林連鑌 吳小軍 張娟 劉振東 古艷峰

（1 上海宇航系統(tǒng)工程研究所 2 上海衛(wèi)星工程研究所）

運(yùn)載火箭末子級(jí)推進(jìn)劑鈍化是指通過(guò)排空剩余推進(jìn)劑，減小火箭末子級(jí)在軌解體的可能性。對(duì)運(yùn)載火箭末子級(jí)推進(jìn)劑進(jìn)行鈍化是減少空間碎片的重要措施。通過(guò)分析各種火箭末子級(jí)剩余推進(jìn)劑排放方案的技術(shù)特點(diǎn)，總結(jié)提煉出剩余推進(jìn)劑排放方案設(shè)計(jì)原則，能為后續(xù)新型運(yùn)載火箭的研制提供技術(shù)參考。

1 引言

為了保護(hù)空間環(huán)境，減少或消除運(yùn)載器和航天器運(yùn)行期間產(chǎn)生的空間碎片，空間碎片協(xié)調(diào)委員會(huì)（IADC）于2002年4月發(fā)布《空間碎片減緩指南》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《指南》）。作為所有成員共同遵守的準(zhǔn)則，《指南》中要求，需對(duì)運(yùn)載火箭末子級(jí)推進(jìn)劑進(jìn)行鈍化處理。因此，在運(yùn)載火箭末子級(jí)將有效載荷送入預(yù)定軌道后，應(yīng)對(duì)火箭末子級(jí)采取有效措施，防止其在軌運(yùn)行階段發(fā)生解體而產(chǎn)生空間碎片，以免對(duì)航天活動(dòng)以及航天器在軌運(yùn)行產(chǎn)生潛在的威脅。

2 剩余推進(jìn)劑鈍化技術(shù)原理

為防止火箭末子級(jí)在軌運(yùn)行階段因貯箱內(nèi)剩余推進(jìn)劑而發(fā)生爆炸解體，需對(duì)末子級(jí)貯箱內(nèi)剩余推進(jìn)劑進(jìn)行在軌排放處理。典型剩余推進(jìn)劑鈍化原理為：在末子級(jí)將有效載荷送入預(yù)定軌道，且末子級(jí)和有效載荷分離達(dá)到一定安全距離后，控制系統(tǒng)打開(kāi)末子級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)主活門(mén)系統(tǒng)電爆管通電，并打開(kāi)電爆閥門(mén),氣瓶中高壓氣體通過(guò)電爆閥門(mén)流入到末子級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)主活門(mén)前（包括氧化劑主活門(mén)和燃料主活門(mén)）打開(kāi)主活門(mén),使貯箱中剩余的推進(jìn)劑再次進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒,并產(chǎn)生推力,直至剩余推進(jìn)劑耗盡。剩余推進(jìn)劑在軌排放方案通常有末子級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)工作排放和末子級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)不工作排放兩大類(lèi)。

推進(jìn)劑鈍化系統(tǒng)典型原理圖

3 末子級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)工作排放

剩余推進(jìn)劑末子級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)工作排放根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工作的情況一般分為額定工況排放和低工況燃燒排放兩種方案。

額定工況排放

發(fā)動(dòng)機(jī)額定工況排放是指發(fā)動(dòng)機(jī)再次點(diǎn)火啟動(dòng)后處于額定工況，剩余推進(jìn)劑在燃燒室燃燒耗盡，之后再保持推進(jìn)劑閥門(mén)打開(kāi)，使貯箱壓力進(jìn)一步降低到安全壓力范圍。

目前，采用末子級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)額定工況排放剩余推進(jìn)劑的火箭包括美國(guó)的“半人馬座”（Centaur）火箭上面級(jí)。該火箭上面級(jí)在與衛(wèi)星分離達(dá)到一定安全距離后，再次啟動(dòng)末子級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行燃燒，并保持推進(jìn)劑閥門(mén)打開(kāi)1min，使貯箱壓力降低到0.517MPa，氣瓶壓力基本降低到0。

額定工況排放模式使推進(jìn)劑排放更徹底，但需要發(fā)動(dòng)機(jī)能夠在保證發(fā)射任務(wù)之外，增加一次（額定工況）點(diǎn)火，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的要求較高。此外，額定工況方案中推進(jìn)劑流量較大，較易出現(xiàn)一種推進(jìn)劑先耗盡的情況。由于額定工況下渦輪泵正常工作，因此需要在一種推進(jìn)劑先耗盡之前關(guān)機(jī)，否則容易產(chǎn)生渦輪泵氣蝕破壞或者發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞等故障，故該方案對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的安全關(guān)機(jī)能力要求較高。

低工況燃燒排放

發(fā)動(dòng)機(jī)低工況燃燒排放是指渦輪泵不工作或處于低工況工作狀態(tài)下，使推進(jìn)劑進(jìn)入燃燒室點(diǎn)火燃燒排空。

目前，采用末子級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)低工況燃燒排放剩余推進(jìn)劑的典型火箭有日本H-1/H-2運(yùn)載火箭末子級(jí)，以及我國(guó)長(zhǎng)征二號(hào)D運(yùn)載火箭二子級(jí)等。

H－1/H－2運(yùn)載火箭末子級(jí)與衛(wèi)星拉開(kāi)安全距離后，其LE-5/LE-5A發(fā)動(dòng)機(jī)再次點(diǎn)火，依靠剩余氣體和箱內(nèi)壓力將推進(jìn)劑擠入發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室燃燒耗盡，在此期間，發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵不工作，剩余推進(jìn)劑排空時(shí)間達(dá)到幾百秒。

長(zhǎng)征二號(hào)D運(yùn)載火箭在發(fā)射太陽(yáng)同步軌道（SSO）衛(wèi)星時(shí)，其二子級(jí)處理系統(tǒng)實(shí)施剩余推進(jìn)劑排放，并利用產(chǎn)生的推力離開(kāi)衛(wèi)星軌道。星箭分離后，火箭實(shí)施姿態(tài)調(diào)整和規(guī)避動(dòng)作,在星、箭達(dá)到足夠的安全距離時(shí)，二子級(jí)處理系統(tǒng)再次同時(shí)打開(kāi)二子級(jí)主機(jī)的氧化劑主閥和燃料主閥，剩余推進(jìn)劑再次進(jìn)入推力室。由于是自燃推進(jìn)劑，氧化劑和燃料相遇后會(huì)繼續(xù)燃燒，但發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪泵并不工作，推力室的燃燒壓力要遠(yuǎn)低于發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作狀態(tài)。

低工況燃燒排放方案由于貯箱壓力低，受推進(jìn)劑流動(dòng)限制，排放時(shí)間較長(zhǎng)。推進(jìn)劑僅在箱壓作用下進(jìn)入燃燒室燃燒，渦輪泵可能處于不工作或低工況工作狀態(tài)。該狀態(tài)下，推進(jìn)劑流量小，推進(jìn)劑消耗量也小，發(fā)動(dòng)機(jī)排放時(shí)間長(zhǎng)，發(fā)動(dòng)機(jī)甚至可以不考慮安全關(guān)機(jī)問(wèn)題，但需要考慮在一種推進(jìn)劑先耗盡情況下，推力室混合比變化產(chǎn)生的燃燒不充分，或發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)失去推進(jìn)劑冷卻導(dǎo)致溫度過(guò)高，繼而發(fā)生破壞等工作安全性問(wèn)題。

長(zhǎng)征二號(hào)D運(yùn)載火箭二子級(jí)推進(jìn)劑鈍化系統(tǒng)典型原理圖

4 末子級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)不工作排放

剩余推進(jìn)劑末子級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)不工作排放主要有燃燒室排放、發(fā)動(dòng)機(jī)排空管排放以及專(zhuān)用排放管排放三種方案。

燃燒室排放

燃燒室排放是指剩余推進(jìn)劑排放時(shí)按氧化劑、燃料兩個(gè)路徑進(jìn)行，依次打開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)閥和相關(guān)系統(tǒng)閥門(mén)，剩余推進(jìn)劑在貯箱增壓壓力下，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室排出箭體外。

目前采用該方案的包括：美國(guó)土星－5（Saturn－5）運(yùn)載火箭末子級(jí)以及我國(guó)長(zhǎng)征六號(hào)運(yùn)載火箭末子級(jí)等。

土星－5運(yùn)載火箭末子級(jí)打開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)泵前啟動(dòng)活門(mén)和其他相關(guān)活門(mén)，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室將剩余推進(jìn)劑排出箭體。

長(zhǎng)征六號(hào)運(yùn)載火箭末子級(jí)推進(jìn)劑排放時(shí)，先進(jìn)行氧化劑排放，然后進(jìn)行燃料排放。氧化劑主閥打開(kāi)后，依靠貯箱內(nèi)增壓氣體，將氧化劑從發(fā)動(dòng)機(jī)腔道內(nèi)擠壓排出。隨后，關(guān)閉氧化劑主閥，打開(kāi)燃料主閥，利用三級(jí)增壓氣瓶?jī)?nèi)氣體，將燃料擠入發(fā)動(dòng)機(jī)腔道，最終通過(guò)推力室排出。

燃燒室排放使推進(jìn)劑不經(jīng)燃燒直接排出箭體外，不需增加額外的排放結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)方案簡(jiǎn)單，不需要考慮推進(jìn)劑燃燒混合比問(wèn)題，系統(tǒng)安全性高。但該方案中，由于貯箱增壓壓力低，推進(jìn)劑排放過(guò)程中流程遠(yuǎn)，流阻大，推進(jìn)劑排放速度緩慢，因此，為了保證控制和監(jiān)測(cè)效果，排放控制系統(tǒng)、排放測(cè)量系統(tǒng)需工作較長(zhǎng)時(shí)間。

長(zhǎng)征六號(hào)火箭末子級(jí)剩余推進(jìn)劑排放系統(tǒng)

發(fā)動(dòng)機(jī)排空管排放

發(fā)動(dòng)機(jī)排空管排放是在發(fā)動(dòng)機(jī)原有的推進(jìn)劑泄出管路上增加排放管路和控制閥門(mén)，使其既可以利用發(fā)動(dòng)機(jī)再次點(diǎn)火排空剩余推進(jìn)劑，又可以直接進(jìn)行剩余推進(jìn)劑的排放，且兩個(gè)系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立。

目前，采用該方案的包括“阿金納”（Agena）火箭上面級(jí)、我國(guó)長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭末子級(jí)以及長(zhǎng)征七號(hào)運(yùn)載火箭末子級(jí)等。

“阿金納”火箭上面級(jí)排放系統(tǒng)[3]

“阿金納”火箭上面級(jí)設(shè)置專(zhuān)門(mén)的發(fā)動(dòng)機(jī)排放系統(tǒng)，箱內(nèi)剩余推進(jìn)劑可通過(guò)排放管路和閥門(mén)對(duì)空排放。

長(zhǎng)征七號(hào)運(yùn)載火箭末子級(jí)的液氧和煤油也通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)排放系統(tǒng)排出箭體外，且安排兩次推進(jìn)劑排放。第一次和第二次排放均先排放煤油、再排放液氧。煤油排放需打開(kāi)燃料排放閥，實(shí)現(xiàn)其對(duì)空排放，液氧排放則通過(guò)打開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)冷回流閥進(jìn)行換向，實(shí)現(xiàn)液氧的對(duì)空排放。

發(fā)動(dòng)機(jī)排空管排放對(duì)衛(wèi)星影響相對(duì)較小，且在軌排放系統(tǒng)和地面推進(jìn)劑排放系統(tǒng)可共用一套排放通道，無(wú)需額外增加結(jié)構(gòu)，但該方案排放速度慢、時(shí)間長(zhǎng)，需控制系統(tǒng)、遙測(cè)系統(tǒng)等與之適應(yīng)。

專(zhuān)用排放管排放

專(zhuān)用排放管排放是指在貯箱出口、發(fā)動(dòng)機(jī)隔離閥（或發(fā)動(dòng)機(jī)泵前閥）前的輸送管路上，通過(guò)專(zhuān)用法蘭連接氧化劑和燃料排放管路，同時(shí)在排放管路上分別設(shè)置控制推進(jìn)劑排放用的閥門(mén)。專(zhuān)用排放管路系統(tǒng)包括測(cè)量推進(jìn)劑排空液位的傳感器，貯箱增壓或補(bǔ)壓系統(tǒng)，排放控制電路和測(cè)量電路等。

目前，采用該方案的包括“阿里安”（Ariane）運(yùn)載火箭末子級(jí)、長(zhǎng)征四號(hào)B/C運(yùn)載火箭末子級(jí)等。

“阿里安”運(yùn)載火箭末子級(jí)利用液氧/液氫沸點(diǎn)低、極易蒸發(fā)的特點(diǎn)，讓剩余推進(jìn)劑在貯箱里蒸發(fā)后經(jīng)排氣管排放，在排氣系統(tǒng)閥門(mén)至液氧安全閥和液氫安全閥上各增加一路管道，管路上設(shè)置有小電爆裝置，通過(guò)電爆裝置的開(kāi)關(guān)，使氧和氫分別通過(guò)增設(shè)的排放管路實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑氣化后排放。

長(zhǎng)征四號(hào)B/C運(yùn)載火箭末子級(jí)采用推進(jìn)劑對(duì)空排放方案，火箭末子級(jí)設(shè)置有剩余推進(jìn)劑排放系統(tǒng)，在增壓輸送系統(tǒng)的氧化劑主管路和燃料主管路上，增設(shè)一套專(zhuān)門(mén)用于排放的電爆活門(mén)和排放管，在任務(wù)結(jié)束后將貯箱內(nèi)剩余推進(jìn)劑和增壓氣瓶氣體排出箭體。排放過(guò)程首先打開(kāi)燃料排放電爆閥，排空箱內(nèi)剩余燃料和增壓氣體；之后，同時(shí)打開(kāi)氧化劑排放電爆閥、氧化劑增壓壓力繼電器和電動(dòng)氣活門(mén)，將剩余氧化劑及增壓氣瓶?jī)?nèi)氣體排空。

長(zhǎng)征四號(hào)B/C火箭末子級(jí)剩余推進(jìn)劑排放系統(tǒng)

專(zhuān)用排放管排放方案可達(dá)到通徑大，阻力小，排放流暢，排放時(shí)間短的效果。但排放管路出口應(yīng)設(shè)有減少排放對(duì)箭體干擾的措施，且增設(shè)的排放管路出口周?chē)鷳?yīng)無(wú)影響排放的設(shè)備。

5 推進(jìn)劑鈍化設(shè)計(jì)原則

運(yùn)載火箭末子級(jí)剩余推進(jìn)劑鈍化技術(shù)類(lèi)別、典型應(yīng)用火箭及技術(shù)特點(diǎn)如下表所示。

火箭末子級(jí)剩余推進(jìn)劑排放技術(shù)匯總

后續(xù)研制新型號(hào)火箭時(shí)，可根據(jù)運(yùn)載火箭末子級(jí)采用的推進(jìn)劑性質(zhì)、發(fā)動(dòng)機(jī)形式、總體布局方案等綜合考慮從而選擇排放方案，具體應(yīng)遵循以下原則：

1) 排放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿(mǎn)足火箭末子級(jí)總體布局要求，不能影響火箭正常完成主任務(wù)；應(yīng)將排放系統(tǒng)對(duì)火箭主要指標(biāo)的影響降至最小。

2) 排放措施不影響既定飛行任務(wù)的可靠性和安全性，或者經(jīng)評(píng)估影響帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)可以接受。

3) 排放系統(tǒng)應(yīng)簡(jiǎn)單可靠，盡量繼承和應(yīng)用經(jīng)飛行試驗(yàn)考核的成熟產(chǎn)品和技術(shù)成果，新技術(shù)的應(yīng)用必須確保可靠。

4) 若采用發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室燃燒排放，應(yīng)保證排放末期的安全性。

5) 剩余推進(jìn)劑排放過(guò)程中的排放產(chǎn)物應(yīng)不影響衛(wèi)星的正常運(yùn)行。

6) 排放方案設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮空間碎片減緩的任務(wù)后處置要求，使剩余推進(jìn)劑在排放過(guò)程中能合理利用。

7) 排放方案設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮對(duì)排放過(guò)程的監(jiān)測(cè)和排放效果的評(píng)估。

6 結(jié)語(yǔ)

運(yùn)載火箭末子級(jí)推進(jìn)劑鈍化是防止末子級(jí)發(fā)生在軌解體繼而產(chǎn)生空間碎片的重要措施，也是運(yùn)載火箭系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的重要問(wèn)題。運(yùn)載火箭末子級(jí)推進(jìn)劑鈍化方案具體選擇和設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮推進(jìn)劑鈍化方案對(duì)火箭的總體性能、可靠性、安全性以及技術(shù)可實(shí)現(xiàn)性等方面的影響，提出更加安全可靠的推進(jìn)劑排放技術(shù)設(shè)計(jì)原則。