管路系統環境試驗技術

衛 國，于韶明，蘆 田，胡彥平

（北京強度環境研究所，北京，100076）

管路系統環境試驗技術

衛 國，于韶明，蘆 田，胡彥平

（北京強度環境研究所，北京，100076）

航天器管路系統，其可靠性關系到整個型號的發射成敗，需要對管路系統進行充分的地面環境試驗考核。根據管路環境試驗的需求，通過管路的常溫振動環境試驗技術、高溫振動環境試驗技術、低溫振動環境試驗技術等對航天器各類管路進行充分的地面試驗。考核試驗中，管路的地面環境與在航天器上的工作環境基本一致。通過一系列管路地面試驗的考核，為檢查型號設計、工藝缺陷提供方法，保證型號成功發射。

管路；環境試驗；高溫振動；低溫振動

0 引 言

航天工程是人類探索未知宇宙的重要技術工程。依托航天工程，不僅對國家現代化建設起到巨大的帶動作用，同時也是和平安定的國際環境的重要保障。為盡可能提高型號成功率和可靠性，需要進行充分的地面試驗，將設計缺陷及薄弱環節提前暴露并解決。

作為航天器的“血管”，管路系統的可靠性關系著整個發射的成敗。而管路系統的環境試驗是型號地面試驗的重要部分，受到高度關注。

環境試驗主要包括：大氣環境（溫度、濕度、鹽霧、霉菌、沙塵、雨淋、太陽光照等）、振動環境（隨機、沖擊、共振等）、壓力環境（高壓、低壓、真空等）和其它環境（核福射、電磁干擾、噪聲、離心等）。而對航天器的管路系統可靠性產生影響的主要環境因素有溫度、內介質、壓力、振動等。[1,2]

管路系統地面環境試驗的關鍵是模擬航天工作時管路系統所處的環境，本文就3類主要的管路系統環境地面試驗技術進行介紹。

1 管路常溫振動環境試驗

中國目前在役的運載火箭，其推進劑主要為偏二甲肼/N2O4，推進劑管路對常溫、內壓、振動復合環境的地面試驗有較大的需求。比如目前可靠性要求最高的火箭，即載人航天的主力火箭CZ-2F的管路系統中各級噴前測壓管工作時，管路內有介質偏二甲肼/N2O4，內壓為11 MPa，處于振動應力環境中；上面級的輸送管、連通管等工作時管路內介質也為偏二甲肼/N2O4，管路處于內壓、振動復合環境中。

管路振動方程如式（1）所示：

式中 m為質量；c為阻尼；k為剛度；x為位移；p為振動力。

內介質會增加附加質量，引發液固耦合問題，管路的動力學特性會有顯著變化，因此地面試驗時要求盡量模擬管路的內介質、內壓、振動的復合環境效應。

由于偏二甲肼/N2O4都是劇毒液體，試驗室中嚴禁使用，只能采用密度相當的無毒模擬液代替，一般采用調制的尿素（密度 1.335 g/cm3）代替 N2O4（密度1.446 g/cm3），采用純凈水（密度1.0 g/cm3）代替偏二甲肼（密度0.793 g/cm3）。

目前液壓設備一般無法達到11 MPa高壓，試驗室采用氣液復合加載裝置進行液壓加載，如圖1所示。

試驗時，首先關上A2，打開A3，使用打壓機將模擬液加注到試驗管路中；然后關閉A3，打開A1、A2，就試驗產品進行加壓，達到目標壓力后，關閉A1，進行試驗。

管路的邊界包含接口、支架等復雜接觸，各處振動環境也不盡相同，地面振動試驗完全等效箭上環境比較困難。工程試驗中，考慮管路考核的關鍵位置、薄弱環節進行振動環境的包絡，對比管路的實際振動環境對管路的兩端、支架、綁扎點等進行模擬。

某型號管路系統試驗如圖2所示，管路內加注無毒模擬液，使用氣液復合加載裝置進行內壓加載，靠近發動機端施加振動條件，另外一端與地面固定，該管路有兩處綁扎點，考慮管路綁扎點的環境，將綁扎點與地面固定。

2 管路高溫振動環境試驗

航天器發動機工作時，推進劑燃燒會產生高溫，航天器不少管路系統處于高溫環境中，比如自生增壓管系、排焰管等。

材料的性能比如強度、剛度等都與溫度相關，熱環境下管路的動力學性能與常溫環境有顯著差異。因此只有在熱環境下進行管路的振動環境考核才是有效考核。在各個航天型號中，對熱振聯合試驗的需求十分旺盛，是目前研究的熱點。

對于管路熱環境的模擬，主要有內加熱、外加熱兩種方式。內加熱為管路內加注滿足溫度要求的氣體或液體；外加熱為采用加熱設備對管路外表面加熱。

在內加熱試驗系統中[3]，介質流量mq由流量調節閥開度（冷流試驗）或發動機喉部（點火實驗）節流控制。假設試驗系統管路內徑為d，工作介質密度ρ，則管路內工作介質流速v為

壓降LpΔ為

式中 L為管路長度。

由式（2）和式（3）可知，流量確定時，管路內徑d越大，流速越慢，壓降越大。管路內通加熱后的氣體，流量慢、壓降大；使得管路出入口溫差很大，因此管路內徑d小于30 mm時，一般不采用內加熱方式。

管路高溫環境振動試驗中有兩個難點：一是熱環境的模擬；二是振動環境的準確控制。

對于高溫管路振動試驗的控制方案，目前主要采用準閉環控制方式和非接觸控制方式[4～6]。準閉環控制方式操作簡單：可行性高，但是對于結構動力學特性與溫度相關性高的產品準確度差；非接觸控制方式控制（激光測振儀）基于多普勒效應進行加速度的測量并進行振動控制，較為準確，但是成本高、操作復雜、可行性差。工程試驗中應該根據實際情況，選擇合適的控制方案。

管路高溫環境振動試驗中夾具需要專門設計，確保高溫不會灼傷振動臺，也不會導致振動臺、功率放大器等因過熱而自我保護停機；同時作為振動夾具，需要滿足剛度、阻尼等要求確保振動的傳遞[7]。目前高溫環境下振動夾具主要分為2種：a）主動隔熱式，采用耐高溫材料（玻璃鋼、復合材料等）制造夾具，通過阻斷高溫傳導保護振動設備；b）被動隔熱式，采用其他降溫措施（水冷、風冷等）對夾具進行強制降溫來保護振動設備。

2.1 外加熱

外加熱方式是通過對管路外壁進行加熱來提供管路熱環境，熱源來自于管路外部。目前常用的有石英燈輻射、電熱絲纏繞等加熱方式模擬管路壁面溫度。同時管內充入固定壓力的氣體，以達到模擬內部壓力的目的。

外加熱方式的優點是易于實現，對于管徑的適應性較好；缺點是無法模擬某些管路內部高溫氣體的對流加熱工況，內部高溫氣體的對流加熱的管路熱源為內部氣流，同時受外表面輻射散熱的影響，內壁溫度高于外壁溫度，而外加熱方式管路外壁溫度高于內壁溫度。對于實際工況中熱源不是管路內氣體，而是周圍環境熱，外加熱方式的有效性會大大提高。

圖3為某型號發動機前封頭測壓管熱振聯合試驗。

試驗中由于管路很小（內徑約5 mm），只能采用外加熱方式，采用石英燈進行輻射加熱，管路內用高壓氮氣瓶進行加壓模擬管路內壓環境，確保管路內壓與實際工況相同。

該測壓管在試車試驗中，由于發動機參數的變化，發現其溫度達到了500 ℃左右，遠高于以往的測量數據，是型號成功發射的重大隱患。通過管路高溫振動復合環境試驗，對管路的環境適應性進行了充分考核，排除了發射安全隱患，確保型號的成功發射。

2.2 內加熱

管路的內加熱采用空氣加熱器和空氣壓縮機實現。空氣首先通過空氣壓縮機加壓，后進入空氣電加熱器加熱，最后高溫高壓氣流流經管路對其加熱。

內加熱方式的優點是管路內部是高溫氣體對流加熱，且可以控制氣體壓力，與真實情況相近；缺點是壓力范圍有限，對于壓力要求比較高的工況難以滿足，而且只適用于一定直徑范圍的管路，對于過粗或過細的管路均不適用。溫度受限于空氣加熱器的功率，目前內加熱方式管路內溫度最高只能達到800 ℃，對于更高溫度的熱環境只能采用其他方式。

另外由于采用內加熱方式使內部氣體產生對流以及溫度傳感器的誤差等因素的影響使得管路內部的氣體壓力不可能保持恒定值，需要通過壓力調節閥實時控制內部空氣壓力以達到試驗要求，壓力控制精度較低。

某型號一級排焰管高溫振動復合環境試驗如圖 4所示。

按照實際使用工況，試驗管路的溫度需要達到700 ℃高溫，同時進行內壓、振動復合環境考核。為確保管路內溫度達到700 ℃，盡量縮短加注管路長度，并對加注管路進行防散熱處理；管路通過轉接工裝與振動臺固支，轉接工裝實現管路復雜空間角度的安裝；采用準閉環控制方式進行振動控制。

3 管路低溫振動環境試驗

美國、法國等國家很早就開始重視推進劑的毒性與污染問題，限制甚至禁止使用偏二甲肼。采用新型燃料的大推力火箭發動機是目前火箭發展的趨勢。中國也開始對火箭的新型燃料進行研究與使用，液氧/煤油推進劑發動機已在 CZ-7上使用，液氧/液氫推進劑發動機已在CZ-5上使用。

由于新型燃料的使用，CZ-7/CZ-5的液氧輸送管路、氧預冷回流管路等均為低溫管路，使用工況為低溫、內壓、振動復合環境，對管路的設計、地面試驗的實施提出新的要求。

這類管路系統環境試驗的關鍵是管內低溫介質的模擬、壓力的加載、振動環境的模擬等。

由于液氧具有危險性，普通實驗室中嚴禁使用，試驗中采用密度、溫度相當的液氮代替液氧。液氮加注設備如圖5所示。液氮加注設備主要由液氮罐、加注管路、平衡罐、加壓氣瓶及配套閥門組成。試驗前，將試驗管路與整個系統連接；然后液氮罐通過液氮汽化自增壓向試驗系統內加注液氮，直至平衡罐內加滿為止；通過加壓氣瓶、自動閥門調節整個系統內的壓力，試驗管路系統內壓的模擬。試驗過程中，管路內液氮會因吸熱汽化，平衡罐內液氮由于重力作用補充到管路內，確保管路內介質始終為液氮，實現管路低溫內介質的模擬。

管路系統的低溫振動復合環境試驗是一個系統工程，不僅涉及到溫度的模擬，同時涉及壓力保持、振動加載等各個環節，同時因為低溫、壓力等環境的影響，對振動設備產生了許多新的影響。

由于液氮溫度為-193 ℃，低溫會灼傷振動設備，為防止低溫影響振動設備的使用，采用振動設備低溫防護系統[8]，通過隔熱裝置阻斷低溫的傳導，確保振動臺正常工作。對于直徑超過300 mm的管路，在增壓過程中，因壓力引起的內力直接作用到振動臺上，會嚴重損失振動臺的推力，采用管路內力平衡系統[9]，通過彈力繩平衡到管路內力，同時又不影響管路振動應力的加載，確保振動臺不因管路內力影響正常工作。管路增壓過程中，由于內壓增加，易產生“壓桿穩定問題”失穩破壞，采用管路試驗防失穩系統[10]，通過導向桿等裝置，確保增壓過程中管路不會失穩破壞。

4 結束語

管路問題受到各型號重視，管路系統的地面環境試驗對于管路的設計缺陷的暴露，可靠性的驗證具有重要意義，各個型號都加大了管路試驗的重視與投入。

管路系統環境試驗最關鍵的是地面環境與工作環境的等效。為了更準確地模擬管路系統工作環境，更有效的對管路系統進行考核，發展了各類管路系統環境試驗技術。

管路系統常溫振動環境試驗設計了一套氣液復合加載裝置，準確模擬管路內介質、內壓等參數；分析實際使用環境并考慮工程實現情況確定管路地面試驗最優邊界，包括管路各個端口及支架連接、綁扎點等，根據分析結果進行有效模擬。

管路系統高溫振動環境試驗中，通過對真實工況的研究，合理選擇內加熱、外加熱方式，同時合理選擇振動控制方法，設計加工有效的試驗夾具進行管路系統高溫振動環境試驗。

管路系統低溫振動環境試驗，通過液氮加載設備對試驗管路進行低溫加載，并通過振動設備的低溫防護系統確保振動臺能在管路產品進行低溫加注后正常工作；通過內力平衡技術、防失穩技術等的應用確保運載火箭的液氧輸送管、氧預冷回流管路等的順利完成。

[1] 邢天虎, 王涌泉, 雷平森, 等. 力學環境技術[M]. 西安: 西北工業大學出版社, 2003.

[2] 徐冠華. 動力學綜合環境試驗若干理論及技術問題的研究[D]. 杭州:浙江大學, 2014.

[3] 劉洌, 衛強, 方忠堅, 等. 小推力高室壓NTO/MMH火箭發動機實驗系統管路流阻特性實驗[J]. 航空動力學報, 2016, 31(3): 746-755.

[4] 董理, 王新. 管路系統熱-振聯合環境試驗技術研究[J]. 強度與環境,2014, 41(5): 56-60.

[5] 肖乃風, 劉永清. 熱振聯合試驗控制技術研究[J]. 強度與環境, 2012,39(2): 53-57.

[6] 張治君, 成竹, 王琦, 等. 熱振聯合環境試驗技術研究[J]. 實驗力學,2013, 28(4): 529-535.

[7] 于韶明, 衛國, 楊峰, 等. 振動試驗夾具設計與實踐[J]. 裝備環境工程,2014, 11(2): 81-86.

[8] 于韶明, 蘆田, 韓文龍, 等. 振動設備低溫防護系統: 中國, ZL 201420376988.7[P]. 2015-06-17.

[9] 蘆田, 衛國, 董理, 等. 一種管路內力平衡系統: 中國, ZL 201420401360.8[P]. 2014-12-10.

[10] 董理, 王新, 蘆田, 等. 一種管路試驗防失穩系統: 中國, ZL 201420400951.3[P]. 2014-12-10.

Environmental Testing Technology of Pipeline System

Wei Guo, Yu Shao-ming, Lu Tian, Hu Yan-ping
(Beijing Institute of Structure and Environment Engineering, Beijing, 100076）

It is important to carry out full ground environment tests for pipeline system. According to the tests’ requirement, the normal temperature vibration, thermal-vibration and cryogenic- vibration environment test technology are developed to achieve all kinds of pipeline tests. The environment of the pipeline’s ground test is basically the same as that of the spacecraft. Through the evaluation of a series of pipeline ground test, it exposes the design and process defects, and contributes to the successful launch.

Pipeline; Environmental test; Thermal-vibration; Cryogenic-vibration

V416.2

A

1004-7182(2017)05-0093-04

10.7654/j.issn.1004-7182.20170523

2017-02-07；

2017-05-01

衛 國（1965-），男，研究員，主要研究方向為環境工程