火箭动力试验液氢加注试验研究

2018-08-16梁怀喜王永超刘瑞敏

导弹与航天运载技术 2018年4期

梁怀喜，王永超，杨林，刘瑞敏，李清

（1. 北京航天试验技术研究所，北京，100074；2. 中国兵器工业标准化研究所，北京，100089）

0 引言

运载火箭动力试验是火箭在首飞之前最重要和最全面的测试考核。中国的某型氢氧火箭芯一级模块和芯二级模块在2015年分别进行了两次动力试验，均取得圆满成功。该火箭液氢加注量芯一级达到370 m3、芯二级达到70 m3。

液氢具有低沸点、易燃、易爆的特点，在动力试验时，作为最后加注的推进剂。液氢加注后，试验流程进入不可逆过程，否则将产生重大损失或者失败。首先液氢加注必须在规定时间内完成，要求保证加注流量；其次是液氢加注时，既要避免输送的过大损耗，又要防止氢氧发动机的氢涡轮泵发生气蚀，要求保证进箭温度。一般情况，液氢加注流量和进箭温度是根据火箭总体要求确定的。

1 液氢进箭参数影响因素

1.1 影响液氢流量的因素

动力试验的液氢加注流量一般是依据后续靶场发射流程制定的，因此地面试验台液氢加注系统根据火箭总体加注要求进行设计。液氢加注过程中，流量由流速和流通面积决定。

a）流速：液氢流速应控制在20 m/s以内。加注过程，既要考虑液氢易燃、易爆的特点，防止发生水击效应，这是安全流速的问题，安全流速小于8 m/s为宜；又要考虑液氢低沸点的特性，减少汽化损耗，这是最佳流速的问题[1]。

液氢流量与输送参数之间的内在关系[2]可由下式计算：

式中 vout为流速；Ptank为贮罐挤压压力；Pout为进箭背压；为管道沿程流阻；为局部流阻； QH为道漏热；G为流量； hout,htank分别为液位高度； Itank， Iout分别为液氢单位内能；g为重力加速度；L为管道长度；D为管道内径；ρtank为贮罐液氢密度；ρout为进箭液氢密度。

b）流通面积：液氢输送管道的选择，不仅需要考虑真空绝热管及附件的设计能力，还需要综合考虑加工成本以及施工安装的可行性。

1.2 影响液氢温度的因素

液氢加注温度主要由地面贮罐液氢的温度以及输送过程中温升决定。在单相流下，液氢的温升可由下式给出[2,3]：

液氢温升，一方面影响进箭温度要求；另一方面会对流动造成影响。如果液氢温升过高，将会形成两相流；两相流引起流阻增加，加剧流动的不稳定性，这些都将使液氢损耗增加，故应当减少温升、避免两相流。

1.3 液氢加注系统设计原则

液氢加注系统设计时[4,5]，首先根据给定流量，选择安全流速范围内的某一流速，初步确定加注管道通径；再通过管道漏热，计算在单相流时不同流速下的温升。通过反复优化，选取合理管径和流速，确保给定流量下温升最小。加注流程中，根据火箭氢箱的背压和选取流速下管道流阻特性，确定液氢加注挤压操作压力。

2 动力试验液氢加注试验分析

2.1 液氢参数要求

某型运载火箭制定了动力试验液氢加注要求，目的是获取动力试验的液氢加注流程、参数，为火箭在靶场合练及发射提供数据参考和经验积累。表1和表2分别是某火箭芯一级和芯二级液氢加注指标要求。

表1 芯一级模块试车液氢加注指标要求Tab.1 Parameter Targets of Liquid Hydrogen Filling in the First Core Stage Test

表2 芯二级模块试车液氢加注指标要求Tab.2 Parameter Targets of Liquid Hydrogen Filling in the Scond Core Stage Test

2.2 动力试验液氢加注系统及流程

动力试验的液氢加注通过距离动力试验台 250 m的液氢库采用挤压方式加注，液氢库由2台85 m3、3台110 m3以及2台150 m3的液氢贮罐组成，加注管路为通径150 mm的真空多层绝热管路，加注系统如图1所示。加注管路设计漏热不大于20 W/m，设计的最佳流量为7000 L/min（流速约6.6 m/s），温升不高于1.5 K[6]，该系统满足动力试验芯一级大流量加注温度要求，在其他小流量下液氢处于两相流状态。

图1 动力试验液氢加注系统示意Fig.1 Schematic Diagram of Liquid Hydrogen Filling System in the Stage Propulsion System Test

芯一级氢箱小流量预冷采用2台85 m3和1台110 m3液氢贮罐同时加注；挤空后，再使用2台150 m3液氢贮罐同时进行大流量加注，直到氢箱液位到达设定位置。芯二级氢箱预冷和加注都采用2台110 m3液氢贮罐同时加注，直到液位达到设定位置。

液氢加注过程中，监测的液氢进箭参数有温度、流量和压力。温度传感器安装在箭体氢箱的水平入口管路上，周向均布，数量为3个；流量通过箭上液氢连续液位计进行测量；压力传感器安装在水平管道的上部，数量为1个。

2.3 动力试验液氢加注结果分析

2.3.1 芯一级第1次试验液氢参数分析

芯一级第1次试验液氢加注过程中，液氢进箭温度变化如图2、图3所示，流量变化（以氢箱出现液氢为起始时刻，下同）如图4所示，压力变化如图5所示。

图2 芯一级第1次试验液氢进箭温度变化曲线Fig.2 Temperature Change of Inlet in the First Test of the First Core Stage

图3 芯一级第1次试验大流量加注液氢进箭温度曲线Fig.3 Temperature Change of Inlet During Fast Filling in the First Test of the First Core Stage

图4 芯一级第1次试验液氢进箭流量变化曲线Fig.4 Flow Rate Change of Inlet in the First Test of the First Core Stage

图5 芯一级第1次试验液氢进箭压力曲线Fig.5 Pressure Change of Inlet in the First Test of the First Core Stage

2.3.1.1 小流量预冷

从图2中可以看出，小流量预冷起始时间为600 s，到1400 s时地面输送管路完全冷透；随后继续预冷氢箱，在2000 s时氢箱液位达到30 m3，小流量预冷结束预冷时间约14 min。

从图3中可以看出，1200 s之后进箭温度进入传感器温区（≤50 K），管道温度下降迅速；在 1220 s时，低位测点温度为20.9 K（见进箭温度2），低于当地饱和温度21 K，说明管道内出现液氢、地面管道基本冷透。此后，液氢开始进入氢箱，温度继续下降；氢箱液氢到达30 m3后，主体液氢温度降至21.2 K。这期间，管道的余热导致液氢剧烈吸热汽化[7～10]，造成底部液氢处于过冷状态，顶部气氢处于过热状态。因此，预冷过程进箭液氢为气液混合状态。

从图4中可以看出，预冷过程中由于氢箱内液氢积存量较少，因此无法监测流量变化。

从图5中可以看出，预冷前当氢箱加注阀开启后，进箭压力与箱压平衡，压力迅速升高；随后氢箱排气阀打开，压力急剧下降到最低点。预冷开始后，过热的地面管道导致液氢强烈汽化，形成的气氢持续进入氢箱；而氢箱排空管排放能力有限，因此氢箱压力持续上升，进箭压力上升到一个峰值（0.137 MPa，950 s）。随着管道的逐渐冷却，气氢产生量减小，排放能力比汽化能力大，氢箱压力下降，所以进箭压力开始下降。随后，增大预冷流量时，排放能力小于汽化能力，压力又开始上升。当管道冷透时，出现一个小的压力峰，然后压力开始下降。

2.3.1.2 大流量加注

从图2中可以看出，大流量加注从2000 s开始，到6020 s加注结束，可分为加注前段（2000～4500 s）、加注中段（4500～6020 s）和加注后段（6000～6020 s），加注过程约66 min。

从图3中可以看出，加注前段，液氢温度缓慢降低到饱和温度以下，由两相流变成单相流，主体液氢温度在21.3 K左右。加注中段，3台小贮罐切换到两台大贮罐加注，由于小贮罐底部剩余液氢温度较高以及大贮罐支管道过热等综合原因，导致切换过程中进箭温度剧烈上升，待稳定后，液氢变成单相流，主体温度由21.3 K上升到21.7 K；加注后段，液氢流量减小，两相流明显。

从图 4中可以看出，加注前段，液氢流量从3500 L/min逐渐增大到4500 L/min；加注中段，液氢流量接近9000 L/min。

从图5中可以看出，加注前段，进箭压力稳定在0.13 MPa左右；加注后段压力上升到0.17 MPa，这是由于液氢流量增大，在排放能力一定的情况下，氢箱液位上升速率增加，导致气垫压力上升引起的。

2.3.2 芯一级第2次试验液氢参数分析

芯一级第2次试验液氢加注流程与第1次基本一致，液氢进箭温度变化如图 6所示，流量变化如图 7所示，压力变化如图8所示。

图6 芯一级第2次试验大流量加注液氢进箭温度Fig.6 Temperature Change of Inlet During Fast Filling in the Second Test of the First Core Stage

图7 芯一级第2次试验液氢进箭流量变化曲线Fig.7 Flow Rate Change of Inlet in the Second Test of the First Core Stage

图8 芯一级第2次试验液氢进箭压力Fig.8 Pressure Change of Inlet in the Second Test of the First Core Stage

2.3.2.1 小流量预冷

从图6中可以看出，小流量预冷起始时间为900 s，到2300 s时地面输送管路完全冷透；在4000 s时氢箱液位达到30 m3，预冷时间约23 min。液氢到达30 m3后，主体液氢温度为21.0 K。预冷期间，进箭液氢处于气液混合状态。

从图7中可以看出，预冷过程中，氢箱内液氢积存量比较少，所以无法监测流量变化。

从图8中可以看出，当箭上加注阀以及氢箱排气阀先后开启后，进箭压力急剧升高到峰值（0.19 MPa，1450 s）。

2.3.2.2 大流量加注

图6中大流量加注从4000 s开始，到8200 s结束，加注过程约70 min；加注前段由两相流缓慢变成单相流，主体液氢温度由21.2 K上升到21.5 K；加注中段由于流量减小，液氢主体温度由21.7 K下降到21.4 K。

从图 7中可以看出，加注前段，液氢流量从2000 L/min逐渐增大到5000 L/min；加注后段，液氢流量从7000 L/min降到5000 L/min。

从图 8中可以看出，加注中段，进箭压力随流量的上升，从0.13 MPa上升到0.15 MPa；加注后段，压力随流量的下降从0.15 MPa降到0.13 MPa。

2.3.3 芯二级第1次试验液氢参数分析

芯二级第1次试验液氢加注过程中，液氢进箭的温度变化如图9、图10所示，流量变化如图11所示，压力变化如图12所示。

图9 芯二级第1次试验液氢进箭温度变化曲线Fig.9 Temperature Change of Inlet in the First Test of the Second Core Stage

图10 芯二级第1次试验大流量加注液氢进箭温度变化曲线Fig.10 Temperature Change of Inlet During Fast Filling in the First Test of the Second Core Stage

图11 芯二级第1次试验液氢进箭流量变化曲线Fig.11 Low Rate Change of Inlet in the First Test of the Second Core Stage

图12 芯二级第1次试验液氢进箭压力变化曲线Fig.12 Pressure Change of Inlet in the First Test of the Second Core Stage

2.3.3.1 小流量预冷

从图 9中可以看出，小流量预冷加注起始时间为710 s，到2100 s时地面输送管路完全冷透；随后继续预冷氢箱，在2500 s时氢箱液位达到4 m3，小流量预冷结束，预冷时间约20 min。

从图10中可以看出，液氢到达4 m3后，主体液氢温度为22.7 K，预冷期间，进箭液氢处于气液混合状态。

从图11中可以看出，在预冷过程中，箭体液氢积存量少，所以无法监测流量变化。

从图12中可以看出，管道冷却过程中，当汽化能力大于排放能力的末端，进箭压力到达一个峰值（0.24 MPa，220 s），管路冷透时存在一个小的压力峰。

2.3.3.2 大流量加注

从图9中可以看出，大流量加注从2500 s时开始，到5400 s时结束，主要分为加注前段（2500～4100 s）和加注中段（4100～5400 s），加注时间约48 min。

从图10中可以看出，在加注过程中，液氢的温度持续降低，一直处于两相流状态，温度分层明显。加注前段由于流量波动引起温度不稳定，加注中段温度稳定（顶部23 K，中下部21.4 K）。

从图 11中可以看出，加注前段液氢流量在1000～1800 L/min之间波动，加注后段流量稳定在1100 L/min左右。

从图12中可以看出，加注前段随着氢箱冷透以及流量的减小，箭体箱压下降，进箭压力降低；加注后段流量平稳，因此进箭压力稳定在0.136 MPa左右。

2.3.4 芯二级第2次试验液氢参数分析

芯二级第2次试验液氢加注流程与第1次试验基本一致，液氢进箭的温度变化如图13所示，流量变化如图14所示，压力变化如图15所示。

图13 芯二级第2次试验大流量加注液氢进箭温度变化曲线Fig.13 Temperature Change of Inlet During Fast Filling in the Second Test of the Second Core Stage

图14 芯二级第2次试验液氢进箭流量变化曲线Fig.14 Low Rate Change of Inlet in the Second Test of the Second Core Stage

图15 芯二级第2次试验液氢进箭压力曲线Fig.15 Pressure Change of Inlet in the Second Test of the Second Core Stage

2.3.4.1 小流量预冷

从图13中可以看出，小流量预冷起始时间为830 s，到2260 s时地面输送管路完全冷透；在2400 s时氢箱液位为4 m3，预冷时间约为23 min；液氢到达4 m3后，主体液氢温度为22.7 K。预冷期间，进箭液氢处于气液混合状态。

从图14中可以看出，预冷过程中，氢箱内液氢积存量较少，所以无法监测流量变化。

从图15中可以看出，当管道基本冷透时，进箭压力到达一个峰值（0.193 MPa，2070 s）。

2.3.4.2 大流量加注

从图 13中可以看出，大流量加注时间从 2400 s开始，到5800 s结束，加注过程约为50 min；整个加注过程液氢温度一直在降低，处于两相流状态，温度分层明显。加注前段温度略有波动，加注后段温度稳定（顶部22.7 K，中下部22.5 K）。

从图14中可以看出，加注过程前段液氢流量稳定在1250 L/min；中段有局部波动，最大流量为1700 L/min。

从图15中还可以看出，进箭压力一直在减小，加注前段进箭压力峰值为0.18 MPa，中段进箭压力稳定在0.142 MPa左右。

2.4 液氢加注对比分析

预冷时间为芯一级第1次14 min、芯一级第2次23 min、芯二级第1次20 min、芯二级第2次23 min。这主要考虑到第 1次较大流量预冷管路时，消耗液氢过多；故后续3次预冷过程中适当减小流量，充分利用显热，有效降低预冷损耗，因此预冷时间较长。

4次动力试验，液氢小流量预冷和加注时，液氢处于两相流状态；只有在两次芯一级试验大流量加注时，液氢才处于单相流状态。无论是两相流还是单相流输送，液氢在同一截面上温度分层明显。当流量为6000 L/min左右时，液氢温升最小，液氢温度约为21.4 K，处于最佳流速状态（5.7 m/s），与液氢加注系统设计参数基本一致。在实际操作过程中，由于地面液氢贮罐采用手动自增压的方式进行挤压加注，挤压压力波动明显，因此不能在最佳流速下长时间稳定加注。

对比芯一级第1次、第2次试验在大流量加注时，采用提前预冷支管路以及小开度缓慢切换的方法，能有效减少切换过程中输送管路内的液氢波动，使得加注流量和温度相对比较平稳。但采用多贮罐并行加注的方案，切换波动无可避免。

输送管道与箭体氢箱一起预冷过程，存在一个压力峰值；通过减少预冷流量和增大氢箱排放能力可以有效抑制压力峰值。