低溫加注閥關(guān)閉狀態(tài)確認試驗研究

吳 姮 孫善秀 趙春宇 吳俊峰 劉文川

（1 北京宇航系統(tǒng)工程研究所 北京 100076）

（2 深低溫技術(shù)研究北京市重點實驗室 北京 100076）

1 引 言

加注閥在運載火箭上是實現(xiàn)推進劑加注的重要結(jié)構(gòu)產(chǎn)品,其功能是將地面貯存的推進劑按需要輸送至運載火箭貯箱中。其按照流道型式分為直通式和直角式;按打開方式可分為機械頂開式和氣動打開式;按開關(guān)狀態(tài)信號反饋可分為無信號反饋式和有信號反饋式[1]。由于無信號反饋式機械頂開加注閥結(jié)構(gòu)較為簡單、可靠性高,因此在中國新一代低溫運載火箭廣泛采用。該加注閥通過地面連接器頂桿頂開閥門進行貯箱推進劑加注,加注完成后地面連接器頂桿退回,加注閥在推進劑液柱壓力及閥門彈簧力作用下實現(xiàn)關(guān)閉,且其自身不具備反饋閥門啟閉狀態(tài)的功能。地面連接器頂桿退回后連接器與地面加注管路形成密閉通道,與加注閥斷開連通,連接器上設(shè)置的兩個位置信號器只能判斷連接器頂桿是否退回,無法準確判斷箭上加注閥門是否正常關(guān)閉。同時低溫運載火箭由于采用易相變消耗的低溫推進劑,因此往往將推進劑加注操作置于火箭發(fā)射日,且盡量臨近發(fā)射時刻[2]?；鸺l(fā)射日低溫推進劑加注主要完成的工作包括置換、預冷、大流量加注、自動補加、射前補加、排空加注管路、連接器脫落[3],且連接器脫落一般發(fā)生在射前-2 min,故加注連接器脫落后,一旦出現(xiàn)加注閥卡滯未正常關(guān)閉故障,只能終止發(fā)射,待推進劑完全泄出后對連接器進行手動除霜、更換密封墊后再次對接,且排空后的液氧加注管若已破空還需重新置換,再次進入低溫加注程序組織發(fā)射,上述工作歷時較長,將導致火箭推遲發(fā)射,影響任務窗口。因此對加注閥關(guān)閉狀態(tài)的確認直接影響任務的正常發(fā)射。

為解決某型號液氧頂開式加注閥關(guān)閉狀態(tài)的確認,提高發(fā)射可靠性,擬對該頂開式加注閥進行改進,通過在閥門殼體入口端增加壓力傳感器,監(jiān)測加注閥入口與加注連接器間小容腔壓力對閥門是否可靠關(guān)閉進行判斷。本研究建立了加注閥啟閉狀態(tài)確認試驗系統(tǒng),通過試驗驗證采用傳感器監(jiān)測容腔壓力實現(xiàn)對加注閥是否泄漏判斷的可行性,為后續(xù)加注閥改進提供支撐。

2 加注閥工作原理

低溫加注閥為頂開式單向閥,加注閥的出口與箭上貯箱連接,入口與地面連接器連接,加注閥關(guān)閉時閥芯與閥座形成密封,在加注閥與地面連接器間形成一小容腔,該容腔內(nèi)推進劑通過連接器頂桿中心的小孔自動泄出（見圖1 中箭頭所示）。在加注階段,地面連接器頂桿頂開閥門進行推進劑加注,加注完成后地面連接器頂桿退回,加注閥在液柱壓力及閥門彈簧力作用下實現(xiàn)關(guān)閉,關(guān)閉到位后地面加注管路排空后加注連接器脫落,火箭起飛。由于加注閥關(guān)閉在臨射前-4 min 左右,一旦加注閥未關(guān)閉或者關(guān)閉不到位可能通過加注閥頂桿中心的小孔來不及泄出,導致入口壓力升高,因此提出在加注閥殼體入口側(cè)增加壓力傳感器,通過壓力傳感器監(jiān)測該容腔壓力變化對加注閥關(guān)閉狀態(tài)進行確認。加注閥與連接器示意圖見圖1。

圖1 加注閥與連接器對接示意圖Fig.1 Schematic diagram of docking between filling valve and connector

3 試驗系統(tǒng)

為開展低溫加注閥啟閉狀態(tài)確認原理性試驗,搭建了試驗系統(tǒng),試驗系統(tǒng)原理圖及現(xiàn)場圖如圖2 所示。系統(tǒng)由40 m3液氮貯罐、加注閥、液氮管路、低溫手閥、壓力傳感器和孔板等組成。加注閥出口通過加注管路與液氮貯罐連通,加注閥入口采用堵蓋模擬加注連接器,堵蓋上設(shè)置3 路通路。一路由手閥及孔板組成的排放路,用于模擬連接器頂桿退回加注閥關(guān)閉后通過連接器中心小孔泄出入口腔大部分推進劑;一路由手閥和加注管路組成的加注路,用于模擬加注閥打開時推進劑對入口的預冷及充填;一路由手閥、換熱器及流量計組成的放氣路,用于入口的預冷放氣及泄漏量加溫汽化。系統(tǒng)中設(shè)置了3 個流量計,流量計1 用于測量總流量,流量計3 用于測量預冷排放路流量,兩者的差值即為泄漏流量,同時泄漏量加溫成常溫后也可以通過流量計2 測量。

圖2 低溫加注閥啟閉狀態(tài)試驗系統(tǒng)圖Fig.2 Schematic diagram of test system

本試驗中,進行加注閥泄漏試驗時在加注閥閥座上預置泄漏通道,手閥0 開啟液氮進入A 腔（保持A腔壓力恒定）后通過泄漏通道進入B 腔,引起B(yǎng) 腔壓力升高,B 腔壓力僅通過孔板排放路進行泄壓（模擬連接器中心小孔泄壓）,試驗過程中監(jiān)測B 腔壓力及泄漏量。然后拆除加注閥入口堵蓋及管路,使B 腔處于大氣環(huán)境（模擬加注連接器脫落）,通過試驗確認加注閥存在泄漏通道時在連接器脫落前后泄漏量的變化,從而實現(xiàn)火箭發(fā)射前通過監(jiān)測加注閥入口的壓力（B 腔）對連接器脫落后閥門泄漏量進行判斷,為正常發(fā)射提供參考。

4 試驗內(nèi)容

本試驗主要研究通過監(jiān)測加注閥入口的壓力實現(xiàn)對加注閥關(guān)閉后是否泄漏進行評判,同時獲得該壓力與連接器脫落后加注閥泄漏量之間的關(guān)系,從而在連接器脫落前提前發(fā)現(xiàn)問題確?？煽堪l(fā)射,試驗結(jié)果為箭上加注閥改進提供支撐。試驗前加注閥預制泄漏通道,試驗時保證出口壓力（A 腔）與發(fā)射前貯箱壓力一致,入口僅保留排放路手閥全開,通過3 mm孔板模擬加注連接器頂桿中心通徑3 mm 孔的對外排氣,通過監(jiān)測B 腔壓力確認一旦泄漏該壓力可測;同時拆除加注閥入口堵蓋模擬連接器脫落,研究此時泄漏量變化情況,獲得連接器脫落后泄漏量為飛行提供依據(jù)。為達到上述試驗,開展了如下工況的試驗,表1 為試驗參數(shù)。

表1 試驗參數(shù)表Table 1 Test parameters table

（1）閥門無泄漏時B 腔壓力經(jīng)過連接器頂桿中心孔排放情況;

（2）閥門預制小泄漏通道,排放路和放氣路手閥均關(guān)閉,獲取預冷路流量;

（3）預制小泄漏通道后B 腔壓力情況及模擬連接器脫落前后泄漏量變化,獲得B 腔壓力與連接器脫落后泄漏量對應關(guān)系。

5 試驗結(jié)果與分析

5.1 閥門無泄漏時試驗結(jié)果

加注閥關(guān)閉未開始射前增壓時,加注閥B 腔僅為關(guān)閉前射前液柱壓力0.025 MPa。本測試工況實際測試時將B 腔壓力增至射前壓力0.32 MPa 后進行排放,各孔板排放情況見圖3 和圖4。從排放結(jié)果可以看出,加注閥若無泄漏,加注閥B 腔僅為射前液柱壓力0.025 MPa 時,若存在3 mm 或2 mm 孔很快能將B 腔內(nèi)壓力泄出。具體試驗結(jié)果如下:

圖3 3 mm 孔板排放時壓力變化情況Fig.3 Pressure of cavity during discharge of 3 mm orifice

圖4 2 mm 孔板排放時壓力變化情況Fig.4 Pressure of cavity during discharge of 2 mm orifice

（1）3 mm 孔板排放時,B 腔壓力（Pq）從0.32 MPa（47.2 s）排放至0.003 MPa（73.1 s）約26 s,B 腔壓力從0.025 MPa（56.1 s）排放至0.003 MPa 約17 s;

（2）2 mm 孔板排放時,B 腔壓力（Pq）從0.32 MPa（56.5 s）排放至0.003 MPa（190.5 s）約134 s,B腔壓力從0.025 MPa（87.1 s）排放至0.003 MPa 約103.4 s。

5.2 預冷流量情況

加注閥預制小泄漏通道,加注閥出口（A 腔P1）壓力0.33 MPa 時,保持預冷路手閥K4 全開,手閥1—3 關(guān)閉,通過預冷路流量計測量預冷路流量,見圖5。從曲線來看,由于排氣口和孔板排放口手閥均處于關(guān)閉狀態(tài)且加注閥存在泄漏,故A 腔（P1）和B腔（P2）壓力基本一致。當壓力為0.33 MPa 時,從A腔預冷口流出的液氮流量（Q1）約為80 g/s。

圖5 給定出口壓力下預冷路流量曲線Fig.5 Flow curve of precooling under given outlet pressure

5.3 閥門泄漏時試驗結(jié)果

5.3.1 加注閥與連接器間容腔壓力

加注閥預制小泄漏通道,采用3 mm 孔板模擬加注連接器頂桿中心3 mm 孔進行排放試驗,試驗進行了2 次,2 次試驗加注閥P1和P2壓力的情況見圖6。從曲線來看,兩次試驗壓力重復性較好,當加注閥出口P1壓力（A 腔）為0.33 MPa 時,第一次試驗加注閥入口P2-1壓力（B 腔）約為0.19 MPa,第二次加注閥入口P2-2壓力（B 腔）約為0.18 MPa。

圖6 3 mm 孔板排放時A 腔和B 腔壓力曲線(第一次和第二次)Fig.6 Pressure curves of cavity A and cavity B during discharge of 3 mm orifice

5.3.2 加注閥與連接器對接時低溫泄漏量

圖7 為加注閥泄漏試驗中A 腔（P1）和B 腔壓力（P2）及主路流量計1（Q1）的曲線。從圖中可以看出,當A 腔壓力約為0.33 MPa 時,B 腔壓力約為0.18 MPa,總的流量Q1約為111 g/s。根據(jù)預冷路流量計測量的預冷路流量約為80 g/s（A 腔壓力為0.33 MPa,K4 手閥全開）,從而計算出連接器對接時通過加注閥的低溫泄漏量為31 g/s。

圖7 壓力和流量曲線Fig.7 Pressure and flux curves

5.3.3 連接器脫落后加注閥泄漏量

拆除加注閥入口堵蓋模擬射前-2 min 連接器脫落,此時加注閥入口壓力（B 腔）P2處于大氣壓,整個試驗中K4 狀態(tài)不動,從流量計1 監(jiān)測的流量變化曲線見圖8。從曲線上可以看出,加注閥預制小泄漏通道不變,當加注閥出口壓力（A 腔）P1為0.33 MPa,加注閥入口壓力（B 腔）P2為大氣壓時,流量計1監(jiān)測的流量（Q1）約為120 g/s,說明此時泄漏量為120 g/s。

圖8 P2 處于大氣壓狀態(tài)下流量計1 監(jiān)測的流量情況Fig.8 Flux curve under atmospheric pressure

5.4 數(shù)值仿真計算結(jié)果

采用AMEsim 軟件建立仿真計算模型,用孔板模擬加注閥預制泄漏孔,試驗中加注閥出入口管路進行絕熱,預冷后加注閥殼體表面已結(jié)厚厚的霜進一步對加注閥進行絕熱且試驗時間較短,因此仿真計算未考慮加注閥與外界換熱的影響,加注閥出口壓力P1為0.32 MPa,加注閥與連接器對接后形成的容腔壓力P2為0.18 MPa,由仿真計算出來的泄漏量為82 g/s;加注閥入口堵蓋拆除后P2為0 表壓,由仿真計算的泄漏量為120 g/s,計算曲線見圖9,仿真計算結(jié)果與試驗測量的80 g/s 和120 g/s 基本一致。

圖9 仿真計算結(jié)果Fig.9 Results of numerical simulation

圖10 給出了加注閥出口壓力P1為0.32 MPa下,不同加注閥泄漏面積下,加注閥入口安裝堵蓋（模擬加注閥關(guān)閉后對接連接狀態(tài)）和加注閥入口拆除堵蓋（模擬加注閥關(guān)閉后連接器脫落狀態(tài)）兩種情況的加注閥低溫泄漏量,圖11 給出了不同加注閥泄漏面積下B 腔壓力和拆除堵蓋后泄漏量對應關(guān)系。從泄漏量計算曲線可以看出,隨著加注閥泄漏面積的增大,加注閥在兩種狀態(tài)下的低溫泄漏量差值逐步增大,泄漏面積9 mm2時,加注閥入口安裝堵蓋時泄漏量為89 g/s,而拆除堵蓋泄漏量為144.2 g/s,相差62%。

圖10 不同加注閥泄漏面積下加注閥入口安裝堵蓋和拆除堵蓋泄漏量對比曲線Fig.10 Comparison curves of leakage amount of valve inlet with plug installed and removed under different leakage surfaces

圖11 不同加注閥泄漏面積下加注閥B 腔壓力與拆除堵蓋泄漏量關(guān)系曲線Fig.11 Pressure of cavity B with play removed and leakage under different leakage surfaces

6 結(jié) 論

通過開展加注閥啟閉狀態(tài)試驗,研究了加注閥未泄漏和泄漏兩種狀態(tài)下加注閥與連接器形成的容腔

內(nèi)壓力的變化以及連接器脫落前后加注閥泄漏量的變化,為加注閥改進提供技術(shù)支撐,主要結(jié)論如下:

（1）加注閥未泄漏時,采用3 mm 孔板模擬加注連接器頂桿中心孔泄漏,加注閥與連接器形成的容腔（B 腔）壓力從0.025 MPa 經(jīng)過17 s 壓力降至0.003 MPa;而加注閥低溫泄漏量為80 g/s 時（5.99 L/min）,加注閥與連接器形成的容腔（B 腔）壓力維持在0.18 MPa,說明在加注閥入口安裝壓力傳感器監(jiān)測加注閥泄漏情況是可行的。

（2）加注閥存在泄漏通道時,入口對接連接器工況試驗獲得流量為31 g/s,連接器拆除后的工況由于備壓降低試驗獲得流量為120 g/s,泄漏量明顯增大。

（3）數(shù)值仿真結(jié)果與試驗結(jié)果一致性較好,且由數(shù)值模擬計算的結(jié)果可以得到:隨著加注閥泄漏面積不斷增大,加注閥與連接器對接狀態(tài)和連接器脫落兩種狀態(tài)下泄漏量差別越大,加注閥泄漏面積9 mm2時,泄漏量相差62%,說明加注閥泄漏通道相同時評估泄漏量能否對發(fā)射任務有影響應以連接器脫落后泄漏量為準。