同階段故障,制定如下處置策略如下:

(1)在煤油加注管路填充階段出現(xiàn)故障,液氧加注系統(tǒng)完成準(zhǔn)備工作后暫停,等待煤油系統(tǒng)故障處置有明確結(jié)論后視情進(jìn)入預(yù)冷工序,時(shí)間不得晚于-(H7+2.5 h)。

(2)在液氧地面管路預(yù)冷階段,煤油加注系統(tǒng)出現(xiàn)異常,則煤油加注系統(tǒng)組織排故,液氧地面管路預(yù)冷工作繼續(xù),根據(jù)排故情況決定是否轉(zhuǎn)入貯箱預(yù)冷。

(3)在液氧貯箱預(yù)冷階段,煤油加注系統(tǒng)出現(xiàn)異常,煤油加注系統(tǒng)組織排故,如液氧已經(jīng)進(jìn)箭則繼續(xù)保持在貯箱預(yù)冷狀態(tài);如液氧還未進(jìn)箭,則先暫停貯箱預(yù)冷,等待有明確結(jié)論后視情恢復(fù)貯箱預(yù)冷。

(4)在液氧預(yù)冷好后,若助推煤油仍未加注好,則氧系統(tǒng)保持在預(yù)冷階段,等待煤油加注好后再轉(zhuǎn)入大流量加注。

(5)煤油加注過程中,液氧預(yù)冷環(huán)節(jié)出現(xiàn)異常,則煤油加注繼續(xù)進(jìn)行,根據(jù)液氧加注系統(tǒng)排故情況,決策是否泄回。

(6)在液氧加注出現(xiàn)泄漏和異常的情況下,不開展煤油連接器、管路撤收。

5 結(jié)論

基于發(fā)射場(chǎng)任務(wù)執(zhí)行情況,設(shè)計(jì)了液氧煤油并行加注流程。從推進(jìn)劑安全性和箭體結(jié)構(gòu)適應(yīng)性性、組織指揮和系統(tǒng)間耦合性等方面分析看,并行加注流程設(shè)計(jì)合理,液氧預(yù)冷和煤油加注工作并行開展,可有效壓縮流程時(shí)間4 h。

針對(duì)并行加注帶來的故障處置復(fù)雜性提升問題,建立發(fā)生時(shí)間、故障類型和參與系統(tǒng)三維矩陣,開展耦合性分析,識(shí)別了180 種可能出現(xiàn)的故障模式?？赏ㄟ^設(shè)置“芯級(jí)煤油大流量加注”、“煤油加注”、“液氧預(yù)冷好”等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)設(shè)置,降低故障處置難度。