火星探測任務中低溫推進劑彈性保障策略

陳少將 鐘文安 朱良平 鄭 艷 古宇飛

(航天發(fā)射場可靠性重點實驗室 ?？?571126)

1 引言

液氫、液氧由于其比沖高、無污染等優(yōu)點,越來越被首選為運載火箭推進劑,逐步取代常規(guī)推進劑。 但與常規(guī)火箭相比,低溫火箭在測試過程中,無法有效檢驗元器件在低溫區(qū)工作性能,在低溫推進劑加注后容易發(fā)生不可預測的故障,任務推遲發(fā)射的可能性大。

低溫推進劑具有易揮發(fā)、易燃、易爆等特點,同時受推進劑的需求量、機組的生產效率、特裝的轉運能力等因素影響,其籌措、貯存難度遠超常規(guī)推進劑,一直是大型低溫火箭測試保障的關鍵點和難點。 如何降低低溫推進劑籌措、貯存過程中的揮發(fā)量,成為了研究的熱點。 郭志釩等人對低溫液氫儲存現(xiàn)狀及問題展開了分析,并對低溫容器設計的角度進行了描述[1];邢力超等對低溫推進劑無損貯存技術的研究進展進行了總結和展望[2];黃兵等人對火箭加注后停放過程中影響推進劑蒸發(fā)量的因素進行了深入分析,提出了解決措施[3]。 在實際的航天發(fā)射任務保障中,往往通過增加低溫推進劑籌措量來解決貯存、停放過程中的蒸發(fā)問題,但由于不可預計產品質量問題可能需要開展泄回工作,推進劑損失量較大,往往由于配套的液氫、液氧生產、貯存能力限制,難以快速完成二次生產、籌措,確保短時間內具備二次加注發(fā)射的機會。

中國在夏季使用大型低溫火箭執(zhí)行首次火星探測任務,低溫火箭質量穩(wěn)定性、地面設備設施可靠性、異常天氣干擾和低溫推進劑持續(xù)蒸發(fā)損耗等因素相互影響,在當年發(fā)射窗口內完成發(fā)射的難度大[4]。如何合理籌措低溫推進劑,在火星年發(fā)射窗口時間內具備2 次甚至多次加注發(fā)射的機會,是確?；鹦翘綔y任務成功的關鍵問題之一。

2 火星探測任務發(fā)射情況

發(fā)射窗口是指允許發(fā)射航天器的時間范圍,一般分為日發(fā)射窗口、月發(fā)射窗口和年發(fā)射窗口。 日發(fā)射窗口即規(guī)定某天內某一時間段可以發(fā)射,窗口寬度一般幾分鐘、幾小時不等;月發(fā)射窗口規(guī)定某個月內連續(xù)某幾天可以發(fā)射;年發(fā)射窗口規(guī)定某年中連續(xù)允許發(fā)射的時間段。 大多數(shù)火星轉移軌道采用霍曼過渡方式,每隔26 個月才會出現(xiàn)一個較為合適的發(fā)射窗口,一旦錯過這個發(fā)射窗口,地球與火星位置發(fā)生了變化,飛行路線也會發(fā)生變化,可能無法奔向火星,故在當年發(fā)射窗口內完成發(fā)射極為關鍵[5-7]。 為確保在火星年內順利完成探測任務,結合運載火箭能力,各國普遍設計2 周左右的年發(fā)射窗口周期,以應對各種發(fā)射風險。

從發(fā)射窗口定義可以看出,火星探測任務發(fā)射情況可分為第一窗口準時發(fā)射、未加注前推遲發(fā)射、加注后推遲發(fā)射和加注泄回后重新發(fā)射4 種,如圖1 所示。

圖1 火星探測任務4 種發(fā)射情況Fig.1 Four launch situations of Mars exploration mission

2.1 第一窗口準時發(fā)射

為確保最大的應急時間,在發(fā)射任務流程設計中,一般將年發(fā)射窗口的第一窗口作為發(fā)射日期。 火箭、探測器經過測試、加注后,在年發(fā)射窗口內的第一個發(fā)射窗口內發(fā)射。

2.2 未加注前推遲發(fā)射

火箭未加注發(fā)射前,受各方面因素影響,未在第一窗口發(fā)射準時發(fā)射。 從國內外發(fā)射任務看,火箭、探測器和發(fā)射場設備在測試過程中,質量問題時有發(fā)生,導致第一窗口準時發(fā)射無法實現(xiàn)。 根據(jù)定義,可以得出未加注前允許推遲的最長時間為年發(fā)射窗口周期Tlaunch。

2.3 加注后推遲發(fā)射

低溫推進劑加注后,受各方面因素影響,火箭未在第一窗口內的計劃時刻準時發(fā)射,需要推遲一定時間發(fā)射。 低溫推進劑對火箭結構、非金屬材料、箭體內部環(huán)境等均會帶來影響,導致火箭各部件的可靠性降低,容易出現(xiàn)泄漏、絕緣阻值超差等問題,Delta4、Atlas5、H-2B、CZ-3B、CZ-5 等主流低溫火箭均發(fā)生過推進劑加注后推遲發(fā)射的情況。 此外,火星探測任務射前工作項目多、操作難度大、制約因素多危險程度高,且發(fā)射日氣象不一定能滿足最低發(fā)射條件,加注后推遲發(fā)射可能性存在。 根據(jù)定義,火箭加注后推遲發(fā)射的時間一般為日發(fā)射窗口寬度;在火箭低溫環(huán)境適應能力滿足的情況下,也可維持在加注狀態(tài)下實施第二天繼續(xù)發(fā)射,即推遲時間1 天。

2.4 泄回后重新組織發(fā)射

火箭在第一窗口加注后,火箭、航天器發(fā)生質量問題或者發(fā)射場設備設施出現(xiàn)故障,無法短時間進行處置,由于火箭部分器件無法長時間承受液氫環(huán)境,可能需要進行推進劑泄回,并重新組織加注發(fā)射。 根據(jù)定義,加注泄回后距再次組織加注發(fā)射的最長允許時間為年發(fā)射窗口周期Tlaunch。 由于液氫、液氧在加注、泄回中的消耗,該種情形對低溫推進劑的籌措提出了更高的要求。

3 低溫推進劑籌措需求分析

在發(fā)射任務中,一般使用槽車通過“多次轉運、多次轉注”或“多次轉注、一次轉運”方式籌措,實現(xiàn)將推進劑從生產廠的生產貯罐,轉移到發(fā)射場的加注貯罐中。 根據(jù)推進劑保障的特點,可以將推進劑籌措按照發(fā)射任務線和推進劑生產線來進行分析。

(1)單次發(fā)射推進劑籌措的時間traise(i,X)

式中:tpro(i,X)是第i次X推進劑的生產時間,由推進劑的生產量P(i,X)和機組的生產效率q決定;tpro-raise(i,X)從生產結束到籌措結束的時間間隔,一般為最后一趟推進劑轉運、轉注的時間,常數(shù);V(i,X)是發(fā)射場完成第i次火箭加注X低溫推進劑的總籌措量;M(i,X)是第i次火箭加注用X推進劑從生產廠貯罐轉移到發(fā)射場加注貯罐之間的損耗量,包括轉注、轉運過程中的損耗和生產貯罐推進劑余量。

(2)火箭單次加注推進劑籌措量V(i,X)

第i次火箭加注需要的X推進劑生產量,包括滿足第i次火箭加注的籌措量、加注后貯罐余底量、貯罐籌措到位停放蒸發(fā)量組成,同時需要扣除上一次加注后推進劑的剩余量。

式中:R(i,X)是第i次火箭加注X推進劑的需求量;W(i,X)是第i次加注后庫區(qū)貯罐X推進劑的余量,受貯罐推進劑管路限制,推進劑余量可以按常數(shù)進行計算;U(i,X)是庫區(qū)籌措好的低溫推進劑從籌措好到預冷時的蒸發(fā)量;W(i-1,X)和U(i-1,X)分別是庫區(qū)i-1 次加注后低溫推進劑從籌措開始到籌措好時的初始量和蒸發(fā)量。H(X)是庫區(qū)低溫貯罐的最大容積,μ、σ 分別庫區(qū)貯罐最小余底系數(shù)和最大填充系數(shù),可以看作常量。

(3)火箭單次加注推進劑消耗量R(i,X)

低溫火箭加注流程通常包括貯箱置換、預冷、加注等過程,而加注工序通常又可進一步細分為大流量加注、自動補加、熱氫排放、射前補加等過程[8]。 按照正常的任務發(fā)射,火箭第i次加注推進劑消耗量計算公式如下:

式中:Qadd是火箭規(guī)定的推進劑加注量,不同的窗口、彈道,火箭的加注量往往有所差異,但在同一次任務中,可以按最大的加注量來計算。Qsubsti是火箭貯箱置換過程中的消耗量;火箭氫箱加注前采用氫氣置換,消耗氫氣由液氫現(xiàn)場氣化回溫的方式制取;氧箱置換采用氮氣置換,不消耗氧氣,在工藝不變的情況下,消耗量在一定范圍內,可以按照歷史最大值來計算。Qprecool是地面管路、火箭貯箱預冷過程中的消耗量;Qconsume是火箭加注過程中的額外消耗量,主要包含加注過程中貯罐、管路、貯箱的蒸發(fā)和泄漏等消耗。 可以看出在工藝不變的情況下,同一次任務中,R(i,X)可看成一個常數(shù)R(X)。

3.1 第一窗口準時發(fā)射

根據(jù)第一窗口準時發(fā)射定義,可以繪制出第1 次低溫推進劑保障流程,如圖2。

圖2 第一窗口準時發(fā)射低溫推進劑生產籌措Fig.2 Production of cryogenic propellant launched on time in the first window

一次加注低溫推進劑籌措量需要滿足庫區(qū)加注貯罐準備期間的蒸發(fā)和加注后的余底,以及火箭的加注需求。 根據(jù)公式(2)獲得第一窗口準時發(fā)射低溫推進劑籌措量計算。 同時,在執(zhí)行火星探測任務前,未知有執(zhí)行其他任務,在這里將庫區(qū)的剩余量忽略,即W(0,X)和U(0,X)為0。

式中:ηtank(t)是庫區(qū)低溫貯罐的蒸發(fā)率,受推進劑容積、貯罐個數(shù)不同而變化;traise(1)是庫區(qū)低溫推進劑從籌措開始到籌措好的時間;tpark(1)是低溫籌措好到預冷的時間,在任務流程中可看作常數(shù)T。

通過式(1)、式(3)、式(4)可以獲得出低溫推進劑所需的生產量、生產時間、籌措時間。

3.2 未加注前推遲發(fā)射

未加注前推遲發(fā)射,推進劑主要受停放期間貯罐推進劑蒸發(fā)影響,需要在原有工藝流程約定等待時間基礎上增加修訂量。

式中:T為低溫推進劑籌措好到加注發(fā)射階段的停放時間,是常數(shù);未加注前推遲的時間修正量,最大的推遲時間為發(fā)射窗口周期,即Max() =Tlaunch。

3.3 加注后推遲發(fā)射

火箭在完成低溫推進劑加注后,由于貯箱與外界的熱交換,會導致貯箱內低溫推進劑不斷蒸發(fā)減少。尤其是在推遲發(fā)射需長時間停放時,停放一段時間后,貯箱在豎直方向與徑向均存在溫度分層,液相內會形成大的漩渦,使得冷熱流體不斷進行熱交換,并導致貯箱內部的液氫也出現(xiàn)氣化,導致液氫消耗[9]。

此時需要在火箭單次加注推進劑消耗量模型(3)中引入推進劑蒸發(fā)修正量,即因推遲火箭停放貯箱蒸發(fā)修正量(1,X)和庫區(qū)貯罐蒸發(fā)的修正量。

式中:tdelay是推遲發(fā)射時間,即火箭加注后,實際發(fā)射時間和預訂發(fā)射時間的時間間隔。

3.4 泄回后重新組織發(fā)射

加注泄回后重新組織發(fā)射,存在低溫推進劑不夠的情形,需要計算推進劑二次籌措需求,如圖3 所示。

圖3 加注泄回重新組織發(fā)射低溫推進劑生產籌措Fig.3 Reorganize production of cryogenic propellant after filling and discharging

根據(jù)式(1)、(2)可以獲取組織第二次加注所需低溫推進劑生產時間模型

式中:W(1,X)是第1 次低溫推進劑加注后未泄回前貯罐余量;Q是火箭貯箱有效泄回量,泄回的量主要受火箭的加注量Qadd與泄回過程的損耗量QR-lbwaste有關。

4 低溫推進劑彈性保障策略

可以看出第一窗口準時發(fā)射、未加注前推遲發(fā)射、加注后推遲發(fā)射三種情況推進劑主要受推進劑停放蒸發(fā)影響,籌措量較小;而加注泄回重新組織發(fā)射情況對推進劑進行泄回,泄回過程中推進劑損耗量QR-lbwaste較大,低溫推進劑保障的關鍵在于年發(fā)射窗口內盡可能確保多次發(fā)射。

為確保火星探測任務的順利進行,按照年發(fā)射窗口不少于2 次加注發(fā)射機會要求,低溫推進劑彈性保障策略:一次籌措確保滿足一次加注發(fā)射,通過二次籌措具備短期兩次加注發(fā)射的條件。 第二次籌措的時間約束即年度發(fā)射窗口寬度Tlaunch。

在具體的保障中,主要通過統(tǒng)籌推進劑生產籌措計劃、優(yōu)化系統(tǒng)準備工作、提升推進劑籌措環(huán)節(jié)可靠性等來實現(xiàn)低溫推進劑的彈性保障。

4.1 統(tǒng)籌生產籌措計劃

主要通過提高第一次推進劑籌措量和提前開展第二次加注量籌措,來縮短第二次籌措的時間。

(1)提高第一次籌措量。 第一次推進劑籌措按照發(fā)射場區(qū)最大保障能力σ·H(X)保障,瞄準第一窗口準時發(fā)射進行推進劑生產準備,生產量具備在年度窗口期最后一天推遲發(fā)射的能力,確保第一次加注后裕量W(1,X)達到最大,泄回后庫區(qū)的余量最大。

(2)提前開展第二次推進劑籌措。 生產廠在第一次推進劑生產量籌措完成后,統(tǒng)籌生產廠和發(fā)射場的貯罐資源可采取兩種方式進行二次籌措,滿足再次組織加注發(fā)射需求。 一是完成第一窗口正常保障需求后利用廠家貯罐繼續(xù)籌備低溫推進劑,生產機組先停機,根據(jù)第二窗口補充需求,計劃節(jié)點倒排開機生產。 二是根據(jù)火星探測年發(fā)射窗口周期,合理安排生產計劃,在低溫推進劑完成籌措后繼續(xù)生產,在火箭未成功點火前設備不停機,一旦需要補充推進劑繼續(xù)延長生產時間。 兩種模式都需要利用生產廠的貯罐提前籌備提問推進劑,但第二種可以節(jié)省開機生產的準備時間,對生產計劃要求更高。

4.2 優(yōu)化系統(tǒng)準備工作

(1)從再次組織實施發(fā)射的情況看,二次推進劑籌措涉及推進劑的轉注、轉運時間影響較大。 針對氧氮籌措時間長、運輸次數(shù)多,創(chuàng)新質量化驗點,優(yōu)化轉注、轉運、化驗流程,從3 天2 車優(yōu)化為2 天2 車,提升籌措效率,縮短額定量籌措時間。

(2)通過開展并行測試,縮短低溫加注系統(tǒng)準備時間T。 第一次籌措截止時間向發(fā)射點時間靠近,減少在加注庫區(qū)停放的時間,以提升發(fā)射時刻的推進劑總量;第二次籌措截止時間推遲到火箭貯箱置換前,確保足夠的生產、籌措時間。

4.3 提升籌措過程可靠性

統(tǒng)籌全年任務,采取設備設施維修、配備冗余設備等措施提升推進劑籌措過程的可靠性。

(1)根據(jù)年度發(fā)射任務,提前制定年度的低溫推進劑保障方案、儀器儀表標校方案等,確保年度任務不影響低溫推進劑籌措。

(2)在任務準備階段,提前開展低溫加注系統(tǒng)和推進劑生產部門的設備設施檢修、維護,確保設備設施狀態(tài)良好。

(3)對液氫、液氧籌措過程中,生產、轉注、轉注和加注等環(huán)節(jié)存在的單點失效風險,進行深入分析,通過開展設備設施部件級冗余改造提升系統(tǒng)級可靠性,并增加轉注貯罐提升運輸、轉注過程的可靠性,降低對任務的影響。

5 結論

火星探測任務對大型低溫火箭的推進劑籌措提出了很高要求,通過對4 種不同發(fā)射情況下的低溫推進劑籌措需求進行分析,識別了年發(fā)射窗口內二次加注發(fā)射推進劑保障要點,制定彈性保障策略:

(1)通過分段籌措滿足多窗口加注發(fā)射保障需求,并通過提高第一次籌措量和提前開展第二次籌措,確保當年發(fā)射窗口內不少于2 次加注發(fā)射機會。

(2)優(yōu)化系統(tǒng)準備工作,優(yōu)化流程提升籌措效率,縮短準備時間,延長第二次籌措時間。

(3)實施設備設施維修、配備冗余設備等措施,提升推進劑籌措過程的可靠性。