宋亞輕,白旭東,成 潔,王 飛,楊永強
(西安航天動力研究所,西安,710100)
1200 kN液氧煤油發(fā)動機是新型運載火箭的主動力發(fā)動機。當火箭載荷不同時,發(fā)射窗口寬窄不一[1],嫦娥一號甚至實現(xiàn)了零窗口發(fā)射[2],因此對發(fā)動機濕態(tài)停放時間提出了窗口適應(yīng)性要求。另外由于惡劣天氣或突發(fā)故障,導致推進劑加注后推遲或中止發(fā)射[3],若推遲時間超出發(fā)動機濕態(tài)停放期,則需要泄出發(fā)動機內(nèi)腔推進劑,按目前地面試車發(fā)動機后處理,工作量大,處理周期長,不僅延誤發(fā)射進程,甚至導致火箭錯過發(fā)射窗口。
為提高火箭發(fā)射可靠性和發(fā)射任務(wù)需求,開展發(fā)動機長時間濕態(tài)停放適應(yīng)性和箭體環(huán)境使用維護流程研究,依據(jù)推進劑加注流程和隨箭待機時間的不同,制定簡捷高效的適應(yīng)發(fā)射場環(huán)境的后處理方案,可簡化操作流程,縮短發(fā)動機處理周期。
火箭執(zhí)行正常發(fā)射流程時,推進劑加注流程有兩個:a)氧貯箱和發(fā)動機內(nèi)腔同時加注液氧;b)發(fā)動機燃料腔抽真空,打開煤油入口隔離閥加注煤油。
根據(jù)火箭測發(fā)流程和火箭等待或推遲發(fā)射時間的長短,梳理出5種工況,涵蓋了三型火箭載荷窗口期要求和推遲發(fā)射時間段的要求。等待或延遲發(fā)射期間,要求發(fā)動機經(jīng)處理后,可隨時進入點火程序,為火箭快速響應(yīng)創(chuàng)造寬松的條件,如表1所示。
表1 火箭對發(fā)動機處理需求Tab.1 Rocket Request for Engine Rreatment
續(xù)表1
1200 kN液氧煤油發(fā)動機氧化劑為液氧,燃料為煤油,煤油系統(tǒng)入口設(shè)有隔離閥,發(fā)動機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 1200kN液氧煤油發(fā)動機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Fig.1 1200kN LOX/Kerosene Rocket Engine System Schematic
由圖1可以看出,氧系統(tǒng)預(yù)冷和煤油系統(tǒng)抽真空是發(fā)動機啟動必須完成的準備工作[4],箭體環(huán)境下,液氧經(jīng)發(fā)動機入口泵前管路、氧泵和泵后管路、預(yù)冷回流閥出口,最終返回氧貯箱,即采用循環(huán)預(yù)冷方案[5]。預(yù)冷將完成時,燃料系統(tǒng)抽真空充填,抽真空可保證煤油供應(yīng)系統(tǒng)工作穩(wěn)定性和可靠性。
氧系統(tǒng)維持低溫狀態(tài)為1200 kN發(fā)動機啟動條件。發(fā)動機維持加注液氧狀態(tài)隨箭停放3天。長時間預(yù)冷對發(fā)動機影響主要有以下3個方面:
a)主泵隔離腔溫度。發(fā)動機煤油泵和氧泵同軸,在結(jié)構(gòu)上,主泵隔離腔將氧泵和煤油泵隔開;發(fā)動機預(yù)冷期間,維持隔離腔吹除,以控制隔離腔溫度;需持續(xù)對該測點進行監(jiān)測判讀。
b)推力室燃氣噴前溫度。發(fā)動機加注前已拆除推力室保護堵蓋,燃氣腔暴露在空氣中,預(yù)冷期間燃氣腔溫度較低。為了防止水蒸汽倒吸結(jié)晶,須在預(yù)冷期間對燃氣腔吹除,氮氣吹除溫控效果需通過地面試車預(yù)冷試驗考核。
c)以上兩路吹除均設(shè)有單向閥。單向閥工作時,閥芯在特定吹除壓力和流量下易發(fā)生顫振[6],閥芯與外殼長時間碰撞,因磨損將導致反向密封失效,需進行試驗驗證。
長時間低溫狀態(tài)對發(fā)動機啟動是否有影響,須經(jīng)過整機試車驗證。
為確保試驗準確性,吹除試驗在發(fā)動機整機搭載,試驗主要分為兩個階段:首先通過吹除壓力寬帶掃頻,找到單向閥在各流道顫振吹除壓力;其次,避開顫振入口壓力進行3天吹除試驗,壓力值穩(wěn)定,如圖2所示。試驗第1天和完成后分別檢查單向閥反向密封性滿足要求,驗證單向閥長時間工作的適應(yīng)性。
圖2 單向閥3天吹除壓力曲線Fig.2 Pressure of Check Valve Blowoff Last for Three Days
遵循循序漸進的原則,1200 kN整機預(yù)冷試驗時間逐步延長,先后開展預(yù)冷1天、預(yù)冷2天和預(yù)冷3天,測點顯示泵隔離腔溫度和推力室燃氣噴前溫度穩(wěn)定,單向閥后吹除壓力穩(wěn)定,試驗后直接進入正常流程點火試車,發(fā)動機正常起動,工況參數(shù)無異常,驗證了發(fā)動機氧系統(tǒng)長時間預(yù)冷適應(yīng)。
貯箱加注液氧后,在停放期間貯箱中的液氧大量汽化損耗[7],若待機超過3天,泄出貯箱中的液氧,發(fā)動機在箭體環(huán)境下泄液氧回溫存在如下問題:
a)氧腔回流口對接。
發(fā)動機與艙體對接后,氧腔回流口與總體氧貯箱對接,無法由回流口泄出。
b)地面工裝。
發(fā)射場無法實現(xiàn)用熱空氣吹除氧化劑系統(tǒng)外表面。地面試車狀態(tài),可在控制室監(jiān)測氧化劑預(yù)冷回流出口和氧化劑入口處確定回溫進程。在發(fā)射場泄液氧回溫時,箭體已斷電,無法監(jiān)測溫度變化。
針對上述問題采取如下措施:a)用地面管路連接已引至艙壁的預(yù)冷回流閥控制口和排放口,液氧從排放口泄出;b)回溫期間,用艙段吹除代替熱空氣回溫;c)用紅外測溫儀監(jiān)測氧系統(tǒng)壁溫。
煤油入口隔離閥打開,煤油完成加注后發(fā)動機隨箭停放,與加注液氧相比,增加了對燃料系統(tǒng)的維護要求,應(yīng)關(guān)注低溫氧系統(tǒng)對燃料系統(tǒng)的影響和非金屬組件煤油浸泡適應(yīng)性。
5.1.1 低溫氧系統(tǒng)對燃料系統(tǒng)的影響
低溫氧系統(tǒng)對燃料系統(tǒng)的影響為:a)燃料系統(tǒng)壁溫過低將導致煤油結(jié)冰,發(fā)動機包裹在艙體內(nèi),燃料腔煤油受氧系統(tǒng)低溫熱傳導和冷氣對流影響逐漸降低;b)煤油溫度變化引起燃料腔內(nèi)壓波動。
采取的措施為:a)濕態(tài)停放期間維持艙段吹除,避免燃料系統(tǒng)溫度過低;b)不再關(guān)閉煤油入口隔離閥,發(fā)動機煤油腔壓力變化被貯箱氣墊緩沖吸收;c)貯箱保護壓和煤油液柱靜壓較小,對燃料腔影響不大。
5.1.2 非金屬件煤油浸泡適應(yīng)性
燃料管路密封墊、啟動箱膠囊、閥門和煤油泵密封墊均為非金屬材料,在煤油浸泡下會發(fā)生輕微溶脹,將影響其密封性能。因此需開展組件煤油浸泡試驗和整機加注煤油停放試驗。
5.2.1 閥門煤油浸泡試驗
對典型閥門開展常溫和低溫煤油浸泡試驗,累計試驗時間10天;然后對閥門試驗過程進行分階段檢查,使其處于密封良好、打開和關(guān)閉壓力穩(wěn)定狀態(tài)。
流量調(diào)節(jié)器是工況轉(zhuǎn)級、流量調(diào)節(jié)和穩(wěn)定的關(guān)鍵組件, 將流量調(diào)節(jié)器在浸泡煤油 30天后進行冷調(diào)試驗,流量調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)級正常。
5.2.2 煤油泵煤油浸泡試驗
開展煤油泵密封長時間常溫和低溫浸泡試驗,結(jié)果顯示,煤油泵入口端面密封30天后無泄漏,分解后產(chǎn)品無異常,其性能滿足要求。
5.2.3 啟動箱相容性試驗
啟動箱內(nèi)部膠囊隔離液腔和氣腔,腔囊受壓翻轉(zhuǎn)擠破點火裝置啟動發(fā)動機,經(jīng)60天煤油浸泡,氣密檢查良好。
發(fā)動機按試車流程加注液氧和煤油,維持加注狀態(tài),開展氧系統(tǒng)和燃料系統(tǒng)在液柱壓力下3天停放試驗,如圖3所示,期間煤油系統(tǒng)外壁溫度測點示值高于煤油結(jié)冰溫度-60 ℃,煤油無結(jié)晶風險。3天停放試驗后,直接進入點火流程試車,發(fā)動機正常啟動和關(guān)機,全程工況和測量參數(shù)無異常。
圖3 1200kN發(fā)動機濕態(tài)停放試驗示意Fig.3 1200kN LOX/Kerosene Standby Test in Propellant Loading
6.1.1 泄出液氧
發(fā)動機加注液氧煤油后,推遲或等待4~7天發(fā)射,按火箭要求,超過3天液氧泄出。
6.1.2 關(guān)閉煤油入口隔離閥
發(fā)動機恢復(fù)常溫,可關(guān)閉入口隔離閥使燃料腔不再承受入口壓力,緩解管路及組件密封處,使發(fā)動機與增壓輸送系統(tǒng)和貯箱界限清晰,保護發(fā)動機不受外界影響,規(guī)避停放期間煤油貯箱或增壓系統(tǒng)因誤操作增壓的風險。
6.1.3 打開排放閥泄壓
關(guān)閉煤油入口隔離閥,燃料腔為封閉環(huán)境,打開燃料排放閥泄壓,排出部分煤油后關(guān)閉,防止內(nèi)腔煤油受環(huán)境溫度變化壓力增大。
6.1.4 非金屬件煤油浸泡適應(yīng)性
對燃料路典型閥門、煤油泵和啟動箱等含非金屬密封件的組件開展煤油相容性試驗,試驗完成無煤油泄漏,檢查無異常。
發(fā)動機按試車流程加注液氧和煤油,維持加注狀態(tài)停放3天,泄出液氧,關(guān)閉煤油入口隔離閥,打開排放閥泄壓,繼續(xù)停放6天,前后停放9天。期間監(jiān)測煤油系統(tǒng)外壁無滲漏,停放結(jié)束時,在推力室喉部取樣化驗碳氫化合物含量未超標,證明整機燃料腔密封良好。壓力測點顯示燃料腔內(nèi)壓波動很小。停放試驗結(jié)束,直接進入點火流程試車,發(fā)動機啟動和工況參數(shù)無異常。
發(fā)動機停放 7~30天時,需泄出貯箱及發(fā)動機內(nèi)腔煤油。地面試車時處理流程為:首先拆除渦輪泵泄液口、推力室泄液口和五通泄液口,并連接管路泄煤油;然后打開抽真空口泄煤油;最后擠啟動箱,通過五通泄液口再次泄出煤油。
按目前發(fā)動機總裝布局,箭體環(huán)境下,只有推力室泄液口和抽真空口在艙外。不進艙簡化處理解決的途徑有兩種:第1種是將其余4個接口引出;第2種是通過艙外的兩個接口泄煤油。
第1種途徑可保證煤油腔處理后與試車處理方法一致,無需驗證,因發(fā)動機搖擺時與艙壁之間有相對運動,必須用金屬軟管引出,布局復(fù)雜,效率低,且增加了處理操作,不宜采用;第2種途徑可極大地減少泄煤油工作量,難點在于按此泄出煤油后,發(fā)動機燃料腔有煤油殘留?;鸺俅芜M入發(fā)射流程時,再次抽真空能否達到指標要求,加注完成后,是否影響發(fā)動機啟動,需要進行煤油充填泄出試驗和試車考核。應(yīng)首先對第2種途徑進行分析和試驗,若發(fā)動機不適應(yīng),則再考慮第1種途徑。
快速泄煤油后,煤油腔殘留的煤油分布如圖4所示,啟動箱、轉(zhuǎn)級腔和煤油泵積存的煤油無法泄出。
發(fā)動機燃料腔存在幾個盲腔,盲腔內(nèi)組件的煤油相容性需驗證。分析認為簡化泄煤油的主要風險為:燃料腔內(nèi)未泄出的煤油經(jīng)再次抽真空后,變成氣液混合狀態(tài)或懸浮煤油夾氮氣墊,再次充填無法將夾雜的氮氣排出,將會造成發(fā)動機點火及轉(zhuǎn)級時序異常,啟動失敗。關(guān)鍵的部位有兩處:再次抽真空后啟動箱內(nèi)真空度和流量調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)級腔真空度。
圖4 快速處理后殘留煤油分布示意Fig.4 Kerosene Remain after Fast Processing
燃料腔組件通過了長時間浸泡煤油相容性試驗考核,啟動箱已實現(xiàn)免復(fù)位[8],通過增加試驗驗證了啟動箱在充填煤油貯存60天后,抽真空滿足啟動前真空度指標要求,啟動箱充滿煤油抽真空時間比無煤油情況延長,如圖5所示。
圖5 啟動箱充填煤油貯存后抽真空曲線Fig.5 Starting Box Creation of Vacuum in Filling State Storage
1200 kN發(fā)動機按點火流程加注煤油,從推力室泄液口和抽真空口泄出燃料腔煤油,測量泄出煤油體積,快速處理泄出的煤油體積為正常流程泄出量的 86%。然后進行煤油腔試抽真空,啟動箱液腔和流量調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)腔真空度滿足要求,但抽真空時間需大幅增加。按正常流程加注液氧和煤油,檢測啟動條件滿足后,直接點火試車,獲得成功,試后分析發(fā)動機啟動和工況參數(shù)正常,驗證了煤油快速處理方案的可行性。
a)首次實現(xiàn)了1200 kN液氧煤油發(fā)動機3天預(yù)冷和煤油7天不泄出停放,完成了組件飛行狀態(tài)裕度試驗和相容性試驗,整機長時間濕態(tài)停放后試車考核,拓寬了火箭緊急情況下推遲發(fā)射的時間裕度;
b)提出一種可靠的不離箭快速處理方案,開展了關(guān)鍵組件適應(yīng)性試驗考核和發(fā)射場真實流程整機模擬試車考核,使發(fā)動機發(fā)射場使用維護簡便快捷、易操作。