王 鹍 董少斐

（北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京 100074）

運(yùn)載火箭用某型閥門液氫試驗(yàn)技術(shù)研究

王 鹍 董少斐

（北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京 100074）

液氫屬于高能量低溫推進(jìn)劑，已在各國(guó)航天工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。目前，我國(guó)具備液氫生產(chǎn)能力的單位很少，成本也很高。在進(jìn)行箭體閥門及部組件試驗(yàn)的過(guò)程中，如何在圓滿完成試驗(yàn)任務(wù)需求的前提下，提高液氫使用效率，是低溫試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展方向。通過(guò)對(duì)某型號(hào)閥門液氫試驗(yàn)各技術(shù)環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，利用改進(jìn)試驗(yàn)裝備條件、優(yōu)化試驗(yàn)工藝流程等方法，可有效地縮短閥門液氫試驗(yàn)時(shí)間，同時(shí)減少單件次產(chǎn)品試驗(yàn)的液氫消耗量，達(dá)到提高閥門液氫試驗(yàn)效率的目的。

運(yùn)載火箭，閥門，液氫，試驗(yàn)技術(shù)

引 言

隨著我國(guó)航天技術(shù)的不斷發(fā)展，我國(guó)目前正處于多種型號(hào)運(yùn)載火箭密集發(fā)射階段，型號(hào)試驗(yàn)任務(wù)也隨之劇增。閥門組合件是運(yùn)載火箭箭體的基礎(chǔ)構(gòu)件，為滿足型號(hào)研制及發(fā)射需要，火箭總體設(shè)計(jì)部門也對(duì)閥門試驗(yàn)任務(wù)提出了更高的要求。閥門組合件從研制、生產(chǎn)到正式裝箭使用期間，需要通過(guò)多項(xiàng)試驗(yàn)考核，包括常溫及低溫工作性能測(cè)試、使用壽命考核等試驗(yàn)。在對(duì)閥門進(jìn)行低溫試驗(yàn)考核時(shí)，需以液氫介質(zhì)模擬閥門使用環(huán)境，但液氫試驗(yàn)具有難度大、成本高、耗時(shí)長(zhǎng)等特點(diǎn)，也隨之出現(xiàn)了試驗(yàn)周期長(zhǎng)、介質(zhì)消耗量大、試驗(yàn)效率低等突出問(wèn)題。

本文通過(guò)對(duì)某型號(hào)閥門的試驗(yàn)流程進(jìn)行分析，識(shí)別出影響液氫試驗(yàn)效率的關(guān)鍵因素，并針對(duì)影響因素尋找解決對(duì)策，縮短試驗(yàn)時(shí)間，減少液氫介質(zhì)消耗，實(shí)現(xiàn)閥門液氫試驗(yàn)效率的提高，從而達(dá)到節(jié)能降耗、控制成本、及時(shí)交付產(chǎn)品、確保型號(hào)試驗(yàn)進(jìn)度等目的。

1 液氫試驗(yàn)流程分析

同類閥門的液氫試驗(yàn)通常由相同的工藝系統(tǒng)承擔(dān)，根據(jù)閥門對(duì)接口尺寸的不同，將相應(yīng)的試驗(yàn)工裝與系統(tǒng)對(duì)接，進(jìn)而完成試驗(yàn)。完整的液氫試驗(yàn)一般包括試驗(yàn)準(zhǔn)備、試驗(yàn)測(cè)試和試驗(yàn)后處理等3個(gè)階段，如圖1所示。

1.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

在閥門液氫試驗(yàn)準(zhǔn)備階段，需要完成試驗(yàn)工藝系統(tǒng)的置換工作，對(duì)試驗(yàn)工裝進(jìn)行清洗及對(duì)接檢查，檢查系統(tǒng)的氣密性及潔凈度，以保證試驗(yàn)順利進(jìn)行。

1.2 試驗(yàn)測(cè)試

在閥門液氫性能測(cè)試試驗(yàn)中，需要先對(duì)閥門及連接管路進(jìn)行置換，然后將介質(zhì)轉(zhuǎn)注至系統(tǒng)貯箱，再向閥門通入液氫，使其達(dá)到使用條件后，測(cè)試考核其工作性能，隨后對(duì)閥門及管路中的液氫進(jìn)行吹除，在試驗(yàn)管路正壓保護(hù)的情況下拆卸、更換閥門試驗(yàn)件，進(jìn)行后續(xù)閥門的試驗(yàn)。

1.3 試驗(yàn)后處理

閥門液氫試驗(yàn)結(jié)束后，將閥門從系統(tǒng)中拆除；隨后安全地泄出系統(tǒng)中剩余的介質(zhì)；對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行正壓保護(hù)，直至系統(tǒng)恢復(fù)常溫。

2 影響閥門液氫試驗(yàn)效率的因素識(shí)別

圖1 某型號(hào)閥門液氫試驗(yàn)流程

通過(guò)對(duì)閥門液氫試驗(yàn)流程進(jìn)行全面分析，從人員操作、試驗(yàn)工裝、材料、工藝方法，以及試驗(yàn)環(huán)境等5個(gè)方面進(jìn)行全面分析，識(shí)別影響閥門液氫試驗(yàn)效率的因素，如圖2所示。需要將識(shí)別出的8條因素進(jìn)行逐條分析，確定影響閥門液氫試驗(yàn)效率的主要因素。

2.1 人員操作因素

試驗(yàn)操作人員上崗前均需要進(jìn)行相關(guān)理論知識(shí)及實(shí)操培訓(xùn)，考核合格后方可上崗。試驗(yàn)主操作人員通常擁有多年低溫閥門試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，所以，人員操作方面的原因是影響試驗(yàn)效率的非主要因素。

2.2 試驗(yàn)工裝因素

對(duì)試驗(yàn)工裝的尺寸、對(duì)接方式及安裝方法等進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn)：該型號(hào)閥門與試驗(yàn)系統(tǒng)采用法蘭連接，雖然尺寸相符，但安裝流程復(fù)雜，耗時(shí)較長(zhǎng)，嚴(yán)重影響試驗(yàn)效率。試驗(yàn)過(guò)程中需將工裝反復(fù)拆裝，在低溫作用下，工裝拆卸后法蘭表面結(jié)霜，要待其復(fù)溫且表面干燥后，才能進(jìn)行安裝。

由于試驗(yàn)工裝設(shè)計(jì)不合理等原因，致使試驗(yàn)中拆卸、安裝和復(fù)溫過(guò)程所消耗的時(shí)間大幅延長(zhǎng)，對(duì)試驗(yàn)效率的影響較大，所以試驗(yàn)工裝因素是影響試驗(yàn)效率的主要因素。

2.3 試驗(yàn)輔助材料因素

2.3.1 連接螺栓損壞

目前，閥門液氫試驗(yàn)中的連接螺栓材料及螺母材料均為外購(gòu)運(yùn)載火箭用標(biāo)準(zhǔn)件。連接螺栓使用前均經(jīng)過(guò)了嚴(yán)格的工藝檢驗(yàn)，使用后也要定期檢查更換，試驗(yàn)中極少出現(xiàn)因連接件斷裂、粘結(jié)等問(wèn)題影響試驗(yàn)的情況。因此，連接螺栓損壞為影響試驗(yàn)效率的非主要因素。

圖2 某閥門液氫試驗(yàn)效率影響因素識(shí)別圖

2.3.2 臨時(shí)絕熱材料損壞

為了降低試驗(yàn)系統(tǒng)管路的熱量損失，試驗(yàn)件與系統(tǒng)對(duì)接的管路需要采用質(zhì)密的海綿進(jìn)行包覆，絕熱材料在低溫反復(fù)作用后可能會(huì)發(fā)生脆裂現(xiàn)象，但每次試驗(yàn)后均會(huì)對(duì)臨時(shí)包覆的絕熱材料進(jìn)行更換，對(duì)試驗(yàn)進(jìn)程影響微小，因此，臨時(shí)絕熱材料損壞為影響試驗(yàn)效率的非主要因素。

2.4 工藝方法因素

2.4.1 加注操作問(wèn)題

對(duì)液氫試驗(yàn)加注全過(guò)程進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)：加注初期采取小流量加注方式，使加注管路及貯箱緩慢降溫，熱平衡后加大加注流量。加注系統(tǒng)管路采用發(fā)泡絕熱，狀態(tài)完好；貯箱采用真空絕熱方式，保溫效果良好。加注操作過(guò)程已形成成熟工藝流程，因此，加注操作問(wèn)題為影響試驗(yàn)效率的非主要因素。

2.4.2 試驗(yàn)件拆裝操作問(wèn)題

目前，閥門液氫試驗(yàn)僅具備一套對(duì)接工裝，每次進(jìn)行試驗(yàn)件拆卸后，需待工裝復(fù)溫后才能重新進(jìn)行對(duì)接安裝。拆裝過(guò)程耗時(shí)較長(zhǎng)，同時(shí)貯箱液氫大量蒸發(fā)，由于系統(tǒng)溫度上升，系統(tǒng)二次預(yù)冷需要消耗大量液氫。因此，試驗(yàn)件拆裝操作問(wèn)題是影響閥門液氫試驗(yàn)效率的主要因素。

2.4.3 工裝復(fù)溫操作問(wèn)題

閥門液氫試驗(yàn)完成后，工裝法蘭表面會(huì)迅速結(jié)霜，若不恢復(fù)常溫，水汽、冰晶進(jìn)入閥門，將對(duì)閥門性能產(chǎn)生較大影響。目前，通常采用干燥氮?dú)鈱?duì)工裝表面進(jìn)行吹除，直至工裝復(fù)溫且表面干燥，這一復(fù)溫過(guò)程需要消耗較長(zhǎng)的時(shí)間，因此，工裝復(fù)溫操作是影響閥門液氫試驗(yàn)效率的主要因素。

2.5 試驗(yàn)環(huán)境因素

閥門液氫試驗(yàn)工藝系統(tǒng)處于半開(kāi)放的試驗(yàn)間內(nèi)，附近未設(shè)置高溫散熱設(shè)備，系統(tǒng)處于常溫狀態(tài)，因此，試驗(yàn)環(huán)境因素為影響液氫試驗(yàn)效率的非主要因素。

通過(guò)對(duì)以上8個(gè)影響液氫試驗(yàn)效率的因素進(jìn)行分析，確認(rèn)試驗(yàn)工裝因素、試驗(yàn)件拆裝操作問(wèn)題和工裝復(fù)溫操作問(wèn)題為影響閥門液氫試驗(yàn)效率的主要因素。

3 提高閥門液氫試驗(yàn)效率的對(duì)策

3.1 重新設(shè)計(jì)試驗(yàn)工裝

針對(duì)閥門液氫試驗(yàn)工裝安裝流程復(fù)雜、復(fù)溫速度慢的問(wèn)題，結(jié)合閥門液氫試驗(yàn)的實(shí)際情況重新進(jìn)行工裝設(shè)計(jì)。新設(shè)計(jì)的工裝將系統(tǒng)對(duì)接方式由法蘭連接轉(zhuǎn)變?yōu)榍蝾^螺帽連接方式，如圖3所示，在試驗(yàn)準(zhǔn)備期間，即可完成產(chǎn)品接口安裝，連接方式的改變使得試驗(yàn)時(shí)能夠快速安裝/拆卸試驗(yàn)件。同時(shí)，在核算試驗(yàn)工裝強(qiáng)度的前提下，將對(duì)接法蘭厚度從12mm減小為8mm，工裝厚度的減小有助于提高復(fù)溫效率。

圖3 閥門試驗(yàn)工裝圖

3.2 優(yōu)化試驗(yàn)流程

分析閥門液氫試驗(yàn)流程，通過(guò)改變?cè)囼?yàn)件拆卸安裝方式優(yōu)化試驗(yàn)流程。在試驗(yàn)過(guò)程中，至少設(shè)置兩套試驗(yàn)對(duì)接工裝，采取多套工裝交叉使用的方式進(jìn)行試驗(yàn)：

（1）進(jìn)行首件試驗(yàn)時(shí)，完成第二件產(chǎn)品的工裝安裝工作；

（2）完成首件試驗(yàn)后，立即將第二件產(chǎn)品接入系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)；

（3）對(duì)首件產(chǎn)品工裝進(jìn)行拆卸和復(fù)溫處理。

通過(guò)閥門液氫試驗(yàn)流程優(yōu)化，使試驗(yàn)操作環(huán)節(jié)更加緊湊，合理利用有限的試驗(yàn)時(shí)間，使試驗(yàn)效率得以

有效提高。

3.3 改進(jìn)復(fù)溫方式

由于工裝復(fù)溫操作耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)，所以，需對(duì)原有的復(fù)溫方式進(jìn)行改進(jìn)。原有復(fù)溫方式僅通過(guò)常溫氣體吹除工裝表面，換熱速率低，工裝回溫速度慢。改進(jìn)后的工藝采用液體浸泡的方式使工裝復(fù)溫，換熱速率大大提升。由于酒精具有凝固點(diǎn)低、易揮發(fā)等特點(diǎn)，所以，選擇酒精作為工裝復(fù)溫的液體介質(zhì)。

具體操作流程是：將試驗(yàn)拆卸的工裝先浸泡于酒精中，待復(fù)溫后取出，使用加熱至40℃～50℃的干燥氮?dú)鈱?duì)工裝進(jìn)行吹除，使其表面迅速干燥。改進(jìn)復(fù)溫方式后，工裝的復(fù)溫時(shí)間大幅縮短，使閥門對(duì)接安裝的時(shí)間更加充足，在保證試驗(yàn)質(zhì)量的同時(shí)提高了試驗(yàn)效率。

4 效果檢驗(yàn)

將以上3項(xiàng)提高閥門液氫試驗(yàn)效率的對(duì)策實(shí)施后，閥門液氫試驗(yàn)消耗的時(shí)間有所縮短，單件次產(chǎn)品試驗(yàn)消耗的液氫量有所下降。對(duì)策實(shí)施前后，閥門液氫試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)表1。

通過(guò)對(duì)對(duì)策實(shí)施前后的試驗(yàn)情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，在重新設(shè)計(jì)工裝、優(yōu)化試驗(yàn)流程、改進(jìn)復(fù)溫方式之后，單件次試驗(yàn)的平均消耗時(shí)間從原來(lái)的1.19h/件次縮短至0.74h/件次，試驗(yàn)時(shí)間縮短了37.8%；單件次產(chǎn)品試驗(yàn)的液氫平均消耗量從0.59m3/件次減少至0.44m3/件次，液氫消耗減少了25.4%。

5 結(jié)束語(yǔ)

試驗(yàn)結(jié)果表明，在某型號(hào)閥門液氫試驗(yàn)中，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)工裝、試驗(yàn)流程，以及試驗(yàn)復(fù)溫工藝等3個(gè)方面的優(yōu)化改進(jìn)，可以降低試驗(yàn)液氫消耗，同時(shí)縮短試驗(yàn)時(shí)間，有效地提高了閥門液氫試驗(yàn)效率，為高效完成組合件液氫試驗(yàn)任務(wù)提供了技術(shù)支撐。

表1 某型號(hào)閥門液氫試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)

1009-8119（2017）03（1）-0059-03