邵業(yè)濤，周 宏，晏 政，張 鷺，王鐵巖，曾耀祥，馬忠輝，鐘文安

(1.北京宇航系統(tǒng)工程研究所, 北京 100076；2.中國(guó)人民解放軍63796部隊(duì), ?？?570000；3.中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院, 北京 100076)

0 引言

推進(jìn)劑加注是液體運(yùn)載火箭射前發(fā)射流程組織的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，推進(jìn)劑加注方案選擇對(duì)射前流程時(shí)間、火箭及發(fā)射臺(tái)安全、箭體結(jié)構(gòu)載荷、射前供氣、供液及供電消耗、箭上地面設(shè)備可靠性等均有重要影響。每減少1 h發(fā)射日發(fā)射準(zhǔn)備時(shí)間，都對(duì)發(fā)射可靠性帶來(lái)很大影響。一旦推進(jìn)劑加注，火箭發(fā)射流程可逆性大幅降低，甚至影響整個(gè)發(fā)射場(chǎng)區(qū)設(shè)備及人員安全。因此一般加注順序?yàn)橄燃映兀偌拥蜏?先加液氧，再加液氫。隨著新一代火箭CZ-5、CZ-6、CZ-7首飛成功，液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)逐漸成為我國(guó)液體火箭主動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)，相應(yīng)地運(yùn)載火箭貯箱、增壓輸送、地面加注系統(tǒng)圍繞液氧、煤油推進(jìn)劑開(kāi)展了大量新技術(shù)攻關(guān)，并隨首飛成功，相關(guān)技術(shù)得到飛行驗(yàn)證，支撐了我國(guó)新一代運(yùn)載火箭服務(wù)于航天主戰(zhàn)場(chǎng)。

針對(duì)液氧煤油推進(jìn)劑加注，目前我國(guó)火箭均采用串行加注方案，先進(jìn)行煤油推進(jìn)劑加注，煤油相關(guān)加注設(shè)備撤收完畢后進(jìn)行液氧加注。串行加注方案具有安全性較高的特點(diǎn)，加注工作對(duì)人力資源需求量小，加注過(guò)程箭體載荷均衡，加注風(fēng)險(xiǎn)逐步釋放。但同時(shí)存在以下缺點(diǎn)：射前流程長(zhǎng)，氣、液、電等資源消耗大，人員長(zhǎng)時(shí)間工作精力匱乏等。尤其沿海發(fā)射場(chǎng)氣象變化迅速且復(fù)雜，過(guò)長(zhǎng)的射前流程準(zhǔn)備時(shí)間不利于火箭規(guī)避不利氣象條件。開(kāi)展推進(jìn)劑并行加注適應(yīng)性研究，突破現(xiàn)有串行加注的限制，將對(duì)提升發(fā)射可靠性有顯著效益。

1 國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

國(guó)外低溫運(yùn)載火箭中土星I、土星V、宇宙神V、能源號(hào)、聯(lián)盟號(hào)系列、天頂號(hào)、Falcon等液體運(yùn)載火箭使用了液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，推進(jìn)劑加注過(guò)程采用了部分或全部并行加注方案。本章對(duì)以上火箭的液氧煤油加注流程并行化特點(diǎn)進(jìn)行分析。

1.1 土星V火箭

土星V為三級(jí)運(yùn)載火箭，如圖1所示，芯一級(jí)采用5臺(tái)液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，5根液氧輸送管穿過(guò)煤油貯箱與發(fā)動(dòng)機(jī)直接連接，氧箱采用自生增壓方案，循環(huán)預(yù)冷采用輸送管組合來(lái)實(shí)現(xiàn)，未設(shè)置單獨(dú)的回流管。每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)需要2根煤油輸送管，煤油箱采用冷氦加溫增壓方案。

圖1 土星V芯一級(jí)氧系統(tǒng)組成Fig.1 Oxygen tank pressurization and feeding system of core stage I for Saturn V

根據(jù)調(diào)研，土星V運(yùn)載火箭煤油自發(fā)射日-13：10開(kāi)始加注，約44 min完成煤油大流量加注。-51 min開(kāi)始進(jìn)行煤油最后補(bǔ)加，約-31 min完成最終加注，最終煤油加注量約802.6 m。

煤油加注結(jié)束后，約-8 h開(kāi)始液氧加注，液氧大流量加注用時(shí)約3 h。按程序，先加注三級(jí)，然后加注二級(jí)和一級(jí)。土星V運(yùn)載火箭大流量加注階段煤油及液氧串行加注。射前補(bǔ)加階段液氧和煤油存在少量并行加注。

1.2 宇宙神V火箭

宇宙神V火箭芯一級(jí)采用1臺(tái)RD-180液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，液氧輸送管沿煤油箱側(cè)壁向下，進(jìn)入尾艙與發(fā)動(dòng)機(jī)直接連接，氧箱采用常溫氦加溫增壓方案。煤油輸送管與發(fā)動(dòng)機(jī)直接連接，煤油箱采用常溫氦加溫增壓方案。

宇宙神V加注系統(tǒng)工作過(guò)程(見(jiàn)圖2)如下：

圖2 宇宙神V射前加注流程Fig.2 Propellant loading procedure for Atlas V

煤油加注及液氧預(yù)冷：先加注煤油，同時(shí)對(duì)液氧加注系統(tǒng)預(yù)冷。用外氣源(高壓氧氣)對(duì)液氧貯罐增壓，增壓壓力相當(dāng)于液氧的加注高度，即能把液氧擠壓到貯箱的入口但不進(jìn)入貯箱，預(yù)冷后的氧氣從貯箱排氣活門(mén)排出。

液氧加注：為防止液氧對(duì)貯箱產(chǎn)生太大的沖擊，液氧貯罐的壓力慢慢上升，加注流量逐漸增大，大流量加注的流量為～1.9 m/min。當(dāng)加到95%，大流量閥關(guān)閉，液氧經(jīng)減速加注。當(dāng)加到98%，減速加注閥關(guān)閉，液氧經(jīng)補(bǔ)加閥補(bǔ)加，補(bǔ)加管路由箭體的尾端進(jìn)入。

補(bǔ)加：液氧經(jīng)補(bǔ)加閥向火箭補(bǔ)加，以補(bǔ)償液氧的蒸發(fā)損耗并自動(dòng)保持液氧箱液面為98%±0.5%。

射前補(bǔ)加：射前補(bǔ)加時(shí)，關(guān)閉補(bǔ)加閥，打開(kāi)射前補(bǔ)加閥。大約在1 min的時(shí)間內(nèi)由補(bǔ)加貯罐向火箭最后加入約1.5 m的過(guò)冷(-196 ℃)液氧。射前補(bǔ)加結(jié)束，液氧箱加滿到100%。補(bǔ)加和射前補(bǔ)加的液氧是由火箭的尾端經(jīng)箭上泵前管路進(jìn)入液氧箱的。射前補(bǔ)加用的液氧貯存在用液氮冷卻的專(zhuān)用補(bǔ)加貯罐內(nèi)。射前補(bǔ)加時(shí)向泵前管路加入1.5 m的過(guò)冷液氧，可保證發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)向渦輪泵提供高品質(zhì)的液氧。

1.3 Falcon 9系列火箭

Space X公司Falcon 9系列火箭為全液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)。Falcon 9火箭一級(jí)采用9臺(tái)液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，液氧輸送管采用單根隧道管方案，進(jìn)入尾艙后分為9根輸送管進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)；二級(jí)采用單臺(tái)液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，液氧輸送管采用單根隧道管方案。

Falcon 9發(fā)射場(chǎng)測(cè)試和發(fā)射周期目前僅為16.5 d，低溫推進(jìn)劑加注至點(diǎn)火耗時(shí)不足2 h，且具備無(wú)人值守和發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火后的健康狀態(tài)管理功能。2020年5月27日(美國(guó)東部時(shí)間，卡納維爾39A發(fā)射臺(tái))，F(xiàn)alcon 9第一次執(zhí)行載人飛行任務(wù)DM-2射前流程如表1所示。

表1 Falcon 9發(fā)射載人龍飛船射前流程Tab.1 Propellant loading procedure for Falcon 9

根據(jù)表1，F(xiàn)alcon 9火箭按液氧及煤油全并行加注執(zhí)行。-35 min才開(kāi)始推進(jìn)劑加注，大幅壓縮了射前流程。考慮載人火箭對(duì)安全的高規(guī)格要求條件下，Space X仍采用液氧煤油并行加注方案，因此，認(rèn)為液氧煤油并行加注本身具有可執(zhí)行性。

1.4 CZ-7火箭

CZ-7火箭為帶助推的兩級(jí)火箭：捆綁4個(gè)2.25 m直徑的助推器，分別安裝一臺(tái)YF-100發(fā)動(dòng)機(jī)；芯一級(jí)采用3.35 m直徑，安裝兩臺(tái)YF-100發(fā)動(dòng)機(jī)；芯二級(jí)采用4臺(tái)YF-115發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)。全箭均使用全新的液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)。

CZ-7火箭射前-12 h開(kāi)始煤油加注，先進(jìn)行一、二級(jí)加注，而后進(jìn)行4個(gè)助推加注，加注在2 h內(nèi)完成。射前-7.5 h開(kāi)始液氧加注，同時(shí)進(jìn)行所有貯箱預(yù)冷，預(yù)冷好后芯一級(jí)、芯二級(jí)、4個(gè)助推同時(shí)加注，進(jìn)入射前補(bǔ)加階段后6個(gè)貯箱同時(shí)補(bǔ)加液氧。

1.5 CZ-5火箭

CZ-5火箭為帶助推的兩級(jí)火箭：捆綁4個(gè)3.35 m直徑的助推器，分別安裝兩臺(tái)YF-100發(fā)動(dòng)機(jī)；芯一級(jí)采用5 m直徑，安裝兩臺(tái)YF-77氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)；芯二級(jí)采用2臺(tái)YF-75D氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)。

CZ-5火箭推進(jìn)劑基本加注流程為：提前一天進(jìn)行煤油加注，發(fā)射日進(jìn)行液氮、液氧加注，最后進(jìn)行液氫加注。同一種推進(jìn)劑各級(jí)同時(shí)加注，不同推進(jìn)劑串行加注。

1.6 小結(jié)

經(jīng)分析，國(guó)內(nèi)外液氧/煤油火箭主要采用串行或部分并行方式進(jìn)行推進(jìn)劑加注，主要加注流程比較如表2所示。從國(guó)內(nèi)外各型火箭的加注方案比較，主要有以下幾方面的特點(diǎn)：

表2 各火箭加注流程比較Tab.2 Comparation of propellant loading procedure from various liquid rockets

1)各型運(yùn)載火箭液氧煤油加注串行、部分并行及全并行加注均存在。

2)早期的土星V火箭、能源號(hào)火箭等重型火箭，由于發(fā)射規(guī)模大，發(fā)射周期長(zhǎng)，采用了煤油提前加注的串行加注方案。

3)隨加注技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)行使用的Falcon 9火箭、宇宙神等液氧煤油燃料火箭逐漸采用了部分并行或全并行的方案。一方面節(jié)省發(fā)射周期，另一方面采用全過(guò)冷加注技術(shù)提高運(yùn)載能力，但技術(shù)難度增加。

4)由于美國(guó)所屬運(yùn)載火箭發(fā)射場(chǎng)均位于低緯度地區(qū)，環(huán)境溫度較高。而蘇聯(lián)/俄羅斯所屬火箭發(fā)射場(chǎng)位于高緯度地區(qū)，環(huán)境溫度低，適用于煤油提前加注，因此整體上俄羅斯所屬型號(hào)煤油更早加注。

綜上，液氧煤油并行加注是現(xiàn)代運(yùn)載火箭加注的一種可行方式。

2 并行加注安全性分析

一方面，煤油具有較大分子量(200～250)、較低密度(0.8 g/cm),具有揮發(fā)性和易燃性，揮發(fā)后與空氣混合形成爆炸性的混合氣；液氧是助燃劑，屬于乙類(lèi)火災(zāi)危害性物質(zhì)，沸點(diǎn)90 K，氧濃度高于40%時(shí)會(huì)產(chǎn)生氧中毒。液氧/煤油摻混且達(dá)到一定濃度及溫度條件存在燃燒風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于氧/煤油來(lái)說(shuō)，氣-氣狀態(tài)最易引燃(爆)，是最危險(xiǎn)狀態(tài)，其中液氧在大氣環(huán)境下將快速蒸發(fā)成氧氣；但煤油本身沸點(diǎn)超過(guò)170 ℃，在大氣環(huán)境下不會(huì)大量蒸發(fā)，但其蒸發(fā)速度會(huì)隨著本體溫度的升高而增加，相對(duì)氫氧等推進(jìn)劑，液氧/煤油不易燃燒。

另一方面，運(yùn)載火箭發(fā)射場(chǎng)建設(shè)中，為防止兩種推進(jìn)劑相遇混合，一般將氧加注管路與煤油加注管路在空間上錯(cuò)開(kāi)布置，距離較遠(yuǎn)，少量推進(jìn)劑泄漏至開(kāi)敞環(huán)境，擴(kuò)散后摻混濃度較小，不易點(diǎn)燃。同時(shí)，運(yùn)載火箭加注前通過(guò)箭上及地面相關(guān)系統(tǒng)氣密檢查，可減小泄漏風(fēng)險(xiǎn)。

進(jìn)一步，為防止兩種推進(jìn)劑同時(shí)泄漏，加注流程組織中可采用部分并行方案，即首先進(jìn)行煤油小流量加注，同時(shí)進(jìn)行液氧地面管路預(yù)冷。待煤油加注穩(wěn)定且氣密性良好后再進(jìn)行液氧加注，可降低加注過(guò)程液氧、煤油推進(jìn)劑同時(shí)泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。

綜上，一方面液氧、煤油推進(jìn)劑本身在開(kāi)敞環(huán)境中不易點(diǎn)燃，另一方面采用管路布置、氣密檢查、分步加注等安全防護(hù)措施，可進(jìn)一步消除兩種推進(jìn)劑點(diǎn)燃風(fēng)險(xiǎn)。并行加注相對(duì)原全串行加注，對(duì)推進(jìn)劑加注安全影響較小。

3 各系統(tǒng)適應(yīng)性分析

3.1 火箭對(duì)并行加注結(jié)構(gòu)適應(yīng)性分析

3.1.1 結(jié)構(gòu)載荷工況分析

結(jié)構(gòu)系統(tǒng)主要考慮正常加注及加注不平衡對(duì)載荷影響。分析對(duì)象采用芯級(jí)支撐,助推器與芯級(jí)之間通過(guò)前、中、后捆綁連接裝置實(shí)現(xiàn)連接。

助推器若發(fā)生加注故障，4臺(tái)助推器加注不平衡，將對(duì)一級(jí)尾部支撐產(chǎn)生附加載荷。按照運(yùn)載火箭構(gòu)型，考慮表3所列一度故障及兩度故障工況，分析加注不平衡對(duì)箭體結(jié)構(gòu)載荷及對(duì)捆綁連桿的影響。經(jīng)分析，現(xiàn)有計(jì)算可覆蓋各種偏加工況，適應(yīng)不同故障下的箭體不平衡。

表3 加注故障工況分析Tab.3 Failure modes of propellant loading

載荷計(jì)算主要基于縱橫扭一體化火箭動(dòng)力學(xué)模型，縱橫扭一體化動(dòng)力學(xué)建?；舅悸啡鐖D3所示。

圖3 縱橫扭一體化動(dòng)力學(xué)建?；舅悸稦ig.3 Frame of longitudinal-lateral-lorsional lntegrated modeling

3.1.2 計(jì)算軟件和計(jì)算模型

載荷計(jì)算采用MSC.Patran/Nastran進(jìn)行計(jì)算模型創(chuàng)建、加載和求解，應(yīng)用慣性釋放方法求得各工況載荷。

計(jì)算時(shí)將火箭結(jié)構(gòu)視為離散化的集中質(zhì)量-梁模型，計(jì)算模型如圖4所示。

圖4 載荷計(jì)算模型Fig.4 Load calculation model

經(jīng)分析，7種加注故障工況下各部段剩余強(qiáng)度系數(shù)均大于1.5，強(qiáng)度均滿足要求，如表4所示。

表4 典型部段剩余強(qiáng)度系數(shù)Tab.4 Remaining strength factor of typical parts

3.1.3 局部有限元分析

由于超凈定捆綁，捆綁連桿結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，為此進(jìn)一步開(kāi)展有限元分析，確定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

連桿有限元模型如圖5所示，采用接觸單元計(jì)算拉耳、球軸、軸銷(xiāo)、拉耳支座、分離筒Ⅰ(Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ)和爆炸螺栓之間的接觸狀態(tài)。芯級(jí)拉耳支座固支，助推拉耳支座限制除連桿軸向外的兩個(gè)方向位移，載荷施加在助推拉耳支座底面。

(a)網(wǎng)格劃分

(b)三維數(shù)字模型圖5 連桿有限元模型Fig.5 Finite element model of connecting rod

受壓工況分析結(jié)果分別如圖6所示。連桿最大等效應(yīng)力為818 MPa。軸銷(xiāo)最大等效應(yīng)力為818 MPa，發(fā)生在軸銷(xiāo)與球軸接觸處。球軸最大等效應(yīng)力為727 MPa，發(fā)生在軸銷(xiāo)與球軸接觸處。拉耳支座最大等效應(yīng)力為733 MPa，發(fā)生在拉耳支座與軸銷(xiāo)接觸處。拉耳最大等效應(yīng)力為708 MPa，發(fā)生在拉耳4個(gè)圓角處。分離筒Ⅰ(Ⅳ)最大等效應(yīng)力為614 MPa，發(fā)生在分離筒側(cè)壁電纜引出孔處。分離筒Ⅱ(Ⅲ)最大等效應(yīng)力為191 MPa，發(fā)生在分離筒Ⅱ(Ⅲ)與螺母套連接處。螺母套最大等效應(yīng)力為276 MPa，發(fā)生在螺母套中部。

圖6 受壓工況連桿等效應(yīng)力(單位：Pa)Fig.6 Equivalent stress model of connecting rod for under pressure force state

受拉工況分析結(jié)果如圖7所示。連桿最大等效應(yīng)力為913 MPa。軸銷(xiāo)最大等效應(yīng)力為661 MPa，發(fā)生在軸銷(xiāo)與球軸接觸處。球軸的最大等效應(yīng)力為598 MPa，發(fā)生在軸銷(xiāo)與球軸接觸處。拉耳支座最大等效應(yīng)力為431 MPa，發(fā)生在拉耳支座與軸銷(xiāo)接觸處。

圖7 受拉工況連桿等效應(yīng)力(單位：Pa)Fig.7 Equivalent stress model of connecting rod for pulling force state

由分析結(jié)果可知，在受壓和受拉兩個(gè)工況下，連桿最大應(yīng)力遠(yuǎn)低于30CrMnSiNi2A的屈服強(qiáng)度1 280 MPa，連桿強(qiáng)度滿足要求。

3.1.4 小結(jié)

考慮各種故障工況下的推進(jìn)劑偏加產(chǎn)生質(zhì)心偏移，即對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加載荷，連桿強(qiáng)度滿足強(qiáng)度要求。

3.2 電氣系統(tǒng)適應(yīng)性分析

根據(jù)我國(guó)新一代運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀，電氣系統(tǒng)所屬控制、測(cè)量、總控網(wǎng)及動(dòng)力測(cè)發(fā)控系統(tǒng)可適應(yīng)推進(jìn)劑并行加注。電氣系統(tǒng)相關(guān)控制、測(cè)量、動(dòng)力測(cè)控、總控網(wǎng)設(shè)計(jì)可靠性均高于0.99，且設(shè)備具有5 h以上連續(xù)加電能力。針對(duì)并行加注任務(wù)，電氣系統(tǒng)在推進(jìn)劑加注前完成最終連接狀態(tài)準(zhǔn)備，開(kāi)始加注后具備持續(xù)加電能力，電氣系統(tǒng)加電與推進(jìn)劑加注是否并行加注無(wú)耦合關(guān)系，可以適應(yīng)推進(jìn)劑并行加注。

3.3 動(dòng)力系統(tǒng)適應(yīng)性分析

動(dòng)力系統(tǒng)按新一代運(yùn)載火箭高可靠、高安全、冗余設(shè)計(jì)，具有較高的發(fā)射可靠性。

煤油加注階段動(dòng)力系統(tǒng)主要進(jìn)行貯箱泄壓，艙段小流量常溫吹除。對(duì)于并行加注，動(dòng)力系統(tǒng)需要同步開(kāi)展艙段大流量加溫吹除、氣封、發(fā)動(dòng)機(jī)吹除等工作。液氧加注狀態(tài)可覆蓋煤油加注狀態(tài)供氣要求。本文所分析火箭動(dòng)力系統(tǒng)液氧系統(tǒng)與煤油系統(tǒng)貯箱為獨(dú)立貯箱，未設(shè)置共底結(jié)構(gòu)。地面加注系統(tǒng)也相互獨(dú)立，地面設(shè)備自身具備并行加注能力。經(jīng)分析，在其他系統(tǒng)具備條件的前提下，動(dòng)力系統(tǒng)適應(yīng)并行加注。

4 射前流程組織

多級(jí)捆綁火箭由于模塊眾多，加注流程組織復(fù)雜。加注過(guò)程中任意產(chǎn)品問(wèn)題都影響全局，甚至造成重大影響，并行加注流程設(shè)計(jì)中要兼顧效率與可靠性。

對(duì)于液氧煤油并行加注，有兩種方案供選擇。一種方案為液氧煤油完全并行，另一種方案為液氧煤油加注部分并行。兩種方案比較如表5所示。經(jīng)分析，液氧煤油部分流程并行加注方案，雖增加1 h流程時(shí)間，但對(duì)人員使用、指揮協(xié)同、加注安全、箭體結(jié)構(gòu)載荷需求均有好處，優(yōu)選部分并行加注方案。

根據(jù)表5分析，擬采用液氧煤油部分并行的加注方案。并行加注流程設(shè)計(jì)如下：射前-8 h開(kāi)始進(jìn)行液氧及煤油加注準(zhǔn)備。所有模塊煤油并行加注，加注在1 h內(nèi)完成。其他流程如表6所示。

表5 不同并行加注方案狀態(tài)差異比較Tab.5 Comparation from various parrallel loading proposals

表6 射前流程比較Tab.6 Comparation from various preparatory procedure of lauch vehicles

5 結(jié)論

液體運(yùn)載火箭并行加注對(duì)優(yōu)化運(yùn)載火箭靶場(chǎng)加注、發(fā)射流程，縮短靶場(chǎng)推進(jìn)劑加注時(shí)間，均有重要意義。根據(jù)本文分析，液氧、煤油推進(jìn)劑并行加注相對(duì)原全串行加注，對(duì)推進(jìn)劑加注安全影響較小。綜合考慮正常工況及故障工況，火箭結(jié)構(gòu)適應(yīng)推進(jìn)劑偏加載荷，同時(shí)電氣系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)均可適應(yīng)。進(jìn)一步，采用部分并行加注，可滿足射前流程安全性及可靠性要求，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)可將射前準(zhǔn)備時(shí)間由-12 h改為-8 h進(jìn)入流程，大幅提高發(fā)射流程的靈活性。同時(shí)，減少4 h射前準(zhǔn)備對(duì)靶場(chǎng)用氣、用液、用電同樣有經(jīng)濟(jì)效益大幅增長(zhǎng)。