衛(wèi) 國，于韶明，蘆 田，胡彥平

（北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京，100076）

管路系統(tǒng)環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)

衛(wèi) 國，于韶明，蘆 田，胡彥平

（北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京，100076）

航天器管路系統(tǒng)，其可靠性關(guān)系到整個(gè)型號(hào)的發(fā)射成敗，需要對(duì)管路系統(tǒng)進(jìn)行充分的地面環(huán)境試驗(yàn)考核。根據(jù)管路環(huán)境試驗(yàn)的需求，通過管路的常溫振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)、高溫振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)、低溫振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)等對(duì)航天器各類管路進(jìn)行充分的地面試驗(yàn)?？己嗽囼?yàn)中，管路的地面環(huán)境與在航天器上的工作環(huán)境基本一致。通過一系列管路地面試驗(yàn)的考核，為檢查型號(hào)設(shè)計(jì)、工藝缺陷提供方法，保證型號(hào)成功發(fā)射。

管路；環(huán)境試驗(yàn)；高溫振動(dòng)；低溫振動(dòng)

0 引 言

航天工程是人類探索未知宇宙的重要技術(shù)工程。依托航天工程，不僅對(duì)國家現(xiàn)代化建設(shè)起到巨大的帶動(dòng)作用，同時(shí)也是和平安定的國際環(huán)境的重要保障。為盡可能提高型號(hào)成功率和可靠性，需要進(jìn)行充分的地面試驗(yàn)，將設(shè)計(jì)缺陷及薄弱環(huán)節(jié)提前暴露并解決。

作為航天器的“血管”，管路系統(tǒng)的可靠性關(guān)系著整個(gè)發(fā)射的成敗。而管路系統(tǒng)的環(huán)境試驗(yàn)是型號(hào)地面試驗(yàn)的重要部分，受到高度關(guān)注。

環(huán)境試驗(yàn)主要包括：大氣環(huán)境（溫度、濕度、鹽霧、霉菌、沙塵、雨淋、太陽光照等）、振動(dòng)環(huán)境（隨機(jī)、沖擊、共振等）、壓力環(huán)境（高壓、低壓、真空等）和其它環(huán)境（核福射、電磁干擾、噪聲、離心等）。而對(duì)航天器的管路系統(tǒng)可靠性產(chǎn)生影響的主要環(huán)境因素有溫度、內(nèi)介質(zhì)、壓力、振動(dòng)等。[1,2]

管路系統(tǒng)地面環(huán)境試驗(yàn)的關(guān)鍵是模擬航天工作時(shí)管路系統(tǒng)所處的環(huán)境，本文就3類主要的管路系統(tǒng)環(huán)境地面試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行介紹。

1 管路常溫振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)

中國目前在役的運(yùn)載火箭，其推進(jìn)劑主要為偏二甲肼/N2O4，推進(jìn)劑管路對(duì)常溫、內(nèi)壓、振動(dòng)復(fù)合環(huán)境的地面試驗(yàn)有較大的需求。比如目前可靠性要求最高的火箭，即載人航天的主力火箭CZ-2F的管路系統(tǒng)中各級(jí)噴前測壓管工作時(shí)，管路內(nèi)有介質(zhì)偏二甲肼/N2O4，內(nèi)壓為11 MPa，處于振動(dòng)應(yīng)力環(huán)境中；上面級(jí)的輸送管、連通管等工作時(shí)管路內(nèi)介質(zhì)也為偏二甲肼/N2O4，管路處于內(nèi)壓、振動(dòng)復(fù)合環(huán)境中。

管路振動(dòng)方程如式（1）所示：

式中 m為質(zhì)量；c為阻尼；k為剛度；x為位移；p為振動(dòng)力。

內(nèi)介質(zhì)會(huì)增加附加質(zhì)量，引發(fā)液固耦合問題，管路的動(dòng)力學(xué)特性會(huì)有顯著變化，因此地面試驗(yàn)時(shí)要求盡量模擬管路的內(nèi)介質(zhì)、內(nèi)壓、振動(dòng)的復(fù)合環(huán)境效應(yīng)。

由于偏二甲肼/N2O4都是劇毒液體，試驗(yàn)室中嚴(yán)禁使用，只能采用密度相當(dāng)?shù)臒o毒模擬液代替，一般采用調(diào)制的尿素（密度 1.335 g/cm3）代替 N2O4（密度1.446 g/cm3），采用純凈水（密度1.0 g/cm3）代替偏二甲肼（密度0.793 g/cm3）。

目前液壓設(shè)備一般無法達(dá)到11 MPa高壓，試驗(yàn)室采用氣液復(fù)合加載裝置進(jìn)行液壓加載，如圖1所示。

試驗(yàn)時(shí)，首先關(guān)上A2，打開A3，使用打壓機(jī)將模擬液加注到試驗(yàn)管路中；然后關(guān)閉A3，打開A1、A2，就試驗(yàn)產(chǎn)品進(jìn)行加壓，達(dá)到目標(biāo)壓力后，關(guān)閉A1，進(jìn)行試驗(yàn)。

管路的邊界包含接口、支架等復(fù)雜接觸，各處振動(dòng)環(huán)境也不盡相同，地面振動(dòng)試驗(yàn)完全等效箭上環(huán)境比較困難。工程試驗(yàn)中，考慮管路考核的關(guān)鍵位置、薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行振動(dòng)環(huán)境的包絡(luò)，對(duì)比管路的實(shí)際振動(dòng)環(huán)境對(duì)管路的兩端、支架、綁扎點(diǎn)等進(jìn)行模擬。

某型號(hào)管路系統(tǒng)試驗(yàn)如圖2所示，管路內(nèi)加注無毒模擬液，使用氣液復(fù)合加載裝置進(jìn)行內(nèi)壓加載，靠近發(fā)動(dòng)機(jī)端施加振動(dòng)條件，另外一端與地面固定，該管路有兩處綁扎點(diǎn)，考慮管路綁扎點(diǎn)的環(huán)境，將綁扎點(diǎn)與地面固定。

2 管路高溫振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)

航天器發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，推進(jìn)劑燃燒會(huì)產(chǎn)生高溫，航天器不少管路系統(tǒng)處于高溫環(huán)境中，比如自生增壓管系、排焰管等。

材料的性能比如強(qiáng)度、剛度等都與溫度相關(guān)，熱環(huán)境下管路的動(dòng)力學(xué)性能與常溫環(huán)境有顯著差異。因此只有在熱環(huán)境下進(jìn)行管路的振動(dòng)環(huán)境考核才是有效考核。在各個(gè)航天型號(hào)中，對(duì)熱振聯(lián)合試驗(yàn)的需求十分旺盛，是目前研究的熱點(diǎn)。

對(duì)于管路熱環(huán)境的模擬，主要有內(nèi)加熱、外加熱兩種方式。內(nèi)加熱為管路內(nèi)加注滿足溫度要求的氣體或液體；外加熱為采用加熱設(shè)備對(duì)管路外表面加熱。

在內(nèi)加熱試驗(yàn)系統(tǒng)中[3]，介質(zhì)流量mq由流量調(diào)節(jié)閥開度（冷流試驗(yàn)）或發(fā)動(dòng)機(jī)喉部（點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)）節(jié)流控制。假設(shè)試驗(yàn)系統(tǒng)管路內(nèi)徑為d，工作介質(zhì)密度ρ，則管路內(nèi)工作介質(zhì)流速v為

壓降LpΔ為

式中 L為管路長度。

由式（2）和式（3）可知，流量確定時(shí)，管路內(nèi)徑d越大，流速越慢，壓降越大。管路內(nèi)通加熱后的氣體，流量慢、壓降大；使得管路出入口溫差很大，因此管路內(nèi)徑d小于30 mm時(shí)，一般不采用內(nèi)加熱方式。

管路高溫環(huán)境振動(dòng)試驗(yàn)中有兩個(gè)難點(diǎn)：一是熱環(huán)境的模擬；二是振動(dòng)環(huán)境的準(zhǔn)確控制。

對(duì)于高溫管路振動(dòng)試驗(yàn)的控制方案，目前主要采用準(zhǔn)閉環(huán)控制方式和非接觸控制方式[4～6]。準(zhǔn)閉環(huán)控制方式操作簡單：可行性高，但是對(duì)于結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性與溫度相關(guān)性高的產(chǎn)品準(zhǔn)確度差；非接觸控制方式控制（激光測振儀）基于多普勒效應(yīng)進(jìn)行加速度的測量并進(jìn)行振動(dòng)控制，較為準(zhǔn)確，但是成本高、操作復(fù)雜、可行性差。工程試驗(yàn)中應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況，選擇合適的控制方案。

管路高溫環(huán)境振動(dòng)試驗(yàn)中夾具需要專門設(shè)計(jì)，確保高溫不會(huì)灼傷振動(dòng)臺(tái)，也不會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)臺(tái)、功率放大器等因過熱而自我保護(hù)停機(jī)；同時(shí)作為振動(dòng)夾具，需要滿足剛度、阻尼等要求確保振動(dòng)的傳遞[7]。目前高溫環(huán)境下振動(dòng)夾具主要分為2種：a）主動(dòng)隔熱式，采用耐高溫材料（玻璃鋼、復(fù)合材料等）制造夾具，通過阻斷高溫傳導(dǎo)保護(hù)振動(dòng)設(shè)備；b）被動(dòng)隔熱式，采用其他降溫措施（水冷、風(fēng)冷等）對(duì)夾具進(jìn)行強(qiáng)制降溫來保護(hù)振動(dòng)設(shè)備。

2.1 外加熱

外加熱方式是通過對(duì)管路外壁進(jìn)行加熱來提供管路熱環(huán)境，熱源來自于管路外部。目前常用的有石英燈輻射、電熱絲纏繞等加熱方式模擬管路壁面溫度。同時(shí)管內(nèi)充入固定壓力的氣體，以達(dá)到模擬內(nèi)部壓力的目的。

外加熱方式的優(yōu)點(diǎn)是易于實(shí)現(xiàn)，對(duì)于管徑的適應(yīng)性較好；缺點(diǎn)是無法模擬某些管路內(nèi)部高溫氣體的對(duì)流加熱工況，內(nèi)部高溫氣體的對(duì)流加熱的管路熱源為內(nèi)部氣流，同時(shí)受外表面輻射散熱的影響，內(nèi)壁溫度高于外壁溫度，而外加熱方式管路外壁溫度高于內(nèi)壁溫度。對(duì)于實(shí)際工況中熱源不是管路內(nèi)氣體，而是周圍環(huán)境熱，外加熱方式的有效性會(huì)大大提高。

圖3為某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)前封頭測壓管熱振聯(lián)合試驗(yàn)。

試驗(yàn)中由于管路很?。▋?nèi)徑約5 mm），只能采用外加熱方式，采用石英燈進(jìn)行輻射加熱，管路內(nèi)用高壓氮?dú)馄窟M(jìn)行加壓模擬管路內(nèi)壓環(huán)境，確保管路內(nèi)壓與實(shí)際工況相同。

該測壓管在試車試驗(yàn)中，由于發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)的變化，發(fā)現(xiàn)其溫度達(dá)到了500 ℃左右，遠(yuǎn)高于以往的測量數(shù)據(jù)，是型號(hào)成功發(fā)射的重大隱患。通過管路高溫振動(dòng)復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)，對(duì)管路的環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行了充分考核，排除了發(fā)射安全隱患，確保型號(hào)的成功發(fā)射。

2.2 內(nèi)加熱

管路的內(nèi)加熱采用空氣加熱器和空氣壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)?？諝馐紫韧ㄟ^空氣壓縮機(jī)加壓，后進(jìn)入空氣電加熱器加熱，最后高溫高壓氣流流經(jīng)管路對(duì)其加熱。

內(nèi)加熱方式的優(yōu)點(diǎn)是管路內(nèi)部是高溫氣體對(duì)流加熱，且可以控制氣體壓力，與真實(shí)情況相近；缺點(diǎn)是壓力范圍有限，對(duì)于壓力要求比較高的工況難以滿足，而且只適用于一定直徑范圍的管路，對(duì)于過粗或過細(xì)的管路均不適用。溫度受限于空氣加熱器的功率，目前內(nèi)加熱方式管路內(nèi)溫度最高只能達(dá)到800 ℃，對(duì)于更高溫度的熱環(huán)境只能采用其他方式。

另外由于采用內(nèi)加熱方式使內(nèi)部氣體產(chǎn)生對(duì)流以及溫度傳感器的誤差等因素的影響使得管路內(nèi)部的氣體壓力不可能保持恒定值，需要通過壓力調(diào)節(jié)閥實(shí)時(shí)控制內(nèi)部空氣壓力以達(dá)到試驗(yàn)要求，壓力控制精度較低。

某型號(hào)一級(jí)排焰管高溫振動(dòng)復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)如圖 4所示。

按照實(shí)際使用工況，試驗(yàn)管路的溫度需要達(dá)到700 ℃高溫，同時(shí)進(jìn)行內(nèi)壓、振動(dòng)復(fù)合環(huán)境考核。為確保管路內(nèi)溫度達(dá)到700 ℃，盡量縮短加注管路長度，并對(duì)加注管路進(jìn)行防散熱處理；管路通過轉(zhuǎn)接工裝與振動(dòng)臺(tái)固支，轉(zhuǎn)接工裝實(shí)現(xiàn)管路復(fù)雜空間角度的安裝；采用準(zhǔn)閉環(huán)控制方式進(jìn)行振動(dòng)控制。

3 管路低溫振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)

美國、法國等國家很早就開始重視推進(jìn)劑的毒性與污染問題，限制甚至禁止使用偏二甲肼。采用新型燃料的大推力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是目前火箭發(fā)展的趨勢。中國也開始對(duì)火箭的新型燃料進(jìn)行研究與使用，液氧/煤油推進(jìn)劑發(fā)動(dòng)機(jī)已在 CZ-7上使用，液氧/液氫推進(jìn)劑發(fā)動(dòng)機(jī)已在CZ-5上使用。

由于新型燃料的使用，CZ-7/CZ-5的液氧輸送管路、氧預(yù)冷回流管路等均為低溫管路，使用工況為低溫、內(nèi)壓、振動(dòng)復(fù)合環(huán)境，對(duì)管路的設(shè)計(jì)、地面試驗(yàn)的實(shí)施提出新的要求。

這類管路系統(tǒng)環(huán)境試驗(yàn)的關(guān)鍵是管內(nèi)低溫介質(zhì)的模擬、壓力的加載、振動(dòng)環(huán)境的模擬等。

由于液氧具有危險(xiǎn)性，普通實(shí)驗(yàn)室中嚴(yán)禁使用，試驗(yàn)中采用密度、溫度相當(dāng)?shù)囊旱嬉貉?。液氮加注設(shè)備如圖5所示。液氮加注設(shè)備主要由液氮罐、加注管路、平衡罐、加壓氣瓶及配套閥門組成。試驗(yàn)前，將試驗(yàn)管路與整個(gè)系統(tǒng)連接；然后液氮罐通過液氮汽化自增壓向試驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)加注液氮，直至平衡罐內(nèi)加滿為止；通過加壓氣瓶、自動(dòng)閥門調(diào)節(jié)整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的壓力，試驗(yàn)管路系統(tǒng)內(nèi)壓的模擬。試驗(yàn)過程中，管路內(nèi)液氮會(huì)因吸熱汽化，平衡罐內(nèi)液氮由于重力作用補(bǔ)充到管路內(nèi)，確保管路內(nèi)介質(zhì)始終為液氮，實(shí)現(xiàn)管路低溫內(nèi)介質(zhì)的模擬。

管路系統(tǒng)的低溫振動(dòng)復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)是一個(gè)系統(tǒng)工程，不僅涉及到溫度的模擬，同時(shí)涉及壓力保持、振動(dòng)加載等各個(gè)環(huán)節(jié)，同時(shí)因?yàn)榈蜏亍毫Φ拳h(huán)境的影響，對(duì)振動(dòng)設(shè)備產(chǎn)生了許多新的影響。

由于液氮溫度為-193 ℃，低溫會(huì)灼傷振動(dòng)設(shè)備，為防止低溫影響振動(dòng)設(shè)備的使用，采用振動(dòng)設(shè)備低溫防護(hù)系統(tǒng)[8]，通過隔熱裝置阻斷低溫的傳導(dǎo)，確保振動(dòng)臺(tái)正常工作。對(duì)于直徑超過300 mm的管路，在增壓過程中，因壓力引起的內(nèi)力直接作用到振動(dòng)臺(tái)上，會(huì)嚴(yán)重?fù)p失振動(dòng)臺(tái)的推力，采用管路內(nèi)力平衡系統(tǒng)[9]，通過彈力繩平衡到管路內(nèi)力，同時(shí)又不影響管路振動(dòng)應(yīng)力的加載，確保振動(dòng)臺(tái)不因管路內(nèi)力影響正常工作。管路增壓過程中，由于內(nèi)壓增加，易產(chǎn)生“壓桿穩(wěn)定問題”失穩(wěn)破壞，采用管路試驗(yàn)防失穩(wěn)系統(tǒng)[10]，通過導(dǎo)向桿等裝置，確保增壓過程中管路不會(huì)失穩(wěn)破壞。

4 結(jié)束語

管路問題受到各型號(hào)重視，管路系統(tǒng)的地面環(huán)境試驗(yàn)對(duì)于管路的設(shè)計(jì)缺陷的暴露，可靠性的驗(yàn)證具有重要意義，各個(gè)型號(hào)都加大了管路試驗(yàn)的重視與投入。

管路系統(tǒng)環(huán)境試驗(yàn)最關(guān)鍵的是地面環(huán)境與工作環(huán)境的等效。為了更準(zhǔn)確地模擬管路系統(tǒng)工作環(huán)境，更有效的對(duì)管路系統(tǒng)進(jìn)行考核，發(fā)展了各類管路系統(tǒng)環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)。

管路系統(tǒng)常溫振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)設(shè)計(jì)了一套氣液復(fù)合加載裝置，準(zhǔn)確模擬管路內(nèi)介質(zhì)、內(nèi)壓等參數(shù)；分析實(shí)際使用環(huán)境并考慮工程實(shí)現(xiàn)情況確定管路地面試驗(yàn)最優(yōu)邊界，包括管路各個(gè)端口及支架連接、綁扎點(diǎn)等，根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行有效模擬。

管路系統(tǒng)高溫振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)中，通過對(duì)真實(shí)工況的研究，合理選擇內(nèi)加熱、外加熱方式，同時(shí)合理選擇振動(dòng)控制方法，設(shè)計(jì)加工有效的試驗(yàn)夾具進(jìn)行管路系統(tǒng)高溫振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)。

管路系統(tǒng)低溫振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)，通過液氮加載設(shè)備對(duì)試驗(yàn)管路進(jìn)行低溫加載，并通過振動(dòng)設(shè)備的低溫防護(hù)系統(tǒng)確保振動(dòng)臺(tái)能在管路產(chǎn)品進(jìn)行低溫加注后正常工作；通過內(nèi)力平衡技術(shù)、防失穩(wěn)技術(shù)等的應(yīng)用確保運(yùn)載火箭的液氧輸送管、氧預(yù)冷回流管路等的順利完成。

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Environmental Testing Technology of Pipeline System

Wei Guo, Yu Shao-ming, Lu Tian, Hu Yan-ping
(Beijing Institute of Structure and Environment Engineering, Beijing, 100076）

It is important to carry out full ground environment tests for pipeline system. According to the tests’ requirement, the normal temperature vibration, thermal-vibration and cryogenic- vibration environment test technology are developed to achieve all kinds of pipeline tests. The environment of the pipeline’s ground test is basically the same as that of the spacecraft. Through the evaluation of a series of pipeline ground test, it exposes the design and process defects, and contributes to the successful launch.

Pipeline; Environmental test; Thermal-vibration; Cryogenic-vibration

V416.2

A

1004-7182(2017)05-0093-04

10.7654/j.issn.1004-7182.20170523

2017-02-07；

2017-05-01

衛(wèi) 國（1965-），男，研究員，主要研究方向?yàn)榄h(huán)境工程