陈少将 钟文安 朱良平 郑 艳 古宇飞

(航天发射场可靠性重点实验室 海口 571126)

1 引言

液氢、液氧由于其比冲高、无污染等优点,越来越被首选为运载火箭推进剂,逐步取代常规推进剂。 但与常规火箭相比,低温火箭在测试过程中,无法有效检验元器件在低温区工作性能,在低温推进剂加注后容易发生不可预测的故障,任务推迟发射的可能性大。

低温推进剂具有易挥发、易燃、易爆等特点,同时受推进剂的需求量、机组的生产效率、特装的转运能力等因素影响,其筹措、贮存难度远超常规推进剂,一直是大型低温火箭测试保障的关键点和难点。 如何降低低温推进剂筹措、贮存过程中的挥发量,成为了研究的热点。 郭志钒等人对低温液氢储存现状及问题展开了分析,并对低温容器设计的角度进行了描述[1];邢力超等对低温推进剂无损贮存技术的研究进展进行了总结和展望[2];黄兵等人对火箭加注后停放过程中影响推进剂蒸发量的因素进行了深入分析,提出了解决措施[3]。 在实际的航天发射任务保障中,往往通过增加低温推进剂筹措量来解决贮存、停放过程中的蒸发问题,但由于不可预计产品质量问题可能需要开展泄回工作,推进剂损失量较大,往往由于配套的液氢、液氧生产、贮存能力限制,难以快速完成二次生产、筹措,确保短时间内具备二次加注发射的机会。

中国在夏季使用大型低温火箭执行首次火星探测任务,低温火箭质量稳定性、地面设备设施可靠性、异常天气干扰和低温推进剂持续蒸发损耗等因素相互影响,在当年发射窗口内完成发射的难度大[4]。如何合理筹措低温推进剂,在火星年发射窗口时间内具备2 次甚至多次加注发射的机会,是确保火星探测任务成功的关键问题之一。

2 火星探测任务发射情况

发射窗口是指允许发射航天器的时间范围,一般分为日发射窗口、月发射窗口和年发射窗口。 日发射窗口即规定某天内某一时间段可以发射,窗口宽度一般几分钟、几小时不等;月发射窗口规定某个月内连续某几天可以发射;年发射窗口规定某年中连续允许发射的时间段。 大多数火星转移轨道采用霍曼过渡方式,每隔26 个月才会出现一个较为合适的发射窗口,一旦错过这个发射窗口,地球与火星位置发生了变化,飞行路线也会发生变化,可能无法奔向火星,故在当年发射窗口内完成发射极为关键[5-7]。 为确保在火星年内顺利完成探测任务,结合运载火箭能力,各国普遍设计2 周左右的年发射窗口周期,以应对各种发射风险。

从发射窗口定义可以看出,火星探测任务发射情况可分为第一窗口准时发射、未加注前推迟发射、加注后推迟发射和加注泄回后重新发射4 种,如图1 所示。

图1 火星探测任务4 种发射情况Fig.1 Four launch situations of Mars exploration mission

2.1 第一窗口准时发射

为确保最大的应急时间,在发射任务流程设计中,一般将年发射窗口的第一窗口作为发射日期。 火箭、探测器经过测试、加注后,在年发射窗口内的第一个发射窗口内发射。

2.2 未加注前推迟发射

火箭未加注发射前,受各方面因素影响,未在第一窗口发射准时发射。 从国内外发射任务看,火箭、探测器和发射场设备在测试过程中,质量问题时有发生,导致第一窗口准时发射无法实现。 根据定义,可以得出未加注前允许推迟的最长时间为年发射窗口周期Tlaunch。

2.3 加注后推迟发射

低温推进剂加注后,受各方面因素影响,火箭未在第一窗口内的计划时刻准时发射,需要推迟一定时间发射。 低温推进剂对火箭结构、非金属材料、箭体内部环境等均会带来影响,导致火箭各部件的可靠性降低,容易出现泄漏、绝缘阻值超差等问题,Delta4、Atlas5、H-2B、CZ-3B、CZ-5 等主流低温火箭均发生过推进剂加注后推迟发射的情况。 此外,火星探测任务射前工作项目多、操作难度大、制约因素多危险程度高,且发射日气象不一定能满足最低发射条件,加注后推迟发射可能性存在。 根据定义,火箭加注后推迟发射的时间一般为日发射窗口宽度;在火箭低温环境适应能力满足的情况下,也可维持在加注状态下实施第二天继续发射,即推迟时间1 天。

2.4 泄回后重新组织发射

火箭在第一窗口加注后,火箭、航天器发生质量问题或者发射场设备设施出现故障,无法短时间进行处置,由于火箭部分器件无法长时间承受液氢环境,可能需要进行推进剂泄回,并重新组织加注发射。 根据定义,加注泄回后距再次组织加注发射的最长允许时间为年发射窗口周期Tlaunch。 由于液氢、液氧在加注、泄回中的消耗,该种情形对低温推进剂的筹措提出了更高的要求。

3 低温推进剂筹措需求分析

在发射任务中,一般使用槽车通过“多次转运、多次转注”或“多次转注、一次转运”方式筹措,实现将推进剂从生产厂的生产贮罐,转移到发射场的加注贮罐中。 根据推进剂保障的特点,可以将推进剂筹措按照发射任务线和推进剂生产线来进行分析。

(1)单次发射推进剂筹措的时间traise(i,X)

式中:tpro(i,X)是第i次X推进剂的生产时间,由推进剂的生产量P(i,X)和机组的生产效率q决定;tpro-raise(i,X)从生产结束到筹措结束的时间间隔,一般为最后一趟推进剂转运、转注的时间,常数;V(i,X)是发射场完成第i次火箭加注X低温推进剂的总筹措量;M(i,X)是第i次火箭加注用X推进剂从生产厂贮罐转移到发射场加注贮罐之间的损耗量,包括转注、转运过程中的损耗和生产贮罐推进剂余量。

(2)火箭单次加注推进剂筹措量V(i,X)

第i次火箭加注需要的X推进剂生产量,包括满足第i次火箭加注的筹措量、加注后贮罐余底量、贮罐筹措到位停放蒸发量组成,同时需要扣除上一次加注后推进剂的剩余量。

式中:R(i,X)是第i次火箭加注X推进剂的需求量;W(i,X)是第i次加注后库区贮罐X推进剂的余量,受贮罐推进剂管路限制,推进剂余量可以按常数进行计算;U(i,X)是库区筹措好的低温推进剂从筹措好到预冷时的蒸发量;W(i-1,X)和U(i-1,X)分别是库区i-1 次加注后低温推进剂从筹措开始到筹措好时的初始量和蒸发量。H(X)是库区低温贮罐的最大容积,μ、σ 分别库区贮罐最小余底系数和最大填充系数,可以看作常量。

(3)火箭单次加注推进剂消耗量R(i,X)

低温火箭加注流程通常包括贮箱置换、预冷、加注等过程,而加注工序通常又可进一步细分为大流量加注、自动补加、热氢排放、射前补加等过程[8]。 按照正常的任务发射,火箭第i次加注推进剂消耗量计算公式如下:

式中:Qadd是火箭规定的推进剂加注量,不同的窗口、弹道,火箭的加注量往往有所差异,但在同一次任务中,可以按最大的加注量来计算。Qsubsti是火箭贮箱置换过程中的消耗量;火箭氢箱加注前采用氢气置换,消耗氢气由液氢现场气化回温的方式制取;氧箱置换采用氮气置换,不消耗氧气,在工艺不变的情况下,消耗量在一定范围内,可以按照历史最大值来计算。Qprecool是地面管路、火箭贮箱预冷过程中的消耗量;Qconsume是火箭加注过程中的额外消耗量,主要包含加注过程中贮罐、管路、贮箱的蒸发和泄漏等消耗。 可以看出在工艺不变的情况下,同一次任务中,R(i,X)可看成一个常数R(X)。

3.1 第一窗口准时发射

根据第一窗口准时发射定义,可以绘制出第1 次低温推进剂保障流程,如图2。

图2 第一窗口准时发射低温推进剂生产筹措Fig.2 Production of cryogenic propellant launched on time in the first window

一次加注低温推进剂筹措量需要满足库区加注贮罐准备期间的蒸发和加注后的余底,以及火箭的加注需求。 根据公式(2)获得第一窗口准时发射低温推进剂筹措量计算。 同时,在执行火星探测任务前,未知有执行其他任务,在这里将库区的剩余量忽略,即W(0,X)和U(0,X)为0。

式中:ηtank(t)是库区低温贮罐的蒸发率,受推进剂容积、贮罐个数不同而变化;traise(1)是库区低温推进剂从筹措开始到筹措好的时间;tpark(1)是低温筹措好到预冷的时间,在任务流程中可看作常数T。

通过式(1)、式(3)、式(4)可以获得出低温推进剂所需的生产量、生产时间、筹措时间。

3.2 未加注前推迟发射

未加注前推迟发射,推进剂主要受停放期间贮罐推进剂蒸发影响,需要在原有工艺流程约定等待时间基础上增加修订量。

式中:T为低温推进剂筹措好到加注发射阶段的停放时间,是常数;未加注前推迟的时间修正量,最大的推迟时间为发射窗口周期,即Max() =Tlaunch。

3.3 加注后推迟发射

火箭在完成低温推进剂加注后,由于贮箱与外界的热交换,会导致贮箱内低温推进剂不断蒸发减少。尤其是在推迟发射需长时间停放时,停放一段时间后,贮箱在竖直方向与径向均存在温度分层,液相内会形成大的漩涡,使得冷热流体不断进行热交换,并导致贮箱内部的液氢也出现气化,导致液氢消耗[9]。

此时需要在火箭单次加注推进剂消耗量模型(3)中引入推进剂蒸发修正量,即因推迟火箭停放贮箱蒸发修正量(1,X)和库区贮罐蒸发的修正量。

式中:tdelay是推迟发射时间,即火箭加注后,实际发射时间和预订发射时间的时间间隔。

3.4 泄回后重新组织发射

加注泄回后重新组织发射,存在低温推进剂不够的情形,需要计算推进剂二次筹措需求,如图3 所示。

图3 加注泄回重新组织发射低温推进剂生产筹措Fig.3 Reorganize production of cryogenic propellant after filling and discharging

根据式(1)、(2)可以获取组织第二次加注所需低温推进剂生产时间模型

式中:W(1,X)是第1 次低温推进剂加注后未泄回前贮罐余量;Q是火箭贮箱有效泄回量,泄回的量主要受火箭的加注量Qadd与泄回过程的损耗量QR-lbwaste有关。

4 低温推进剂弹性保障策略

可以看出第一窗口准时发射、未加注前推迟发射、加注后推迟发射三种情况推进剂主要受推进剂停放蒸发影响,筹措量较小;而加注泄回重新组织发射情况对推进剂进行泄回,泄回过程中推进剂损耗量QR-lbwaste较大,低温推进剂保障的关键在于年发射窗口内尽可能确保多次发射。

为确保火星探测任务的顺利进行,按照年发射窗口不少于2 次加注发射机会要求,低温推进剂弹性保障策略:一次筹措确保满足一次加注发射,通过二次筹措具备短期两次加注发射的条件。 第二次筹措的时间约束即年度发射窗口宽度Tlaunch。

在具体的保障中,主要通过统筹推进剂生产筹措计划、优化系统准备工作、提升推进剂筹措环节可靠性等来实现低温推进剂的弹性保障。

4.1 统筹生产筹措计划

主要通过提高第一次推进剂筹措量和提前开展第二次加注量筹措,来缩短第二次筹措的时间。

(1)提高第一次筹措量。 第一次推进剂筹措按照发射场区最大保障能力σ·H(X)保障,瞄准第一窗口准时发射进行推进剂生产准备,生产量具备在年度窗口期最后一天推迟发射的能力,确保第一次加注后裕量W(1,X)达到最大,泄回后库区的余量最大。

(2)提前开展第二次推进剂筹措。 生产厂在第一次推进剂生产量筹措完成后,统筹生产厂和发射场的贮罐资源可采取两种方式进行二次筹措,满足再次组织加注发射需求。 一是完成第一窗口正常保障需求后利用厂家贮罐继续筹备低温推进剂,生产机组先停机,根据第二窗口补充需求,计划节点倒排开机生产。 二是根据火星探测年发射窗口周期,合理安排生产计划,在低温推进剂完成筹措后继续生产,在火箭未成功点火前设备不停机,一旦需要补充推进剂继续延长生产时间。 两种模式都需要利用生产厂的贮罐提前筹备提问推进剂,但第二种可以节省开机生产的准备时间,对生产计划要求更高。

4.2 优化系统准备工作

(1)从再次组织实施发射的情况看,二次推进剂筹措涉及推进剂的转注、转运时间影响较大。 针对氧氮筹措时间长、运输次数多,创新质量化验点,优化转注、转运、化验流程,从3 天2 车优化为2 天2 车,提升筹措效率,缩短额定量筹措时间。

(2)通过开展并行测试,缩短低温加注系统准备时间T。 第一次筹措截止时间向发射点时间靠近,减少在加注库区停放的时间,以提升发射时刻的推进剂总量;第二次筹措截止时间推迟到火箭贮箱置换前,确保足够的生产、筹措时间。

4.3 提升筹措过程可靠性

统筹全年任务,采取设备设施维修、配备冗余设备等措施提升推进剂筹措过程的可靠性。

(1)根据年度发射任务,提前制定年度的低温推进剂保障方案、仪器仪表标校方案等,确保年度任务不影响低温推进剂筹措。

(2)在任务准备阶段,提前开展低温加注系统和推进剂生产部门的设备设施检修、维护,确保设备设施状态良好。

(3)对液氢、液氧筹措过程中,生产、转注、转注和加注等环节存在的单点失效风险,进行深入分析,通过开展设备设施部件级冗余改造提升系统级可靠性,并增加转注贮罐提升运输、转注过程的可靠性,降低对任务的影响。

5 结论

火星探测任务对大型低温火箭的推进剂筹措提出了很高要求,通过对4 种不同发射情况下的低温推进剂筹措需求进行分析,识别了年发射窗口内二次加注发射推进剂保障要点,制定弹性保障策略:

(1)通过分段筹措满足多窗口加注发射保障需求,并通过提高第一次筹措量和提前开展第二次筹措,确保当年发射窗口内不少于2 次加注发射机会。

(2)优化系统准备工作,优化流程提升筹措效率,缩短准备时间,延长第二次筹措时间。

(3)实施设备设施维修、配备冗余设备等措施,提升推进剂筹措过程的可靠性。