运载火箭末子级推进剂钝化技术综述

林连镔 吴小军 张娟 刘振东 古艳峰

（1 上海宇航系统工程研究所 2 上海卫星工程研究所）

运载火箭末子级推进剂钝化是指通过排空剩余推进剂，减小火箭末子级在轨解体的可能性。对运载火箭末子级推进剂进行钝化是减少空间碎片的重要措施。通过分析各种火箭末子级剩余推进剂排放方案的技术特点，总结提炼出剩余推进剂排放方案设计原则，能为后续新型运载火箭的研制提供技术参考。

1 引言

为了保护空间环境，减少或消除运载器和航天器运行期间产生的空间碎片，空间碎片协调委员会（IADC）于2002年4月发布《空间碎片减缓指南》（以下简称《指南》）。作为所有成员共同遵守的准则，《指南》中要求，需对运载火箭末子级推进剂进行钝化处理。因此，在运载火箭末子级将有效载荷送入预定轨道后，应对火箭末子级采取有效措施，防止其在轨运行阶段发生解体而产生空间碎片，以免对航天活动以及航天器在轨运行产生潜在的威胁。

2 剩余推进剂钝化技术原理

为防止火箭末子级在轨运行阶段因贮箱内剩余推进剂而发生爆炸解体，需对末子级贮箱内剩余推进剂进行在轨排放处理。典型剩余推进剂钝化原理为：在末子级将有效载荷送入预定轨道，且末子级和有效载荷分离达到一定安全距离后，控制系统打开末子级发动机主活门系统电爆管通电，并打开电爆阀门,气瓶中高压气体通过电爆阀门流入到末子级发动机主活门前（包括氧化剂主活门和燃料主活门）打开主活门,使贮箱中剩余的推进剂再次进入发动机燃烧,并产生推力,直至剩余推进剂耗尽。剩余推进剂在轨排放方案通常有末子级发动机工作排放和末子级发动机不工作排放两大类。

推进剂钝化系统典型原理图

3 末子级发动机工作排放

剩余推进剂末子级发动机工作排放根据发动机工作的情况一般分为额定工况排放和低工况燃烧排放两种方案。

额定工况排放

发动机额定工况排放是指发动机再次点火启动后处于额定工况，剩余推进剂在燃烧室燃烧耗尽，之后再保持推进剂阀门打开，使贮箱压力进一步降低到安全压力范围。

目前，采用末子级发动机额定工况排放剩余推进剂的火箭包括美国的“半人马座”（Centaur）火箭上面级。该火箭上面级在与卫星分离达到一定安全距离后，再次启动末子级发动机进行燃烧，并保持推进剂阀门打开1min，使贮箱压力降低到0.517MPa，气瓶压力基本降低到0。

额定工况排放模式使推进剂排放更彻底，但需要发动机能够在保证发射任务之外，增加一次（额定工况）点火，对发动机的要求较高。此外，额定工况方案中推进剂流量较大，较易出现一种推进剂先耗尽的情况。由于额定工况下涡轮泵正常工作，因此需要在一种推进剂先耗尽之前关机，否则容易产生涡轮泵气蚀破坏或者发生结构破坏等故障，故该方案对发动机的安全关机能力要求较高。

低工况燃烧排放

发动机低工况燃烧排放是指涡轮泵不工作或处于低工况工作状态下，使推进剂进入燃烧室点火燃烧排空。

目前，采用末子级发动机低工况燃烧排放剩余推进剂的典型火箭有日本H-1/H-2运载火箭末子级，以及我国长征二号D运载火箭二子级等。

H－1/H－2运载火箭末子级与卫星拉开安全距离后，其LE-5/LE-5A发动机再次点火，依靠剩余气体和箱内压力将推进剂挤入发动机燃烧室燃烧耗尽，在此期间，发动机涡轮泵不工作，剩余推进剂排空时间达到几百秒。

长征二号D运载火箭在发射太阳同步轨道（SSO）卫星时，其二子级处理系统实施剩余推进剂排放，并利用产生的推力离开卫星轨道。星箭分离后，火箭实施姿态调整和规避动作,在星、箭达到足够的安全距离时，二子级处理系统再次同时打开二子级主机的氧化剂主阀和燃料主阀，剩余推进剂再次进入推力室。由于是自燃推进剂，氧化剂和燃料相遇后会继续燃烧，但发动机的涡轮泵并不工作，推力室的燃烧压力要远低于发动机的正常工作状态。

低工况燃烧排放方案由于贮箱压力低，受推进剂流动限制，排放时间较长。推进剂仅在箱压作用下进入燃烧室燃烧，涡轮泵可能处于不工作或低工况工作状态。该状态下，推进剂流量小，推进剂消耗量也小，发动机排放时间长，发动机甚至可以不考虑安全关机问题，但需要考虑在一种推进剂先耗尽情况下，推力室混合比变化产生的燃烧不充分，或发动机结构失去推进剂冷却导致温度过高，继而发生破坏等工作安全性问题。

长征二号D运载火箭二子级推进剂钝化系统典型原理图

4 末子级发动机不工作排放

剩余推进剂末子级发动机不工作排放主要有燃烧室排放、发动机排空管排放以及专用排放管排放三种方案。

燃烧室排放

燃烧室排放是指剩余推进剂排放时按氧化剂、燃料两个路径进行，依次打开发动机启动阀和相关系统阀门，剩余推进剂在贮箱增压压力下，通过发动机燃烧室排出箭体外。

目前采用该方案的包括：美国土星－5（Saturn－5）运载火箭末子级以及我国长征六号运载火箭末子级等。

土星－5运载火箭末子级打开发动机泵前启动活门和其他相关活门，通过发动机的燃烧室将剩余推进剂排出箭体。

长征六号运载火箭末子级推进剂排放时，先进行氧化剂排放，然后进行燃料排放。氧化剂主阀打开后，依靠贮箱内增压气体，将氧化剂从发动机腔道内挤压排出。随后，关闭氧化剂主阀，打开燃料主阀，利用三级增压气瓶内气体，将燃料挤入发动机腔道，最终通过推力室排出。

燃烧室排放使推进剂不经燃烧直接排出箭体外，不需增加额外的排放结构，系统方案简单，不需要考虑推进剂燃烧混合比问题，系统安全性高。但该方案中，由于贮箱增压压力低，推进剂排放过程中流程远，流阻大，推进剂排放速度缓慢，因此，为了保证控制和监测效果，排放控制系统、排放测量系统需工作较长时间。

长征六号火箭末子级剩余推进剂排放系统

发动机排空管排放

发动机排空管排放是在发动机原有的推进剂泄出管路上增加排放管路和控制阀门，使其既可以利用发动机再次点火排空剩余推进剂，又可以直接进行剩余推进剂的排放，且两个系统相对独立。

目前，采用该方案的包括“阿金纳”（Agena）火箭上面级、我国长征五号运载火箭末子级以及长征七号运载火箭末子级等。

“阿金纳”火箭上面级排放系统[3]

“阿金纳”火箭上面级设置专门的发动机排放系统，箱内剩余推进剂可通过排放管路和阀门对空排放。

长征七号运载火箭末子级的液氧和煤油也通过发动机排放系统排出箭体外，且安排两次推进剂排放。第一次和第二次排放均先排放煤油、再排放液氧。煤油排放需打开燃料排放阀，实现其对空排放，液氧排放则通过打开发动机预冷回流阀进行换向，实现液氧的对空排放。

发动机排空管排放对卫星影响相对较小，且在轨排放系统和地面推进剂排放系统可共用一套排放通道，无需额外增加结构，但该方案排放速度慢、时间长，需控制系统、遥测系统等与之适应。

专用排放管排放

专用排放管排放是指在贮箱出口、发动机隔离阀（或发动机泵前阀）前的输送管路上，通过专用法兰连接氧化剂和燃料排放管路，同时在排放管路上分别设置控制推进剂排放用的阀门。专用排放管路系统包括测量推进剂排空液位的传感器，贮箱增压或补压系统，排放控制电路和测量电路等。

目前，采用该方案的包括“阿里安”（Ariane）运载火箭末子级、长征四号B/C运载火箭末子级等。

“阿里安”运载火箭末子级利用液氧/液氢沸点低、极易蒸发的特点，让剩余推进剂在贮箱里蒸发后经排气管排放，在排气系统阀门至液氧安全阀和液氢安全阀上各增加一路管道，管路上设置有小电爆装置，通过电爆装置的开关，使氧和氢分别通过增设的排放管路实现推进剂气化后排放。

长征四号B/C运载火箭末子级采用推进剂对空排放方案，火箭末子级设置有剩余推进剂排放系统，在增压输送系统的氧化剂主管路和燃料主管路上，增设一套专门用于排放的电爆活门和排放管，在任务结束后将贮箱内剩余推进剂和增压气瓶气体排出箭体。排放过程首先打开燃料排放电爆阀，排空箱内剩余燃料和增压气体；之后，同时打开氧化剂排放电爆阀、氧化剂增压压力继电器和电动气活门，将剩余氧化剂及增压气瓶内气体排空。

长征四号B/C火箭末子级剩余推进剂排放系统

专用排放管排放方案可达到通径大，阻力小，排放流畅，排放时间短的效果。但排放管路出口应设有减少排放对箭体干扰的措施，且增设的排放管路出口周围应无影响排放的设备。

5 推进剂钝化设计原则

运载火箭末子级剩余推进剂钝化技术类别、典型应用火箭及技术特点如下表所示。

火箭末子级剩余推进剂排放技术汇总

后续研制新型号火箭时，可根据运载火箭末子级采用的推进剂性质、发动机形式、总体布局方案等综合考虑从而选择排放方案，具体应遵循以下原则：

1) 排放系统的设计应满足火箭末子级总体布局要求，不能影响火箭正常完成主任务；应将排放系统对火箭主要指标的影响降至最小。

2) 排放措施不影响既定飞行任务的可靠性和安全性，或者经评估影响带来的风险可以接受。

3) 排放系统应简单可靠，尽量继承和应用经飞行试验考核的成熟产品和技术成果，新技术的应用必须确保可靠。

4) 若采用发动机燃烧室燃烧排放，应保证排放末期的安全性。

5) 剩余推进剂排放过程中的排放产物应不影响卫星的正常运行。

6) 排放方案设计应综合考虑空间碎片减缓的任务后处置要求，使剩余推进剂在排放过程中能合理利用。

7) 排放方案设计中应考虑对排放过程的监测和排放效果的评估。

6 结语

运载火箭末子级推进剂钝化是防止末子级发生在轨解体继而产生空间碎片的重要措施，也是运载火箭系统设计时需要考虑的重要问题。运载火箭末子级推进剂钝化方案具体选择和设计时需要综合考虑推进剂钝化方案对火箭的总体性能、可靠性、安全性以及技术可实现性等方面的影响，提出更加安全可靠的推进剂排放技术设计原则。