氢氧发动机多余物防控设计

庞红丽，康红雷

（北京航天动力研究所，北京，100076）

0 引 言

多余物是指产品中存在的由外部进入或内部产生的与产品规定状态不符的物质。在影响航天质量的众多因素中，多余物是在航天产品中造成重大质量事故的主要原因之一。

1990 年2 月22 日，阿里安火箭由于一块布留在D维金5 发动机管路内，导致火箭起飞后101 s 发生爆炸，直接导致发射的超鸟B（Superbird B）和BS-2X两颗卫星损毁。

1992 年3 月22 日，澳大利亚通讯卫星澳星B1 通信卫星（Aussat B1）助推器发动机中途熄火，程序配电器第4、5 触点间存在0.15 mg 多余铝屑物，产生的电弧接通了第Ⅰ、Ⅱ号助推器发动机氧化剂副系统断流阀门电爆管，发射失败。

在低温发动机系统中，特别是液氢液氧发动机，要特别注意防止水分、潮气等进入发动机内腔。

1991 年4 月18 日和1992 年8 月22 日，宇宙神I火箭两次发射商业卫星，火箭升空后分别于2755 s 和2895 s 失控，导致发射失败。经过分析研究，确认两次故障完全一致，RL-10 的1 台发动机单向阀在火箭发射前没有关闭，致使湿气进入液氢涡轮泵并结冰，空气中氮也被冷凝，从而使涡轮泵无法旋转，导致飞行失败，造成重大损失。宇宙神RL-10 发动机采用了重新设计的单向阀，加装电磁冗余密封阀，并在射前监测该阀开启，增加温度控制，从而防止空气及氮气进入发动机。

1994 年1 月24 日，阿里安火箭第63 次发射失败。遥测数据分析表明，发动机涡轮泵液态氧内的一个轴承冷却过迟是导致发射失败的原因。可能是因为氧气排放时渗入系统的潮气造成了冷块，这一障碍可能堵塞了通向轴承的氧气口滤清片，轴承环未能充分冷却，导致膨胀断裂。法国阿里安火箭公司决定对轴承冷却系统进行两项调整：a）故障轴承的洞口将配备排放系统，用氦清洗，以改善净化；b）轴承将加上二硫化钼自动润滑保护层。

2005 年2 月25 日，中国某氢氧发动机试车启动后未达到额定工况，发动机紧急关机。故障原因是发动机系统进入的潮气，在发动机预冷的低温条件下结成冰，使氧副控阀门的运动受阻滞。

多余物导致的航天质量问题，不胜枚举。随着航天产品高精尖的发展，多余物管控也日益加强，从产品设计、生产、试验、交付等各个环节对多余物进行预防和控制。设计是产品的源头，产品设计应将预防多余物及其损害作为设计准则之一。

1 氢氧发动机产品特点

氢氧发动机由推力室、涡轮泵、喷管、阀门等组成。被控阀门采用气动控制，通过电磁阀的通、断电，实现被控阀门的开、关。

发动机使用液氢、液氧低温高能推进剂，在推力室内燃烧产生高温高压燃气，将这些燃气通过喷管产生高速喷气流喷出，获得推力。

2 氢氧发动机多余物特点

发动机的多余物多种多样，有内部产生的，也有外来的。有的多余物对产品性能没有影响或没有大的影响，但有的多余物虽然很小，却会导致产品丧失功能，造成发射失败。

发动机外部多余物主要来自发动机对外接口，供给发动机的控制气体和吹除气体以及液氢液氧推进剂夹杂的多余物。

发动机内部多余物主要来自6 个方面：a）零部件加工、装配、焊接、测试等工序的切屑、毛刺、焊瘤、飞溅物、油污等，未能清除干净；b）发动机装配时多余物落入或遗留在内部；c）受生产工艺限制，不可避免产生的多余物，如电铸镍成型推力室外壁工序中残留的弱连接镍粉，在试车过程中因振动而脱落；d）发动机的运动部件发生摩擦产生的磨屑，这类多余物主要来自涡轮泵系统；e）点火器火药点火时产生的火药残渣；f）发动机内腔潮气及未置换干净的空气，对低温氢氧发动机而言，潮气及未置换干净的空气等也是多余物。如某低温发动机装配、测试过程中系统内进入潮气，在发动机预冷过程中的低温条件下凝结成冰，氧副控阀门的运动件被卡不能完全到位，致使燃气发生器混合比过低，涡轮功率不足，发动机参数未达预定值自动紧急关机。

氢氧发动机受多余物危害的组合件主要是推力室、涡轮泵和阀门。如果多余物堵塞推力室的冷却通道，会使得被堵塞的通道内冷却剂量不足甚至流动受阻，因此可造成内壁烧蚀，严重时能烧穿身部而漏火，发动机丧失功能；多余物堵塞喷注器，可能引起局部喷注单元的混合比发生变化，改变了混合比和流场分布，有时只造成局部烧蚀而对性能影响微弱，但如果造成严重烧蚀或影响到燃烧稳定性时，也会使发动机丧失功能。涡轮泵为高速旋转机械，如果进入金属多余物，会导致涡轮泵机械损伤，并造成发动机失效。有些阀门和涡轮泵的运动副的配合间隙很小，如果多余物卡在配合间隙内，会影响运动副的正常工作，如果多余物积留在密封面上，则会导致阀门和涡轮泵密封泄漏。多余物堵塞汽蚀管喉部或孔板则会导致系统失效。

本文主要从氢氧发动机整机层面对多余物防控进行设计。

3 氢氧发动机多余物防控设计

3.1 介质的精度要求

为了预防发动机对外接口带来的外来多余物，设计要求液氢、液氧推进剂输送管路上必须安装过滤器，过滤器精度一般要求液氢不大于40 μm，液氧不大于70 μm。

3.2 过滤器设置

为加强多余物控制，在发动机对多余物敏感相关部位设置过滤器，是设计上防控多余物的有效手段。

a）外部多余物防控。

发动机在飞行过程中，液氢、液氧推进剂内夹杂的多余物由火箭总体进行控制。在氢、氧泵前阀前设置过滤精度高的过滤器，会带来一定的流阻损失，贮箱压力则需进行相应提高，综合考虑，一般情况下，发动机泵前阀前不单独设置精度较高的过滤器，精度较高的过滤器一般设置在推进剂贮箱加注管路上。

发动机控制气和吹除气路过滤器一般设置在减压阀、电磁阀或单向阀前，防止多余物引起的阀门卡滞，导致减压阀出口压力异常、电磁阀卡滞导致被控阀不能正常工作、单向阀卡滞导致吹除功能失效，从而导致发动机不能正常工作。

b）内部多余物防控。

推力室、喷管延伸段多余物防控一般在氢进口和氧进口设置过滤器，避免多余物进入推力室氢、氧喷注器，引起推力室氢、氧喷嘴堵塞，严重时引起局部烧蚀。

涡轮泵多余物防控一般不在内部设置过滤器，而是在隔离用气、冷却用介质进入前的其它组件上设置。如在连接氦隔离腔的减压器前设置过滤器，轴承冷却路也会根据多余物的情况设置过滤器。

阀门多余物防控一般在阀芯前设置过滤器，防止阀门运动中卡滞。根据控制电磁阀工作原理，在其入口、出口均需设置过滤器。

发动机调节元件多余物防控一般在调节元件的上游。为控制发动机各系统的推进剂流量，发动机设置了调节元件，有的调节元件孔径很小，孔径细小处应严格控制多余物，以防多余物堵塞孔径，推进剂流量控制不准，导致发动机性能偏差或工作异常。

3.3 发动机“潮气及未置换干净的空气”的防控设计

氢氧发动机内腔的潮气及未置换干净的空气在液氢液氧温度下，会凝结成冰，形成“冰堵”。

3.3.1 阀门盒的设计

发动机电磁阀上设有排气孔，在电磁阀不通电的情况下，排气孔与被控阀门控制腔相通。当液氢液氧推进剂进入发动机后，被控阀门温度降低，会使被控阀控制腔的空气冷凝结冰，从而导致阀门功能丧失。

为防止控制腔内空气冷凝成冰，设计从源头上进行了防控，设计了专门的阀门盒，将控制电磁阀放置在阀门盒内，在发动机工作过程中，阀门盒中处于氦气保护状态，使进入控制腔的气体为氦气，而氦气在氢氧温度下，不会固化，从而有效防止冰堵现象。

3.3.2 发动机吹除系统的设计

为预防和控制此种类型的多余物，发动机在低温液氢、液氧进入发动机前，设计了一套吹除系统，将发动机内的空气通过吹除的方式，置换成在液氢液氧下不固化的气体，一般氢路用氦气置换，氧路用氦气或氮气置换，置换完成后保证发动机内腔无潮气、空气。

氢氧发动机吹除系统由地面吹除和箭上吹除两部分组成。

a）地面吹除系统。

由地面供气系统提供低压氦气或氮气/加温氮气，在液氢液氧进入发动机前，对发动机内腔进行预冷前吹除置换；在氢氧推进剂加注过程中，液氢液氧温度通过结构传热，发动机结构温度降低，为“防止冷抽吸”，形成固态空气，对发动机进行吹除防护。

发动机热试车结束后，液氢液氧的燃烧产物水蒸汽存在于发动机内部，且发动机部分管路处于低温状态，可通过吹除排出水蒸汽、火药残渣并对发动机进行回温，防止蒸汽停留在发动机内腔及冷抽吸。

b）箭上吹除系统。

箭上吹除系统给发动机推力室和燃气发生器氧头腔供高压吹除氦气，发动机起动和关机时工作，起动时进一步局部置换，关机时吹除掉燃烧产物和火药残渣。

3.3.3 发动机整体真空干燥

氢氧发动机试车后，存留于发动机内腔的水分必须及时彻底清除，仅靠试车后吹除是无法完全去除发动机内腔的水介质，因此应对发动机进行干燥处理。

正常情况下，发动机整体真空干燥处理工序应在试车返厂后48 h 内开始进行。

a）整体真空干燥的工艺参数要求。

干燥温度的选取：烘干温度主要是依据发动机各非金属材料的零部组件的耐受温度确定，一般不应高于各种材质耐受温度的最小值；另外，干燥温度还应考虑设备的恒温保持能力。

真空度的选取：选择真空度参数时，需考虑以下因素：1）保证发动机内不能存在液态水，即真空度要低于干燥温度下水的饱和蒸汽压；2）蒸发的水汽不会重新凝结成水；3）真空度应在设备允许的情况下全程保持稳定。

干燥时间：干燥时间应根据预估的试车后发动机内腔内含水量来确定，可通过大量的产品干燥比对试验来确定。

b）真空干燥过程。

发动机真空干燥处理前，对发动机各对外接口进行多余物清理，再将发动机上的各对外接口敞开通大气。

将发动机送入真空干燥箱中，检查真空计显示值是否在规定范围内，设定时间与温度。抽真空至规定值后，关闭抽真空程序，烘干箱开始加热，抽真空及加热程序也可同时进行，到规定温度值后，系统开始计时，至规定时间后烘干程序结束。向干燥箱内充入高纯氮气或压缩空气，混合停留一段时间后，再次进行发动机规定时间的真空干燥。

干燥出箱后，及时封堵发动机各出口，保证发动机内腔的干燥环境与外界隔离，防止大气中的水汽重新凝结。

3.3.4 发动机内腔环境监测设计。

在发动机停放和存储期间，发动机内腔环境应干燥，无潮气。为此在发动机推力室出口、涡轮排气口等对外接口处设计了带变色硅胶（又称“防潮砂”）的保护盖。

变色硅胶对空气中的水蒸气具有极强的吸附作用，能通过所含的氯化钴结晶水变化数量而显示不同的颜色，即由吸潮前的蓝色随吸潮量的增加而逐渐转变成浅红色、白色。

通过定期检查发动机对外接口处变色硅胶的颜色变化，即可检测发动机内腔环境，变色硅胶变色即立刻更换，使其具有持续的吸潮能力。

4 结束语

多余物种类繁多，形式多样，层出不穷。理论上来说，多余物是绝对存在的，不存在则是相对的。多余物的防控需要在产品全寿命周期过程中全程预防和控制。对于氢氧低温发动机，介质的精度要求、过滤器设置均是预防多余物的防护设计，还应充分考虑对空气和潮气带来的多余物的防控。