低温加注阀关闭状态确认试验研究

吴 姮 孙善秀 赵春宇 吴俊峰 刘文川

（1 北京宇航系统工程研究所 北京 100076）

（2 深低温技术研究北京市重点实验室 北京 100076）

1 引 言

加注阀在运载火箭上是实现推进剂加注的重要结构产品,其功能是将地面贮存的推进剂按需要输送至运载火箭贮箱中。其按照流道型式分为直通式和直角式;按打开方式可分为机械顶开式和气动打开式;按开关状态信号反馈可分为无信号反馈式和有信号反馈式[1]。由于无信号反馈式机械顶开加注阀结构较为简单、可靠性高,因此在中国新一代低温运载火箭广泛采用。该加注阀通过地面连接器顶杆顶开阀门进行贮箱推进剂加注,加注完成后地面连接器顶杆退回,加注阀在推进剂液柱压力及阀门弹簧力作用下实现关闭,且其自身不具备反馈阀门启闭状态的功能。地面连接器顶杆退回后连接器与地面加注管路形成密闭通道,与加注阀断开连通,连接器上设置的两个位置信号器只能判断连接器顶杆是否退回,无法准确判断箭上加注阀门是否正常关闭。同时低温运载火箭由于采用易相变消耗的低温推进剂,因此往往将推进剂加注操作置于火箭发射日,且尽量临近发射时刻[2]。火箭发射日低温推进剂加注主要完成的工作包括置换、预冷、大流量加注、自动补加、射前补加、排空加注管路、连接器脱落[3],且连接器脱落一般发生在射前-2 min,故加注连接器脱落后,一旦出现加注阀卡滞未正常关闭故障,只能终止发射,待推进剂完全泄出后对连接器进行手动除霜、更换密封垫后再次对接,且排空后的液氧加注管若已破空还需重新置换,再次进入低温加注程序组织发射,上述工作历时较长,将导致火箭推迟发射,影响任务窗口。因此对加注阀关闭状态的确认直接影响任务的正常发射。

为解决某型号液氧顶开式加注阀关闭状态的确认,提高发射可靠性,拟对该顶开式加注阀进行改进,通过在阀门壳体入口端增加压力传感器,监测加注阀入口与加注连接器间小容腔压力对阀门是否可靠关闭进行判断。本研究建立了加注阀启闭状态确认试验系统,通过试验验证采用传感器监测容腔压力实现对加注阀是否泄漏判断的可行性,为后续加注阀改进提供支撑。

2 加注阀工作原理

低温加注阀为顶开式单向阀,加注阀的出口与箭上贮箱连接,入口与地面连接器连接,加注阀关闭时阀芯与阀座形成密封,在加注阀与地面连接器间形成一小容腔,该容腔内推进剂通过连接器顶杆中心的小孔自动泄出（见图1 中箭头所示）。在加注阶段,地面连接器顶杆顶开阀门进行推进剂加注,加注完成后地面连接器顶杆退回,加注阀在液柱压力及阀门弹簧力作用下实现关闭,关闭到位后地面加注管路排空后加注连接器脱落,火箭起飞。由于加注阀关闭在临射前-4 min 左右,一旦加注阀未关闭或者关闭不到位可能通过加注阀顶杆中心的小孔来不及泄出,导致入口压力升高,因此提出在加注阀壳体入口侧增加压力传感器,通过压力传感器监测该容腔压力变化对加注阀关闭状态进行确认。加注阀与连接器示意图见图1。

图1 加注阀与连接器对接示意图Fig.1 Schematic diagram of docking between filling valve and connector

3 试验系统

为开展低温加注阀启闭状态确认原理性试验,搭建了试验系统,试验系统原理图及现场图如图2 所示。系统由40 m3液氮贮罐、加注阀、液氮管路、低温手阀、压力传感器和孔板等组成。加注阀出口通过加注管路与液氮贮罐连通,加注阀入口采用堵盖模拟加注连接器,堵盖上设置3 路通路。一路由手阀及孔板组成的排放路,用于模拟连接器顶杆退回加注阀关闭后通过连接器中心小孔泄出入口腔大部分推进剂;一路由手阀和加注管路组成的加注路,用于模拟加注阀打开时推进剂对入口的预冷及充填;一路由手阀、换热器及流量计组成的放气路,用于入口的预冷放气及泄漏量加温汽化。系统中设置了3 个流量计,流量计1 用于测量总流量,流量计3 用于测量预冷排放路流量,两者的差值即为泄漏流量,同时泄漏量加温成常温后也可以通过流量计2 测量。

图2 低温加注阀启闭状态试验系统图Fig.2 Schematic diagram of test system

本试验中,进行加注阀泄漏试验时在加注阀阀座上预置泄漏通道,手阀0 开启液氮进入A 腔（保持A腔压力恒定）后通过泄漏通道进入B 腔,引起B 腔压力升高,B 腔压力仅通过孔板排放路进行泄压（模拟连接器中心小孔泄压）,试验过程中监测B 腔压力及泄漏量。然后拆除加注阀入口堵盖及管路,使B 腔处于大气环境（模拟加注连接器脱落）,通过试验确认加注阀存在泄漏通道时在连接器脱落前后泄漏量的变化,从而实现火箭发射前通过监测加注阀入口的压力（B 腔）对连接器脱落后阀门泄漏量进行判断,为正常发射提供参考。

4 试验内容

本试验主要研究通过监测加注阀入口的压力实现对加注阀关闭后是否泄漏进行评判,同时获得该压力与连接器脱落后加注阀泄漏量之间的关系,从而在连接器脱落前提前发现问题确保可靠发射,试验结果为箭上加注阀改进提供支撑。试验前加注阀预制泄漏通道,试验时保证出口压力（A 腔）与发射前贮箱压力一致,入口仅保留排放路手阀全开,通过3 mm孔板模拟加注连接器顶杆中心通径3 mm 孔的对外排气,通过监测B 腔压力确认一旦泄漏该压力可测;同时拆除加注阀入口堵盖模拟连接器脱落,研究此时泄漏量变化情况,获得连接器脱落后泄漏量为飞行提供依据。为达到上述试验,开展了如下工况的试验,表1 为试验参数。

表1 试验参数表Table 1 Test parameters table

（1）阀门无泄漏时B 腔压力经过连接器顶杆中心孔排放情况;

（2）阀门预制小泄漏通道,排放路和放气路手阀均关闭,获取预冷路流量;

（3）预制小泄漏通道后B 腔压力情况及模拟连接器脱落前后泄漏量变化,获得B 腔压力与连接器脱落后泄漏量对应关系。

5 试验结果与分析

5.1 阀门无泄漏时试验结果

加注阀关闭未开始射前增压时,加注阀B 腔仅为关闭前射前液柱压力0.025 MPa。本测试工况实际测试时将B 腔压力增至射前压力0.32 MPa 后进行排放,各孔板排放情况见图3 和图4。从排放结果可以看出,加注阀若无泄漏,加注阀B 腔仅为射前液柱压力0.025 MPa 时,若存在3 mm 或2 mm 孔很快能将B 腔内压力泄出。具体试验结果如下:

图3 3 mm 孔板排放时压力变化情况Fig.3 Pressure of cavity during discharge of 3 mm orifice

图4 2 mm 孔板排放时压力变化情况Fig.4 Pressure of cavity during discharge of 2 mm orifice

（1）3 mm 孔板排放时,B 腔压力（Pq）从0.32 MPa（47.2 s）排放至0.003 MPa（73.1 s）约26 s,B 腔压力从0.025 MPa（56.1 s）排放至0.003 MPa 约17 s;

（2）2 mm 孔板排放时,B 腔压力（Pq）从0.32 MPa（56.5 s）排放至0.003 MPa（190.5 s）约134 s,B腔压力从0.025 MPa（87.1 s）排放至0.003 MPa 约103.4 s。

5.2 预冷流量情况

加注阀预制小泄漏通道,加注阀出口（A 腔P1）压力0.33 MPa 时,保持预冷路手阀K4 全开,手阀1—3 关闭,通过预冷路流量计测量预冷路流量,见图5。从曲线来看,由于排气口和孔板排放口手阀均处于关闭状态且加注阀存在泄漏,故A 腔（P1）和B腔（P2）压力基本一致。当压力为0.33 MPa 时,从A腔预冷口流出的液氮流量（Q1）约为80 g/s。

图5 给定出口压力下预冷路流量曲线Fig.5 Flow curve of precooling under given outlet pressure

5.3 阀门泄漏时试验结果

5.3.1 加注阀与连接器间容腔压力

加注阀预制小泄漏通道,采用3 mm 孔板模拟加注连接器顶杆中心3 mm 孔进行排放试验,试验进行了2 次,2 次试验加注阀P1和P2压力的情况见图6。从曲线来看,两次试验压力重复性较好,当加注阀出口P1压力（A 腔）为0.33 MPa 时,第一次试验加注阀入口P2-1压力（B 腔）约为0.19 MPa,第二次加注阀入口P2-2压力（B 腔）约为0.18 MPa。

图6 3 mm 孔板排放时A 腔和B 腔压力曲线(第一次和第二次)Fig.6 Pressure curves of cavity A and cavity B during discharge of 3 mm orifice

5.3.2 加注阀与连接器对接时低温泄漏量

图7 为加注阀泄漏试验中A 腔（P1）和B 腔压力（P2）及主路流量计1（Q1）的曲线。从图中可以看出,当A 腔压力约为0.33 MPa 时,B 腔压力约为0.18 MPa,总的流量Q1约为111 g/s。根据预冷路流量计测量的预冷路流量约为80 g/s（A 腔压力为0.33 MPa,K4 手阀全开）,从而计算出连接器对接时通过加注阀的低温泄漏量为31 g/s。

图7 压力和流量曲线Fig.7 Pressure and flux curves

5.3.3 连接器脱落后加注阀泄漏量

拆除加注阀入口堵盖模拟射前-2 min 连接器脱落,此时加注阀入口压力（B 腔）P2处于大气压,整个试验中K4 状态不动,从流量计1 监测的流量变化曲线见图8。从曲线上可以看出,加注阀预制小泄漏通道不变,当加注阀出口压力（A 腔）P1为0.33 MPa,加注阀入口压力（B 腔）P2为大气压时,流量计1监测的流量（Q1）约为120 g/s,说明此时泄漏量为120 g/s。

图8 P2 处于大气压状态下流量计1 监测的流量情况Fig.8 Flux curve under atmospheric pressure

5.4 数值仿真计算结果

采用AMEsim 软件建立仿真计算模型,用孔板模拟加注阀预制泄漏孔,试验中加注阀出入口管路进行绝热,预冷后加注阀壳体表面已结厚厚的霜进一步对加注阀进行绝热且试验时间较短,因此仿真计算未考虑加注阀与外界换热的影响,加注阀出口压力P1为0.32 MPa,加注阀与连接器对接后形成的容腔压力P2为0.18 MPa,由仿真计算出来的泄漏量为82 g/s;加注阀入口堵盖拆除后P2为0 表压,由仿真计算的泄漏量为120 g/s,计算曲线见图9,仿真计算结果与试验测量的80 g/s 和120 g/s 基本一致。

图9 仿真计算结果Fig.9 Results of numerical simulation

图10 给出了加注阀出口压力P1为0.32 MPa下,不同加注阀泄漏面积下,加注阀入口安装堵盖（模拟加注阀关闭后对接连接状态）和加注阀入口拆除堵盖（模拟加注阀关闭后连接器脱落状态）两种情况的加注阀低温泄漏量,图11 给出了不同加注阀泄漏面积下B 腔压力和拆除堵盖后泄漏量对应关系。从泄漏量计算曲线可以看出,随着加注阀泄漏面积的增大,加注阀在两种状态下的低温泄漏量差值逐步增大,泄漏面积9 mm2时,加注阀入口安装堵盖时泄漏量为89 g/s,而拆除堵盖泄漏量为144.2 g/s,相差62%。

图10 不同加注阀泄漏面积下加注阀入口安装堵盖和拆除堵盖泄漏量对比曲线Fig.10 Comparison curves of leakage amount of valve inlet with plug installed and removed under different leakage surfaces

图11 不同加注阀泄漏面积下加注阀B 腔压力与拆除堵盖泄漏量关系曲线Fig.11 Pressure of cavity B with play removed and leakage under different leakage surfaces

6 结 论

通过开展加注阀启闭状态试验,研究了加注阀未泄漏和泄漏两种状态下加注阀与连接器形成的容腔

内压力的变化以及连接器脱落前后加注阀泄漏量的变化,为加注阀改进提供技术支撑,主要结论如下:

（1）加注阀未泄漏时,采用3 mm 孔板模拟加注连接器顶杆中心孔泄漏,加注阀与连接器形成的容腔（B 腔）压力从0.025 MPa 经过17 s 压力降至0.003 MPa;而加注阀低温泄漏量为80 g/s 时（5.99 L/min）,加注阀与连接器形成的容腔（B 腔）压力维持在0.18 MPa,说明在加注阀入口安装压力传感器监测加注阀泄漏情况是可行的。

（2）加注阀存在泄漏通道时,入口对接连接器工况试验获得流量为31 g/s,连接器拆除后的工况由于备压降低试验获得流量为120 g/s,泄漏量明显增大。

（3）数值仿真结果与试验结果一致性较好,且由数值模拟计算的结果可以得到:随着加注阀泄漏面积不断增大,加注阀与连接器对接状态和连接器脱落两种状态下泄漏量差别越大,加注阀泄漏面积9 mm2时,泄漏量相差62%,说明加注阀泄漏通道相同时评估泄漏量能否对发射任务有影响应以连接器脱落后泄漏量为准。