氢氧发动机推力室身部液氢传热试验系统技术研究

彭龙涛 尹奇志

（北京航天试验技术研究所，北京 100074）

氢氧发动机推力室身部液氢传热试验系统技术研究

彭龙涛 尹奇志

（北京航天试验技术研究所，北京 100074）

为研究某型号氢氧发动机推力室身部液氢的传热特性、身部不同深宽比冷却通道结构对冷却特性的影响、不同室压和混合比情况下高深宽比冷却通道内的肋条温度分布和气壁温度分布特性，设计并建立了液氢传热试验系统；详细介绍了推进剂供应系统、冷却液氢供应系统、冷却水供应系统，以及控制系统的组成和试验能力；重点论述了关键试验工艺技术，包括降低贮箱增压起始段压力峰技术、低温氢气排放技术、试验工艺技术、安全防护措施等方面。

液氢传热，系统组成，试验能力，工艺

1 引 言

液氢传热试验的目的是确定某型号氢氧发动机全尺寸推力室身部不同深宽比冷却通道结构对冷却特性的影响。通过液氢传热试验，可以获取不同室压和混合比情况下高深宽比冷却通道内的肋条温度分布和气壁温度分布特性、氢的传热特性、传热试验测量技术和方法等信息。液氢传热试验缩比推力室由头部喷注器、试验圆柱段和喉部喷管段等部分组成，其中，头部喷注器采用液氧、气氢作为推进剂，试验圆柱段采用液氢冷却，喉部喷管段采用水冷却。各介质喷前压力高，试验工艺系统复杂，工艺要求高，因此，在试验系统的设计和建设过程中需要解决诸多设计技术和工艺难题。本文主要论述了某型号氢氧发动机推力室身部液氢传热试验系统的能力特点、关键技术及试验工艺流程。

2 系统组成及试验能力

根据任务要求，液氢传热试验系统主要由推进剂供应系统、冷却液氢供应系统、低温氢气排放系统、冷却水供应系统、工艺辅助系统、控制系统、测量系统等组成。

2.1 推进剂供应系统

2.1.1 气氢供应系统

气氢供应系统如图1所示，可以满足20s～30s试车的需求，主要由气氢气源系统、增压系统、气氢缓冲气罐、音速喷嘴、阀门、过滤器，以及输送管路等组成，其主要技术指标如下：

气氢供应系统的设计压力为20MPa；采用7瓶、4m3、18MPa高压气瓶；其自动增压系统采用2路“孔板+电磁阀”智能控制增压方式，可实现智能增压稳压，流量最大可达1.2kg/s；采用缓冲气罐，用于稳定音速喷嘴入口压力，防止气氢流量波动过大；安装有音速喷嘴，用于控制气氢流量，音速喷嘴入口安装温度和压力测点，便于计算气氢密度和进行流量核算；主管路采用Ф58mm×4mm不锈钢管；主管路过滤器为DN40mm，过滤精度为40μm；主要阀门均采用远程控制气动阀门，并在主管路上设置应急阀，在试验发生故障时可紧急切断氢气供应，缓冲气罐设置安全排空系统，用于试验后的氢气处理。

图1 气氢输送系统示意图

2.1.2 液氧供应系统

液氧供应系统如图2所示，可以完成额定工况下20s～30s试车，主要由液氧贮箱系统、加注系统、放气系统、流量计、汽蚀管、阀门、过滤器、输送管路等组成。其主要技术指标如下：

液氧输送系统的设计压力为20MPa。液氧容器为绝热材料包裹的高压容器，容器容积为0.2m3，启动时容器容积为0.15m3，试车时增压气体气垫量和安全剩余量可满足试验使用要求。主管道采用内径为DN50mm的不锈钢管路，采用外包扎多层堆积绝热法绝热。加注过滤器采用DN25mm管路，过滤精度为180µm，主管路过滤器采用DN40mm管路，过滤精度为380µm。液氧主输送管路安装汽蚀管和低温涡轮流量计，汽蚀管用于控制液氧流量，涡轮流量计用于测量试验过程中液氧的流量。液氧增压系统采用2路“孔板+电磁阀”智能控制增压方式，分别对增压气体流量进行80%、40%控制，可实现程序自动增压、稳压，增压气体流量最大可达1.5kg/s。汽蚀管、流量计、预冷阀入口设置温度和压力测点，用以换算液氧密度和判断系统管路预冷温度，汽蚀管前设置旁路阀门，以便于汽蚀管后系统的预冷。主要阀门采用可远程控制的气动阀门，并在主管路上设置应急阀，在试验发生故障时可紧急切断液氧供应，贮箱设置智能放气阀门和安全阀，以确保试验系统安全。

图2 液氧供应系统原理图

2.2 冷却液氢供应系统及低温氢气排放系统

冷却液氢供应系统如图3所示，可以满足20s～30s试车的需求，主要由液氢贮箱、液氢增压组件、放气系统、低温阀门、流量计、汽蚀管、过滤器及输送管路等组成。其主要元件参数如下：

冷却液氢供应系统的设计压力为17.6MPa。液氢贮箱的容积为1.5m3；容器外部设置液氮夹层，采用液氮对容器进行冷却，内部设置电容式液位计，可远距离测量贮箱内的液面高度并判断推进剂的体积，试车时增压气体气垫量和安全剩余量能够满足试验使用要求。主管道采用内径为DN50mm的不锈钢管路，采用外包扎多层堆积绝热法绝热；与发动机的对接管路采用内径为DN25mm的高压金属软管。加注过滤器的过滤精度为180µm，主管路过滤器的过滤精度为380µm。主输送管路安装汽蚀管和低温涡轮流量计，其中，汽蚀管用于控制推进剂的流量，涡轮流量计用于测量试验过程中推进剂的流量。液氢增压系统采用多路“孔板+电磁阀”智能控制增压方式，可实现程序自动增压，增压气体为氢气，流量最大可达0.5kg/s。汽蚀管、流量计入口处设置温度和压力测点。主要阀门采用可远程控制的气动阀门，并在主管路上设置应急阀，贮箱设置智能放气阀门和安全阀。放气系统采用“大放+小放”形式进行控制，大放用于低压下放气和试后处理；小放采用“气动阀+节流孔板”形式，用于试验程序结束后贮箱高压放气，以及试验准备过程中贮箱置换。液氢排空管采用DN200mm铝制排空管，H型结构，参照氢气排空标准设置，排空管有2套，1套用于液氢箱加注阶段液氢挥发后的氢气及增压氢气的排放，1套用于低温氢气的排空处理。

Application Research on Suction Bucket Foundation for Offshore Wind Power ZHANG Puyang,HUANG Xuanxu(1)

图3 液氢供应系统及低温氢气排放系统原理图

2.3 冷却水供应系统

冷却水供应系统主要由冷却水贮箱、转注系统、流量计、冷却水主阀、高压金属软管、节流孔板，以及输送管路等组成。其主要元件参数如下：

冷却水供应系统的设计压力为20MPa。冷却水贮箱为2个容量为200L的容器，贮箱安装液位计。转注罐容积为1m3。主输送管路上安装流量计，可准确测量试验过程中水路的流量值。加注过滤器和主管路过滤器的过滤精度均为180µm。节流孔板2个，用于控制冷却水流量。主管道采用内径为DN50mm的不锈钢管，与发动机对接管采用DN25mm金属软管。主要阀门采用可远程控制的气动阀门。

2.4 工艺辅助系统

工艺辅助系统主要由氮气吹除系统、操控气系统、气封系统，以及安全工艺系统等组成。其中，氮气吹除系统主要由氮气配气柜、减压器、过滤器、吹除电磁阀、单向阀，以及吹除管路等组成，氮气吹除系统管路及元件按照DN10mm PN10MPa设计，其系统及发动机吹除压力为2.5MPa，吹除压力可通过减压器调节。操控气系统主要用于试验台上阀门及发动机阀门的动作，其构成采用“氮气配气板+减压器+手动开关”的方式，操控气供气压力为5MPa和7MPa（发动机活门要求），因此，配置了2路操控气系统。气封系统均采用氮气，主要用于液氢排空管防止空气倒吸，其构成采用“氮气配气板+减压器+电磁阀”的方式。安全工艺系统主要包括氮气消防系统和消防水系统。其中，氮气消防系统主要包括氢排空汇总管氮消防、爆破膜氮消防和发动机氮消防等3个部分，其构成采用“氮气源＋电磁阀”的方式，消防管路采用DN10mm不锈钢管路；消防水系统主要包括试车间整体消防水系统和发动机消防水系统，主要由消防水容器、打压水泵、气动球阀和淋水喷头等组成。由于液氢介质泄漏危险性较大，因此，在试车间和液氢间附近安装了氢浓度报警传感器，用以判断液氢系统是否发生泄漏。

2.5 控制系统

控制系统主要由单元及程序控制系统、实时显示系统、活门记录系统和自动增压系统等组成。其中，单元控制系统主要实现对现场气动阀门的远程控制，其采用工控机和继电器模块进行时间和开停车程序控制；程序控制系统的时间精度优于10ms，对发动机的程序控制共有2路，对工艺系统的程序控制共有15路。实时显示系统对试验主要参数进行监控，便于远程分析现场参数。活门记录系统主要记录试验过程中阀门动作时序，程序综合测试后可通过其检查阀门动作时序是否满足预设要求。自动增压系统主要包括液氢贮箱自动增压系统、气氢缓冲气罐增压系统、液氧贮箱自动增压系统和冷却水贮箱增压系统等，主要用于实现试验过程中贮箱的增压、稳压。

3 关键试验工艺技术研究

某型氢氧发动机推力室身部液氢传热试验系统的推进剂介质采用高压挤压方式进行输送，其特点是推进剂流量较大、箱压要求较高。由于贮箱容积较小，加注量大，在程序启始阶段，贮箱气枕容积较小，增压后超压严重，且贮箱超压压力与安全阀起跳压力较为接近。为了降低增压阶段超压情况对安全阀的影响，液氢传热试验系统主要采用了如下关键技术措施：

（1）建立智能反馈放气系统

智能反馈放气系统如图4所示，主要用于小贮箱点火起始段大流量增压阶段超压情况下，贮箱小流量放气。试验考核结果表明，该系统安全可靠，可按照设定值准确、智能放气，控制精度可达±5%。

图4 智能反馈放气系统控制原理图

（2）放气工艺系统采用“大放+小放”形式进行设计。为了防止在智能放气阶段高压下氢气放气流速过快引起爆燃，放气工艺系统对于小放采用“孔板+放气阀”的形式控制放气流速。

（3）提高对液氢传热试验系统贮箱压力的采样频率，优化放气控制算法，控制放气压力精度；对增压控制算法进行优化，对高压、大流量下电磁阀的启闭时序进行优化，减小超压压力。

（4）考虑到超压影响，分别对增压孔板的精度进行优化，按照增压气量80%、40%的控制精度计算出增压孔板孔径，并取1.1倍安全余量。

（5）智能放气系统设置完毕后，在低压下，模拟智能放气程序，进行智能反馈放气测试，确定放气能力及系统特性。

（6）智能反馈放气系统对于所放氢气等气体，接入排空汇总管进行排出。

3.2 低温氢气排放技术

液氢传热试验一般采用高空排放、火炬燃烧、燃烧池处理等3种方式排放大流量低温气氢。本液氢传热试验系统拟采用高空排放方式，原因如下：发动机推力室身部出口处低温气氢温度约为120K，经过排放管后，温度上升，其密度在0.2kg/m3（120K、0.1MPa）和0.08kg/m3（300K、0.1MPa）之间，均小于空气密度1.16kg/m3，因此，可采用高空排放方式排放；由于排放流量大，火炬燃烧方式较难控制；受试验场地限制，建造燃烧池较为困难，成本较高，周期较长；试验单位的大流量低温氢气均采用高空排放方式，积累了一定的低温氢气排放经验。

为了确保大流量低温氢气排放的安全，需要设计合理的氢排空管，其设计的安全依据是排空管低温气氢出口速度和排放口的位置。根据低温氢气安全排放的要求，取氢气排放速度低于0.2Ma的标准来设计排空管系统。气氢在120K与300K下的音速分别是835m/s和1321m/s，故要求排空管出口的气氢流速分别不大于167m/s和264m/s。本液氢传热试验中冷却液氢的最大流量为1.5kg/s，对应的排放管出口总径分别为239mm和300mm，取最大要求值，其分管内径应不小于150mm（4个排放口）。鉴于4个排放口的流量可能不均，取1.2倍安全系数，故实际设计每个排放口的内径为180mm，可以满足安全排放的要求。常用的排空管规格为Φ250mm×10mm，排放口采用“H”型结构竖直放置，可满足安全排放要求。经过验算，采用Φ250mm×10mm的排空铝管，氢气排放口的最高排放速率为112.5m/s，且排空管系统排放口位置高于周边建筑物10m，满足安全排放要求。另外，在排放管底部设置氮气消防系统、氦灭火装置，用以在排空管着火情况下进行紧急处理。

3.3 试验工艺技术

氢氧发动机液氢传热试验的试验系统、工艺流程远比一般常规试验复杂，主要体现在如下方面：

试验前一天，需安装火药点火器，并进行发动机气密检查；试验当天，在液氢加注阶段，需将液氢汽蚀管温度预冷至50K以下；发动机液氧系统、液氢系统在试车前要求充分冷却；在发动机预冷时，多处要求氦气或氮气吹除，工艺系统需保证气体流量及压力；试验开车前，4个贮箱的预增压压力符合试验大纲要求，且压力稳定；试验紧急停车程序条件较多，如某次紧急停车的条件共有6条。

上述要求，使得试车台工艺系统及试验流程复杂。针对上述情况，采取了以下措施：

试验前一天，严格按照试验台操作规则安装火药点火器；安装完成后，对与发动机对接的工艺管路，按照氦检漏操作要求进行2MPa纯氦气密性检查。在液氢加注阶段，起始阶段进行小流量加注，3min后打开液氢预冷，对主管路进行预冷；5min后打开液氢主阀对、液氢汽蚀管，使发动机在低压、小流量液氢下进行预冷，待温度达到70K时进行液氢大流量加注；待加注量达到1m3时，进行小流量补加至1.2m3，此时，液氢汽蚀管前温度将达到45K左右。按照试车任务书的要求，做好试车的技术准备工作，确保各参试系统经过充分的调试验证，确保各系统性能稳定、工作可靠。详细编制试车当天的试验流程计划，仔细检查各工艺过程的实施情况，严格控制关键参数。制定试验工艺、测量、控制等工艺技术文件及操作规程，试验工艺过程操作、检查记录，对各阶段试验工艺严格把关。总结每次试验后的经验，完善工艺方法、管理过程方法，保证后续试验工艺过程准确与完善。

3.4 安全防护措施

针对预研型号试验任务中风险性大等问题，试验过程中的安全、质量控制尤为重要，试验台在安全方面，主要采取了以下措施：

制定详细的操作细则、安全规程、事故应急预案等，安排相关岗位人员进行培训、演练。对整体消防系统进行检查与调试，确保在事故发生时能够保证消防工作实施的可行性。对试验发动机及其周围测量、控制电缆进行防护，发动机安装挡火板，电缆采用石棉布进行包裹，并对试车间周围的易燃易爆物品进行清理。做好工艺系统的气密性检查，以及各贮箱的置换、取样化验工作，确保系统工作状态正常。试车当天，操作人员使用铜、铝或镀铜的工具；穿着阻燃、防静电工作服（或纯棉工作服）和防静电靴；禁止穿化纤或尼龙、毛皮等易产生静电的材料制成的服装。此外，进行低温介质加注的人员必须戴上防冻手套。增加试车间、液氢间的氢浓度报警传感器装置，以满足试验的报警要求。为预防氢排汇总管口出现着火情况，在汇总管底部增加氮气消防系统及氦气灭火系统。更换液氢贮箱爆破膜片，并在爆破膜片出口设置氮气消防系统。在试验准备、检查过程中，严格操作，认真完成试验记录检查表所需参数要求。成立紧急事故处理小组，落实处理流程与方式，确保试验过程中发生的事故能够快速、有效处置，避免造成严重后果。

4 结 论

按照本文方案所设计的氢氧发动机推力室身部液氢传热试验系统已成功完成多次试验。试验结果表明，该液氢传热试验系统的工艺系统、控制系统、工艺辅助系统安全、可靠。试验的圆满完成为某型号氢氧发动机研制工作的顺利进行奠定了基础。

1 郭霄峰. 液体火箭发动机试验[M]. 北京∶ 中国宇航出版社, 1990

2 李伟民. 液氧/煤油发动机试验系统[J]. 火箭推进, 2005, 31(6)∶ 54～60

3 李亚裕. 液体推进剂[M]. 北京∶ 中国宇航出版社, 2011

1009-8119（2015）07（1）-0056-04