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(北京宇航系統(tǒng)工程研究所， 北京 100076)

引言

近年來，隨著我國航天領(lǐng)域取得重大進(jìn)展，大運(yùn)載能力需求不斷的增加，使得高能量密度、高比沖率的液氫液氧推進(jìn)劑成為必然的選擇。該類火箭推進(jìn)系統(tǒng)采用的是低溫冷氦增壓技術(shù)，通過將高壓氦氣儲存在液氫溫區(qū)氣瓶內(nèi)，利用氦氣分子量小、高壓低溫下氦氣密度大、與液氧介質(zhì)換熱量小等特點(diǎn)對液氧貯箱增壓，使液氧貯箱壓力維持在一定范圍，從而保證發(fā)動機(jī)渦輪泵的入口壓力要求[1]。冷氦增壓輸送系統(tǒng)是影響火箭性能、安全和可靠性的一個重要分系統(tǒng)，該系統(tǒng)所涉及到的閥門、管路均需經(jīng)歷液氫溫區(qū)(20 K)的深冷高壓工況，對增壓系統(tǒng)提出了更嚴(yán)格、更高的技術(shù)要求[2,3]。因此，模擬火箭飛行時增壓系統(tǒng)的真實(shí)工況，研究液氫溫區(qū)冷氦增壓系統(tǒng)工作性能是十分必要的。

為了更加真實(shí)模擬箭上冷氦增壓系統(tǒng)的工作情況，液氫溫區(qū)高壓氦氣源的模擬是試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。目前，針對冷氦增壓系統(tǒng)氦氣源的模擬主要分為兩種方法：一種是采用液氮溫區(qū)氦氣進(jìn)行增壓系統(tǒng)試驗(yàn)研究，通過將高壓氦氣流過浸泡在液氮中的換熱管，使其降溫至液氮溫區(qū)，用來模擬冷氦增壓的氦氣源，該方法無法分析液氮溫區(qū)和液氫溫區(qū)對增壓系統(tǒng)匹配性能的影響。另一種方法是采用接近液氫溫區(qū)的氦氣進(jìn)行增壓系統(tǒng)試驗(yàn)研究，將高壓氦氣引入浸泡在液氫中的換熱管，對高壓氦氣進(jìn)行液氫溫區(qū)的降溫，由于小溫差換熱及換熱時間的限制，高壓氦氣溫度只能達(dá)到30 K 左右，該方法也無法真實(shí)模擬箭上冷氦增壓系統(tǒng)工作的真實(shí)工況。另外，該方法需要使用大量液氫，氫屬于易燃易爆介質(zhì)，試驗(yàn)存在較大安全隱患[4]。

鑒于以上試驗(yàn)方法的不足，本研究根據(jù)某型號火箭的冷氦增壓系統(tǒng)，設(shè)計(jì)并建設(shè)了液氫溫區(qū)冷氦增壓試驗(yàn)系統(tǒng)，通過使用高壓低溫?fù)Q熱貯罐配合深低溫制冷機(jī)實(shí)現(xiàn)貯存高壓氦氣并降溫至液氫溫區(qū)的目的，更加真實(shí)模擬箭上冷氦增壓系統(tǒng)的工作情況。

1 系統(tǒng)原理

某型號火箭冷氦增壓系統(tǒng)由電磁閥、孔板和壓力信號器組成。21 MPa高壓氦氣貯存在浸泡于液氫貯箱中的7個20 L的鈦合金氣瓶內(nèi)，氦氣的溫度為液氫溫區(qū)(20 K)。系統(tǒng)工作時，氦氣經(jīng)過電磁閥、孔板和換熱器后進(jìn)入氧箱進(jìn)行增壓。增壓系統(tǒng)包含3路電磁閥加孔板的增壓通路，如圖1所示，系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。其中通路1為主增壓通路，當(dāng)發(fā)動機(jī)工作時電磁閥開啟并保持常開狀態(tài)直到發(fā)動機(jī)關(guān)閉時電磁閥關(guān)閉停止增壓；通路2上的電磁閥是由調(diào)節(jié)壓力信號器8控制，當(dāng)氧箱壓力低于壓力信號器設(shè)定值時，電磁閥自動開啟為氧箱增壓，當(dāng)氧箱壓力超過設(shè)定值時關(guān)閉停止增壓；在正常工作狀態(tài)下，系統(tǒng)依靠主增壓路和調(diào)節(jié)路即可完成增壓工作[4]。

1.增壓電磁閥 2.增壓孔板 3.調(diào)節(jié)電磁閥 4.調(diào)節(jié)孔板 5.備份電磁閥 6.備份孔板 7.調(diào)節(jié)壓力信號器 8.備份壓力信號器圖1 冷氦增壓系統(tǒng)原理圖

名稱參數(shù)要求冷氦氣瓶組容積：140L；初始壓力：21MPa；初始溫度：20K換熱器進(jìn)口氦氣溫度約為30K；出口氦氣溫度約為110K氧箱初始?xì)庹韷毫Γ?．224MPa；氣枕溫度：約為90K；氣枕容積：0．79m3

2 試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 氣源供給系統(tǒng)

氣源供給系統(tǒng)是為試驗(yàn)系統(tǒng)提供氣體介質(zhì)，本試驗(yàn)使用的氣體介質(zhì)為氦氣和氮?dú)?。氦氣作為增壓氣體使用，氮?dú)庥脕砑訜岬蜏睾?。高壓氦氣是通過隔膜壓縮機(jī)將15 MPa的工業(yè)氣瓶組氦氣增壓至35 MPa，然后充入12個50 L條形氣瓶組，作為系統(tǒng)的氦氣源。氮?dú)馐峭ㄟ^液氮經(jīng)液氮泵加壓，再經(jīng)汽化器汽化復(fù)溫后儲存至高壓氮?dú)赓A罐內(nèi)。

2.2 冷氦氣源系統(tǒng)

冷氦氣源系統(tǒng)是用來模擬箭上21 MPa、20 K的140 L氦氣源，本系統(tǒng)通過高壓低溫?fù)Q熱貯罐配合深低溫制冷機(jī)實(shí)現(xiàn)貯存高壓氦氣并降溫至液氫溫區(qū)。高壓低溫?fù)Q熱貯罐容積為140 L，采用真空絕熱，內(nèi)部配有液氮預(yù)冷容腔和換熱管，可以對貯存氣體進(jìn)行換熱。本系統(tǒng)使用的深低溫制冷機(jī)制冷量為2 kW，制冷劑的最低溫度為16 K。

深低溫制冷機(jī)采用低壓氦氣作為制冷劑，其工作原理是制冷劑氦氣經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后溫度升高，采用高效噴油冷卻的方法對高溫氦氣冷卻，以提高壓縮效率；通過冷卻換熱器排出壓縮產(chǎn)生的熱量，然后由高精濾油系統(tǒng)清除制冷劑氦氣中的微量油氣，經(jīng)過濾油后的氦氣進(jìn)入到冷箱(所有低溫部件都放置在冷箱中)。氦氣經(jīng)冷箱中的回?zé)釗Q熱器，利用回流氦氣的冷量來預(yù)冷進(jìn)入的氦氣，使來流氦氣達(dá)到較低的溫度。預(yù)冷后的氦氣經(jīng)氦透平膨脹機(jī)膨脹制冷，膨脹降溫降壓后的冷氦進(jìn)入高壓低溫?fù)Q熱貯罐內(nèi)， 將冷量傳遞給貯罐內(nèi)的增壓氦氣，提供低溫冷量后溫度仍然很低的返流氦氣在回?zé)釗Q熱器中預(yù)冷來流的氦氣，最后回到壓縮機(jī)，完成整個深低溫制冷循環(huán)流程，循環(huán)流程如圖3所示。

圖2 液氫冷氦增壓系統(tǒng)試驗(yàn)原理圖

圖3 深低溫制冷機(jī)原理圖

2.3 增壓路系統(tǒng)

增壓路系統(tǒng)包括為低溫模擬貯箱增壓的三路電磁閥、孔板及增壓管路。為了更加真實(shí)地模擬箭上系統(tǒng)的工況，該試驗(yàn)系統(tǒng)中增壓管路、孔板、電磁閥全部采用箭上產(chǎn)品，并采用聚氨酯發(fā)泡進(jìn)行絕熱。試驗(yàn)開始后，增壓冷氦氣體經(jīng)電磁閥、孔板、冷氦加熱器、質(zhì)量流量計(jì)后進(jìn)入低溫貯箱增壓，以排氣法模擬推進(jìn)劑消耗情況。

2.4 冷氦加熱器系統(tǒng)

冷氦加熱器是模擬箭上的換熱器，將30 K左右低溫氦氣加溫至110 K左右。本系統(tǒng)采用管殼式換熱器，低溫氦氣走管程，常溫氮?dú)庾邭こ?，為了使冷氦加熱器的流阻與箭上換熱器流阻相一致，冷氦換熱器內(nèi)的換熱管采用了箭上真實(shí)的換熱管，通過控制常溫氮?dú)獾牧髁縼碚{(diào)節(jié)換熱量，使加熱器出口低溫氦氣達(dá)到預(yù)定溫度。氮?dú)庥筛邏旱獨(dú)赓A罐提供，其流量通過減壓器與孔板配合進(jìn)行調(diào)節(jié)。冷氦加熱器系統(tǒng)原理如圖4所示，該系統(tǒng)可以按照要求控制出口氦氣溫度，在流阻方面也滿足箭上換熱器的要求。

圖4 冷氦加熱器系統(tǒng)原理圖

2.5 低溫模擬貯箱系統(tǒng)

低溫模擬貯箱是模擬箭上的液氧貯箱，該模擬貯箱為低溫壓力容器，配置液氮冷卻夾套來實(shí)現(xiàn)液氧溫度工況。貯箱內(nèi)工作介質(zhì)為氦氣，工作溫度為77～323 K，容積為真實(shí)貯箱的最小氣枕容積，即0.79 m3。貯箱外壁采用聚氨酯發(fā)泡絕熱。試驗(yàn)時低溫模擬貯箱通過排氣方式來模擬推進(jìn)劑的消耗，貯箱排氣路采用兩路并聯(lián)的排氣電磁閥和孔板組控制貯箱的排氣流量，排氣孔板尺寸分別為10 mm和11 mm。

2.6 測控系統(tǒng)

本試驗(yàn)通過測控系統(tǒng)對系統(tǒng)中電磁閥和氣動閥門進(jìn)行手動、自動和時序控制，同時能夠?qū)υ囼?yàn)中的壓力、溫度和流量等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時測量和記錄。測控系統(tǒng)由測控計(jì)算機(jī)、PLC控制器、I/O控制單元、信號調(diào)理隔離模塊、繼電器模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、數(shù)據(jù)采集板卡、控制信號電纜級數(shù)據(jù)傳輸光纖等組成。

同治六年（公元1867年）4月，59歲的劉崐接替李瀚章任湖南巡撫。同治十年(1871年)，63歲的劉崐因巴揚(yáng)阿的誣告而被朝廷撤職。經(jīng)兩廣總督李瀚章查明系無中生有，朝廷諭令“前撫來京”。但劉崐宦海沉浮對做官一事早已心灰意冷,故“因病請假”，在湘就醫(yī)調(diào)理,寓居長沙,沉湎于酒以自放,世以“劉伶第二”稱之。

3 試驗(yàn)過程

3.1 試驗(yàn)前流程

該系統(tǒng)試驗(yàn)為液氫溫區(qū)試驗(yàn)，必須保證高壓低溫?fù)Q熱貯罐內(nèi)氦氣的高純度，否則氦氣中的雜氣在深低溫下凝固，會造成管路堵塞或低溫閥門的卡滯。所以，高壓低溫?fù)Q熱貯罐在充裝氦氣前需對充氣系統(tǒng)及貯罐進(jìn)行置換處理，確保系統(tǒng)內(nèi)氦氣的純度。

為了縮短高壓氦氣降溫的時間，氦氣氣源提供的高壓氦氣經(jīng)過配氣臺減壓，再通過液氮預(yù)冷換熱器將其降溫至液氮溫區(qū)，然后充入高壓低溫?fù)Q熱貯罐內(nèi)，同時將深低溫制冷機(jī)產(chǎn)生的16 K制冷劑引入換熱貯罐的換熱管內(nèi)，對貯存氦氣進(jìn)行降溫。當(dāng)換熱貯罐內(nèi)氦氣壓力隨著氦氣溫度降低而減小時，繼續(xù)向換熱貯罐內(nèi)充氦氣，直至換熱貯罐內(nèi)氦氣達(dá)到20 K、21 MPa的狀態(tài)，滿足模擬箭上冷氦氣源的要求。

為了真實(shí)模擬箭上液氧貯箱的工作溫度，在試驗(yàn)前需對模擬貯箱的液氮預(yù)冷夾套內(nèi)加注液氮，對貯箱進(jìn)行液氧溫區(qū)的降溫。另外，通過預(yù)增壓系統(tǒng)對模擬貯箱進(jìn)行增壓來模擬初始貯箱氣枕的壓力。

3.2 正式試驗(yàn)流程

當(dāng)高壓低溫?fù)Q熱貯罐內(nèi)氦氣壓力達(dá)到21 MPa，溫度降至20 K，模擬貯箱氣枕壓力為0.224 MPa，氣枕溫度為90 K時，開始冷氦增壓系統(tǒng)正式試驗(yàn)。試驗(yàn)0 s時增壓電磁閥和貯箱排氣電磁閥開啟，同時打開冷氦加熱器的常溫氮?dú)膺M(jìn)氣閥。高壓低溫?fù)Q熱貯罐內(nèi)冷氦氣體經(jīng)電磁閥、孔板、冷氦加熱器、質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)入低溫模擬貯箱增壓，以排氣方式模擬貯箱推進(jìn)劑消耗情況，增壓過程中壓力信號器根據(jù)貯箱壓力對調(diào)節(jié)電磁閥和備份電磁閥的啟閉狀態(tài)進(jìn)行控制，以維持貯箱內(nèi)壓力達(dá)到設(shè)計(jì)的范圍，試驗(yàn)系統(tǒng)照片如圖5、6所示。

1.高壓低溫?fù)Q熱貯罐 2.深低溫制冷機(jī) 3.液氮預(yù)冷換熱器 4.增壓電磁閥 5.箭上增壓管路 6.冷氦加熱器 7.質(zhì)量流量計(jì)圖5 冷氦氣源及增壓路實(shí)物

1.低溫模擬貯箱 2.貯箱排氣路 3.質(zhì)量流量計(jì) 4.冷氦加熱器.圖6 模擬貯箱及排氣系統(tǒng)實(shí)物

4 試驗(yàn)系統(tǒng)特點(diǎn)

4.1 冷氦氣源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)通過使用深低溫制冷機(jī)，配合高壓低溫?fù)Q熱貯罐來模擬箭上浸泡在液氫貯箱內(nèi)的7個20 L氦氣氣瓶，在降溫過程中不使用液氫，提高了系統(tǒng)的安全性。另外，常溫氦氣充入高壓低溫?fù)Q熱貯罐前，經(jīng)過液氮預(yù)冷換熱器對其進(jìn)行了液氮溫區(qū)的預(yù)冷，然后再利用深低溫制冷機(jī)提供的16 K制冷劑進(jìn)行液氫溫區(qū)的降溫，減少了冷氦氣源的降溫時間。通過深低溫制冷機(jī)配合高壓低溫?fù)Q熱貯罐得到的140 L、20 K的21 MPa冷氦氣源，更加真實(shí)地模擬了箭上的冷氦氣源。

4.2 冷氦加熱器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了管殼式冷氦加熱器，使用常溫氮?dú)饧訜岬蜏睾?，加熱器?nèi)換熱管結(jié)構(gòu)形式與箭上相同，通過改變冷氦加熱器殼內(nèi)常溫氮?dú)饬髁縼砜刂茡Q熱器出口的氦氣溫度。氮?dú)庥筛邏嘿A罐提供，其流量通過減壓器與孔板配合進(jìn)行調(diào)節(jié)。冷氦加熱器系統(tǒng)可以按照要求

控制出口氦氣溫度，并且在流阻方面也滿足箭上換熱器的要求。

4.3 低溫模擬貯箱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

低溫模擬貯箱的容積等于箭上液氧貯箱的最小氣枕體積，節(jié)約了試驗(yàn)系統(tǒng)的占地面積。另外，模擬貯箱配置液氮冷卻夾套來實(shí)現(xiàn)液氧溫區(qū)降溫目的，液氮冷卻夾套與貯箱內(nèi)腔分開，液氮與增壓氦氣不摻混，便于對貯箱排氣質(zhì)量流量進(jìn)行測量。模擬貯箱采用排氣方式來模擬液氧推進(jìn)劑消耗時的壓力變化，避免了貯箱進(jìn)行液氧排液帶來的安全性問題。

5 結(jié)論

針對某型號火箭設(shè)計(jì)了冷氦增壓試驗(yàn)系統(tǒng)，該試驗(yàn)系統(tǒng)能夠真實(shí)模擬箭上冷氦增壓系統(tǒng)的工作狀況，考核箭上電磁閥、壓力信號器等產(chǎn)品的工作性能，并具備以下優(yōu)點(diǎn)：

(1) 采用深低溫制冷機(jī)配合高壓低溫?fù)Q熱貯罐獲得了20 K、21 MPa冷氦氣源，能夠更加真實(shí)模擬箭上的冷氦氣源。在降溫過程中未使用液氫，提高了系統(tǒng)的安全性；

(2) 管殼式冷氦加熱器采用常溫氮?dú)饧訜岬蜏睾獾姆椒?，換熱管選用箭上真實(shí)產(chǎn)品，利用調(diào)節(jié)常溫氮?dú)獾牧髁縼砜刂评浜ぜ訜崞鞒隹诘暮鉁囟?，該加熱器的換熱性能及流阻方面都真實(shí)模擬了箭上的加熱器；

(3) 模擬貯箱設(shè)計(jì)為真實(shí)貯箱最小氣枕容積，并通過排氣方式控制增壓時貯箱壓力，能夠真實(shí)模擬貯箱推進(jìn)劑消耗過程的壓力變化，系統(tǒng)安全可靠。

本研究所討論的冷氦增壓試驗(yàn)系統(tǒng)，為以后的研究應(yīng)用提供一個新的思路，具有一定的推廣應(yīng)用價值。

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