氫氧火箭發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺液氫供應(yīng)系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)研究

郭敬 鄭然 王海峰 孔凡超 胡旭坤 趙宏

摘 要：本文依據(jù)氫氧發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺液氫供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，在分析液氫供應(yīng)系統(tǒng)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，首次系統(tǒng)總結(jié)了液氫供應(yīng)系統(tǒng)可靠性分析和設(shè)計(jì)的步驟、設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)依據(jù)和設(shè)計(jì)重點(diǎn)問題，為進(jìn)行大推力氫氧發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和參考。

關(guān)鍵詞：氫氧火箭發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺；液氫；可靠性

1 概述

發(fā)展大推力重型運(yùn)載火箭是21世紀(jì)各個航天大國規(guī)劃的航天目標(biāo)之一。我國將大推力運(yùn)載火箭的研究重心確定為研發(fā)220噸級重型運(yùn)載火箭。其中大推力氫氧火箭發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)是實(shí)現(xiàn)這個研究目標(biāo)的關(guān)鍵。作為進(jìn)行氫氧火箭發(fā)動機(jī)試驗(yàn)的重要單位，我所已展開大流量低溫推進(jìn)劑，特別是大流量液氫供應(yīng)系統(tǒng)的研究工作。預(yù)計(jì)未來試驗(yàn)臺液氫流量將增大為現(xiàn)有試驗(yàn)臺的4倍。為保證系統(tǒng)的可靠性，必須對液氫供應(yīng)系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)過程進(jìn)行研究。本文研究液氫供應(yīng)系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)的重點(diǎn)問題，為未來試驗(yàn)臺液氫供應(yīng)系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)提供參考。

2 液氫供應(yīng)系統(tǒng)組成及特點(diǎn)

試驗(yàn)臺液氫供應(yīng)系統(tǒng)主要由液氫加注系統(tǒng)、液氫貯箱組、配氣板、主管道、閥門、流量計(jì)、過濾器、補(bǔ)償器、增壓調(diào)節(jié)裝置、排放系統(tǒng)及控制系統(tǒng)等組成。液氫供應(yīng)系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：①作為火箭發(fā)動機(jī)地面試驗(yàn)設(shè)備，發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺可多次重復(fù)使用，甚至可以經(jīng)過改造以滿足更高發(fā)動機(jī)型號的試驗(yàn)要求。因此，試驗(yàn)臺液氫供應(yīng)系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)壽命長、可維修性的特點(diǎn)。②由于液氫供應(yīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且大量設(shè)備均為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，使得系統(tǒng)的可靠性相對較低，對決定試驗(yàn)成功的功能件選用冗余的設(shè)計(jì)。③對于氫氧火箭發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺來說，試驗(yàn)只有成敗兩種結(jié)果，因此系統(tǒng)級的可靠性評估應(yīng)按成敗型評價方法，但對于分系統(tǒng)中的設(shè)備，仍然可以用指數(shù)壽命型、威布爾壽命型、壓力-強(qiáng)度型等評價方法。

3 液氫供應(yīng)系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)

3.1 可靠性設(shè)計(jì)步驟。液氫供應(yīng)系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)目標(biāo)就是以最低的壽命周期費(fèi)用使系統(tǒng)具有最佳的使用效能，可靠性設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)從系統(tǒng)研制初期就開始，貫穿于系統(tǒng)研制、使用的整個周期。

3.2 確定壽命剖面和任務(wù)剖面。液氫供應(yīng)系統(tǒng)的壽命剖面和任務(wù)剖面在進(jìn)行系統(tǒng)可靠性要求論證時就應(yīng)提出。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期，就應(yīng)當(dāng)精確和盡量完整的確定壽命、任務(wù)事件以及預(yù)期的使用環(huán)境。①壽命剖面。液氫供應(yīng)系統(tǒng)的壽命剖面為液氫供應(yīng)系統(tǒng)從調(diào)試成功并交付到壽命終結(jié)或退出使用這段時間內(nèi)所經(jīng)歷的全部事件和環(huán)境時序的描述，包括采購、運(yùn)輸、貯存、檢測、維修、試驗(yàn)、保養(yǎng)、報廢等全部事件。對發(fā)動機(jī)地面試驗(yàn)系統(tǒng)來說，試驗(yàn)期間的產(chǎn)品可靠性固然最重要，但是由于系統(tǒng)大部分時間處于非任務(wù)狀態(tài)（貯存、保養(yǎng)、檢測、維修），這期間的狀態(tài)直接影響著試驗(yàn)時系統(tǒng)的狀態(tài)，因此必須把非任務(wù)狀態(tài)下的特殊狀況也轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)要求。比如液氫供應(yīng)系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)束后，系統(tǒng)內(nèi)的貯箱組、管道等設(shè)備需要進(jìn)行正壓保護(hù)，溫度傳感器、壓力傳感器、流量計(jì)等相關(guān)測試元件必須定期進(jìn)行檢驗(yàn)校對以及過濾器定期檢查、清洗或更換等要求。②任務(wù)剖面。液氫供應(yīng)系統(tǒng)的任務(wù)剖面為系統(tǒng)在完成規(guī)定任務(wù)期間所經(jīng)歷的事件和環(huán)境的時序描述，分為單元測試、綜合測試、試驗(yàn)、試驗(yàn)后處理四個階段。由于在上述四個階段內(nèi)工作內(nèi)容不同，失效判據(jù)不同，系統(tǒng)的可靠性框圖也不同。需要確立的液氫供應(yīng)系統(tǒng)的任務(wù)剖面內(nèi)容包括系統(tǒng)的工作狀態(tài)、維修方案、根據(jù)不同試驗(yàn)任務(wù)確定的工藝系統(tǒng)功能、系統(tǒng)的工作時間與順序、系統(tǒng)功能指標(biāo)及失效判據(jù)、各個部件接口或邊界條件等。

3.3 可靠性指標(biāo)分配及模型建立。液氫供應(yīng)系統(tǒng)根據(jù)建臺任務(wù)書獲得自身的可靠性指標(biāo)之后，選用合適的分配方法將各階段的可靠性參數(shù)的目標(biāo)值分配給各個分系統(tǒng)。可靠性參數(shù)分配宜選擇10%的余量，應(yīng)掌握如下分配原則：

液氫主管道及其部件分配較高的可靠性指標(biāo)，增壓配氣系統(tǒng)分配較低的指標(biāo)；

液氫主管道、氣路系統(tǒng)上的應(yīng)急閥、斷流閥分配較高的可靠性；

真空絕熱管道的內(nèi)管上焊接有溫度補(bǔ)償器，其可靠性按內(nèi)管波紋管的可靠性選取。真空絕熱管道的內(nèi)、外管均焊接溫度補(bǔ)償器，內(nèi)、外管補(bǔ)償器按串聯(lián)進(jìn)行可靠性選取；

真空波紋管的可靠性按內(nèi)、外波紋管串聯(lián)模型進(jìn)行可靠性選取；

貯箱組頂部的放氣閥分配較高的可靠性；

增壓配氣系統(tǒng)中氣體管道、氣瓶可靠性一般選擇為100%；

氣體管道中的п形補(bǔ)償器壓縮安裝時等同于同參數(shù)的波紋管補(bǔ)償器可靠性；

控制氣減壓器、閥門分配較高的可靠性；

增壓氣體開關(guān)閥門分配較高的可靠性；

進(jìn)發(fā)動機(jī)的吹除氣過濾器比其它過濾器分配較高的可靠性。

液氫供應(yīng)系統(tǒng)常用的可靠性指標(biāo)分配方法為比例組合法和專家分配法。由于液氫供應(yīng)系統(tǒng)已在不同型號的試驗(yàn)臺獲得充足的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，因此在研制新的液氫供應(yīng)系統(tǒng)時，優(yōu)先采用比例組合法，可節(jié)省大量研究費(fèi)用。

液氫供應(yīng)系統(tǒng)的可靠性模型主要為串聯(lián)模型。但是對關(guān)鍵部件和功能采用并聯(lián)冗余設(shè)計(jì)，在繪制系統(tǒng)可靠性框圖時，須采用并聯(lián)模型。例如，液氫流量對發(fā)動機(jī)試驗(yàn)來說是最重要的參數(shù)，為了確保測量的可靠性，在主管路上采用兩個流量計(jì)串聯(lián)測量的方式。液氫貯箱組的增壓系統(tǒng)選用薄膜調(diào)節(jié)閥和孔板增壓并聯(lián)，試驗(yàn)過程中，若薄膜調(diào)節(jié)閥突然失靈，可采用孔板增壓方式繼續(xù)增壓。

3.4 可靠性預(yù)計(jì)。建立液氫可靠性模型之后，就可進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)。預(yù)計(jì)結(jié)果可以給出影響可靠性的因素，發(fā)現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)，以便對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)選和調(diào)整。在進(jìn)行液氫供應(yīng)系統(tǒng)可靠性預(yù)計(jì)時，考慮到系統(tǒng)的特點(diǎn)，新建系統(tǒng)往往具有較好的繼承性，一般應(yīng)根據(jù)已有試驗(yàn)臺的液氫供應(yīng)系統(tǒng)信息、試驗(yàn)信息以及國外相似工藝系統(tǒng)信息等進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)。

4 結(jié)論

本文總結(jié)了液氫供應(yīng)系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)的步驟、方案以及與其它航天產(chǎn)品在可靠性設(shè)計(jì)方面的異同點(diǎn)。該可靠性設(shè)計(jì)方法不僅是我所氫氧火箭發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，也結(jié)合了我所幾十年來在氫氧火箭發(fā)動機(jī)試驗(yàn)和系統(tǒng)改造方面的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，因此對大推力發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺液氫供應(yīng)系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]曾聲奎.可靠性設(shè)計(jì)與分析[M].國防工業(yè)出版社，2011.

[2]周正伐.航天可靠性工程[M].中國宇航出版社，2007.

[3]陳春富.大推力氫氧發(fā)動機(jī)試驗(yàn)推進(jìn)劑供應(yīng)技術(shù)研究[D].國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2007.