衛(wèi)星單元肼推進系統(tǒng)安全性設計與實現

何永英

（上?？臻g推進研究所，上海200233）

0 引言

單元肼推進系統(tǒng)是空間飛行器應用中最普遍的推進系統(tǒng)，尤其是在中低軌衛(wèi)星領域，落壓式單元無水肼催化分解系統(tǒng)（以下簡稱肼系統(tǒng)）以其技術成熟、系統(tǒng)簡單可靠的顯著優(yōu)點被廣泛應用。由于肼系統(tǒng)攜帶有毒推進劑，且系統(tǒng)初始壓力較高（一般為1.8～2.5 MPa），在推進劑加注后及衛(wèi)星在軌運行期間，推進系統(tǒng)處于易燃、易爆和劇毒狀態(tài)，而且推進系統(tǒng)的安全性事件往往是不可逆的，對人員和衛(wèi)星安全都構成直接危害，后果嚴重。因此，如何在設計和產品研制階段采取合理有效的安全性措施使危險最小化，或采取安全防護措施將有關風險降低到可接受的水平是推進系統(tǒng)設計研制階段的首要問題。

早些年，肼系統(tǒng)的安全性事故在國內外都有發(fā)生，但隨著人們對系統(tǒng)安全意識的增強，安全性的理念已經灌輸到每一個設計師、工藝師、質量檢驗師以及生產操作工人，加上管理手段、設計措施、工藝方法以及測試設備的升級更新，安全性設計、管理、控制能力大大提高。本文僅針對現有中低軌衛(wèi)星用單元肼推進系統(tǒng)采取的安全性措施進行分析和總結。

1 安全性設計原則

按照空間飛行器安全性設計的一般要求，保證人員和產品安全是安全性設計的出發(fā)點和基本要求，并通過設計手段消除已判定的危險或減少有關風險，將其降低到可接受的限度內。根據肼系統(tǒng)的特點和已識別的危險，采取相應的安全性措施，擬定安全性設計原則為：

1)通過設計手段消除已知的危險或利用最小危險設計原理、技術將其風險降低到可接受水平。

2)應考慮補償措施將不能消除的危險帶來的風險降至最低。

3)應從整星角度評估與推進系統(tǒng)相關的安全性措施。

4)危險品和危險操作應與其他活動、區(qū)域、人員及不相容的器材隔離。

5)應避免工作人員受到有毒推進劑、有毒氣體、高低溫及輻射的傷害。

6)應減少惡劣環(huán)境，如壓力、噪聲、沖擊、過載、振動、靜電、雷擊和有害射線等所導致的危險。

7)在設計時充分考慮使用和維護過程中因人為差錯可能導致的危險。

8)在裝配、使用和維護說明書中應給出警告和注意事項，在危險器材、設備和設施上標示醒目的安全標識，并符合GB2894的規(guī)定。

9)用隔離或屏蔽的方法，保護上游的電源系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和下游測控系統(tǒng)裝置的安全。

10)在采用新的設計方法、新材料、新工藝和試驗技術時，尋求最小風險。

2 安全性設計措施及分析

根據肼系統(tǒng)的安全性分析，其危險源為高壓氣體和推進劑，在貯箱加注、充氣、檢查、測試以及飛行過程中，存在對人員和衛(wèi)星造成損害的危險模式，包括：受壓元件爆破、加注環(huán)節(jié)及連接密封環(huán)節(jié)推進劑泄漏、檢查測試過程中推力器誤動作、飛行過程中推力器誤動作和管路壓力升高導致的損害等。為確保加注過程中及加注后到衛(wèi)星發(fā)射前人員和設備安全，需制定一整套完整、全面的安全性保障體系。從產生危害的嚴重程度出發(fā)，明確推進組件安全性設計的重點是：防泄漏、防爆燃、防污染和防腐蝕。

安全性設計措施落實上涉及到產品研制全過程，包括系統(tǒng)優(yōu)化設計、電接口防護設計、安全裕度設計、材料優(yōu)選控制、環(huán)境要求、監(jiān)測及測試手段和產品生產裝配測試階段的過程控制以及危害產生后的應急處理和預案制定等各種途徑。下文將有側重點地進行逐一介紹和分析。

2.1 系統(tǒng)優(yōu)化設計

圖1給出了典型的肼系統(tǒng)原理示意圖。下面將從系統(tǒng)優(yōu)化設計角度給出安全性設計措施。

2.1.1 危險隔離設計

系統(tǒng)設計要求盡量采用焊縫密封方式；為滿足維修性要求的部分組件活連接采用雙密封接頭的形式；加排閥采用多道密封的設置；電磁閥采用雙閥座結構；系統(tǒng)中設置自鎖閥，實現推進劑輸送系統(tǒng)上下游隔離；加強地面試驗過程中的系統(tǒng)漏率測試及在軌運行期間的壓力監(jiān)測。以上措施均可有效防止系統(tǒng)外漏或閥門內漏帶來的安全性風險。

2.1.2 優(yōu)化加注流程

按照肼系統(tǒng)的工作時序設置，推進劑加注狀態(tài)一般有一級保險（即：推進劑直接加注到電磁閥前）和二級保險（初始推進劑加注到自鎖閥前）兩種方式，從以往衛(wèi)星型號的實際運行來看，兩種加注方式都是安全的，但也存在不同程度的風險，以下針對兩種加注方式分別給出安全性設計措施：

1)一級保險加注方式下，采用加注后關閉自鎖閥，僅對自鎖閥上游進行增壓，而下游管路保持常壓狀態(tài)的措施很大程度上減小了下游管路泄漏帶來的危害；同時考慮采用在自鎖閥關閉前對下游管路適當加熱的方式，或采用具有自動反向泄壓的自鎖閥，以減少或防止自鎖閥關閉后下游管路壓力隨溫度上升而爬升對系統(tǒng)帶來的危害。

2)二級保險加注方式下，采用加注前系統(tǒng)預留一定壓力的氦氣，關閉自鎖閥后對上游進行抽真空加注，下游的氣墊不僅安全有效地隔離了推進劑和推力器，大大減小了在推進劑加注后到星箭分離期間推力器泄漏或誤點火所帶來的安全性風險，同時對推進系統(tǒng)工作前打開自鎖閥進行推進劑充填時的瞬時水擊壓力也起到明顯的緩沖作用。

2.1.3 優(yōu)化工作時序設置

為確保肼系統(tǒng)在推進劑加注后、在軌飛行期間以及衛(wèi)星姿態(tài)異常應急處理模式下的安全工作，在對衛(wèi)星發(fā)射場工作流程和飛行程序設置時就應充分考慮對肼系統(tǒng)的安全保護措施，一般有以下幾個途徑：

1)在推進劑加注后到發(fā)射前，通過星表保護插頭等物理手段切斷電磁閥供電，以防止在此期間發(fā)生推力器誤點火事件。

2)衛(wèi)星發(fā)射前和主動段期間，通過遙控指令切斷自鎖閥供電或電磁閥供電回路（一級保險可考慮切斷電磁閥供電、二級保險考慮切斷自鎖閥供電），同時鎖定電磁閥控制指令發(fā)出，以防止在此期間發(fā)生推力器誤點火事件。

3)衛(wèi)星正常在軌飛行期間，通過遙控指令關閉自鎖閥，并切斷電磁閥、自鎖閥供電回路，避免推力器誤點火，并使貯箱內推進劑處于二級防泄漏（自鎖閥和電磁閥）保護下。

4)在衛(wèi)星發(fā)生姿態(tài)異?；驊蹦Ｊ较?，通過程控啟動推力器限噴程序，以避免衛(wèi)星能源無故損耗；在姿控計算機重啟時，衛(wèi)星重新走星箭分離程序，要求肼系統(tǒng)處于能源安全保護模式，即電磁閥供電斷開或自鎖閥供電斷開且自鎖閥處于關閉狀態(tài)。

2.2 電接口安全保護設計

肼系統(tǒng)的電接口防護設計措施主要為閥門供電保護狀態(tài)設置。

為確保在衛(wèi)星各研制階段肼系統(tǒng)安全，通過在總體電路上采取措施，在星表設置電磁閥和自鎖閥供電保護插座，一般配置了三種狀態(tài)的插頭：

1)自鎖閥供電接通、電磁閥供電切斷。這種狀態(tài)主要用于整星測試階段。

2)自鎖閥和電磁閥供電均切斷。這種狀態(tài)用于推進劑加注后到衛(wèi)星臨射前。

3)自鎖閥和電磁閥供電均接通。這種狀態(tài)主要用于需要推進分系統(tǒng)電磁閥噴氣的測試和衛(wèi)星在軌飛行階段。

2.3 安全裕度設計

肼系統(tǒng)中大部分組件與2.0 MPa左右的高壓氣體或無水肼接觸，若產品質量存在問題，則有可能出現泄漏的現象，從而導致產品嚴重受損，嚴重時可能危及人身安全。因此，原則上必須對組件及總裝零部件產品采取安全裕度設計，安全裕度主要考慮結構安全裕度。

肼系統(tǒng)為落壓工作模式，系統(tǒng)初始工作壓力即為最大工作壓力，因此各組件產品及地面承壓設備的結構安全裕度設計以系統(tǒng)最大工作壓力為參考基準。

1）組部件及管路結構強度安全系數設置：原則上系統(tǒng)組部件及管路結構安全系數均取≥4，貯箱考慮到減重因素，一般取≥2。

2）地面支持設備結構強度安全系數設置：原則上地面支持設備結構強度安全系數均選取≥4。

2.4 材料優(yōu)選控制

原材料與推進劑的相容性水平直接影響系統(tǒng)安全，相容性等級低的材料和推進劑長期接觸，可能影響系統(tǒng)漏率導致推進劑外漏。若與推進劑直接接觸的原材料能與推進劑產生化學反應，嚴重時可引起爆炸，導致星毀人亡的嚴重事故。因此在系統(tǒng)產品材料優(yōu)選控制上，要求與推進劑直接接觸的所有原材料均要求與推進劑能長期相容，達到I級相容等級要求，對部分短期接觸的材料要求達到II級相容等級并進行充分的相容性試驗驗證。

2.5 環(huán)境要求、監(jiān)測及測試手段

肼系統(tǒng)在加注過程中及加注后均處于較高安全風險狀態(tài)，對環(huán)境條件、設備條件及安全監(jiān)測條件等均提出較高要求。

2.5.1 環(huán)境條件

環(huán)境條件主要包括廠房潔凈度要求、溫度、濕度以及廠房分區(qū)條件和消防應急條件等。為保證產品和人員安全，要求產品放置區(qū)域與加注間有安全有效的物理隔離，加注設備和操作人員所處的位置之間須設置防爆隔離墻，加注現場應具備完整的消防應急和救護應急條件。

2.5.2 設備條件

設備條件主要包括廠房供電設備、吊裝設備、供氣供液設備和消防設備等，一般要求確保供電設備接地可靠，電氣設備采用防爆型并采取防靜電措施；排風設備運轉正常、供氣供液設備準備余量充分，必要時配備防爆型攝像監(jiān)測設備，消防設備現場就位。

2.5.3 安全監(jiān)測及測試條件

對廠房環(huán)境，包括溫濕度、大氣壓環(huán)境等需進行實時監(jiān)測，完成推進劑加注后，需定時對廠房環(huán)境進行肼濃度監(jiān)測。

2.6 產品生產裝配測試階段的過程控制

產品的安全性隱患往往在生產、裝配和測試過程中引入，且有些缺陷是不可測或不易檢測的，一直帶到系統(tǒng)產品，在整星測試環(huán)節(jié)甚至在軌飛行期間才暴露出來，引起的安全性危害不容忽視，因此提高產品安全性能，必須在產品生產、裝配和測試環(huán)節(jié)加強過程控制，可包括如下內容：

1)充分重視超差處理、讓步接收、不合格品審理和代料等對產品安全性能影響的分析和論證。

2)加強組件及系統(tǒng)生產、裝配和測試過程中所用氣體或液體的檢測，避免將多余物帶入產品。

3)加強產品生產、裝配和測試過程中的環(huán)境條件控制。

4)嚴格控制地面設備的潔凈度、密封性、接地安全性以及使用規(guī)范性，避免因設備故障帶來的產品安全性風險。

2.7 應急處理和預案制定

盡管對系統(tǒng)產品采取了各種安全性設計措施，但為了防止安全事故的發(fā)生，還需要對安全性事故發(fā)生的風險有清醒的認識，對可能出現的故障或事故提出防范措施和處理對策，努力將事故產生的危害影響降到最低，主要措施包括：

1)推進劑加注過程中發(fā)現微漏及時關閉上下游閥門，排除故障后，用中和液清洗污染部分，用大量清水沖洗現場；出現大量泄漏或著火時，迅速關閉上下游閥門，用大量清水撲滅明火，關閉所有閥門后對現場進行沖洗處理。

2)出現人員呼吸道中毒時，立即將患者移至空氣新鮮處，迅速就醫(yī)；推進劑濺入眼中或皮膚上，立即用水沖洗，然后就醫(yī)。

3)加注結束后撤收加注管時，先用真空泵抽吸，并在接嘴下方配備托盤和濾紙，以免推進劑滴入艙中。

4)在軌期間發(fā)生推進劑泄漏故障時，通過主備份支路切換隔離故障。

3 試驗驗證情況

肼系統(tǒng)的安全性設計措施在多個型號和多發(fā)衛(wèi)星產品上成功實施，近幾年來衛(wèi)星發(fā)射頻繁，但未發(fā)生一起安全事故，這與采取了充分的安全性措施是密不可分的。在此針對部分可定量分析的安全性措施在地面試驗及在軌期間驗證的情況進行說明。

3.1 一級保險模式自鎖閥下游保持常壓措施

在一級保險加注模式下，采取對自鎖閥下游保持常壓的措施，可保證推進劑加注后到衛(wèi)星發(fā)射前若推力器發(fā)生誤動作或泄漏故障時，推力器不會建壓，不會對衛(wèi)星產品和人員安全帶來影響。對此在風云3號衛(wèi)星推進系統(tǒng)地面試車時進行了試驗驗證，圖2給出了自鎖閥關閉狀態(tài)下，開啟1和21分機時自鎖閥下游壓力p3和推力室室壓pt1和pt21變化曲線。

由圖可知，采取自鎖閥下游保持常壓的安全性措施，當靶場加注完成后，即使由于某種原因導致電磁閥產生誤動作，推力器也將不會點火，能確保產品和人身的安全。

3.2 在軌期間自鎖閥下游管路泄壓措施

由于衛(wèi)星長期在軌期間，自鎖閥下游管路壓力隨溫度上升有明顯爬升，而壓力爬升會對系統(tǒng)安全帶來隱患，一般采取兩種途徑應對：打開自鎖閥泄壓，給管路下游加熱后關閉自鎖閥；采用可自動反向泄壓的自鎖閥，壓力達到臨界值時造成短時反向滲漏達到泄壓目的。

圖3給出了風云3號A星在軌期間采取打開自鎖閥泄壓，管路加熱后關閉自鎖閥的措施實施期間系統(tǒng)壓力和相應管路溫度變化曲線。

圖4給出了某星在軌期間自鎖閥自動反向泄壓時的壓力變化曲線。泄壓前貯箱出口壓力約為1.3 MPa，泄壓壓差約1.1 MPa。

由圖可知，目前采取的兩種泄壓途徑都是有效、安全的，對壓力爬升引起的危害起到了“防微杜漸”的作用。

3.3 組部件產品結構強度試驗驗證

為驗證系統(tǒng)各組部件產品的結構強度安全系數滿足設計要求，在組部件產品研制過程中均進行結構強度試驗，表1給出了單元肼系統(tǒng)主要通用化產品的設計壓力、驗證壓力和爆破壓力比對情況。

由表可見，系統(tǒng)所有承壓組部件驗證壓力均達到了結構強度安全系數，符合安全指標要求。

表1 單元肼系統(tǒng)產品結構強度設計及驗證情況對照表Tab.1 Parameters of components in hydrazine monopropellant propulsion system

4 結論

通過對單元肼衛(wèi)星推進系統(tǒng)安全性設計措施及試驗驗證結果的分析，認為采取充分、必要的安全性設計措施是確保衛(wèi)星安全、成功運行的基石，通過地面驗證試驗和飛行試驗考核，當前所研制產品上實施的安全性設計措施的有效性得到充分驗證。

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