管路振動試驗的低溫防護

于韶明，蘆 田，韓文龍，衛 國，胡彥平

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管路振動試驗的低溫防護

于韶明，蘆 田，韓文龍，衛 國，胡彥平

（北京強度環境研究所，北京，100076）

長征7號、長征5號運載火箭采用煤油/液氧、液氫/液氧等清潔能源作為推進劑，在環境保護、推力水平等方面得到長足的進步，對新型燃料火箭的發展提出了低溫管路振動試驗的需求。為了液氧/液氫溫區管路振動試驗的實現，需要對振動設備進行低溫防護。從隔熱裝置、連接裝置、防護裝置3個方面對常溫振動設備進行改進，滿足管路低溫振動試驗的要求。采用低溫防護措施后，完成了上百根低溫管路的振動試驗，為型號研制做出巨大貢獻。振動系統的低溫防護方法的成功經驗可以為其它型號試驗提供參考。

管路；振動試驗；低溫防護

0 引 言

隨著中國載人航天的事業的發展，以及空間站的建立，大推力、大運載火箭需求越來越迫切[1,2]。目前現有的長征系列運載火箭是在戰略武器的基礎上演變延用而來的，其推進劑（偏二甲肼/四氧化二氮）存在毒性大、污染嚴重、價格高、性能差等不足。美國、法國、蘇聯等航天大國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。因此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[3]。中國也開始對火箭的新型燃料進行研究與使用，液氧/煤油推進劑發動機將在長征7號（CZ-7）上使用，液氧/液氫推進劑發動機將在長征5號（CZ-5）上使用。新型推進劑相比傳統推進劑在環境保護、經費控制等方面有明顯優勢，但是新型燃料的采用也為設計、試驗帶來新的要求。液氧/液氫溫度均很低，設計、試驗需要在低溫環境下進行，特別是低溫試驗，沒有經驗可以借鑒。

新型燃料火箭的研制過程中，燃料、氧化劑等的管路關系火箭發射的成敗，為了確保火箭發射的成功，管路的環境試驗必不可少。管路的環境試驗，需要盡量模擬管路的真實環境，即管路通入與真實介質類似的低溫介質，同時保持工作狀態時的壓力。由于液氫/液氧溫度很低，分別為20 K（-253 ℃）和80 K （-193 ℃）左右，這對管路的低溫振動提出了新的要求。原有火箭的推進劑為偏二甲肼/四氧化二氮，雖然劇毒，但是均為常溫介質，管路試驗均為常溫試驗。對于低溫管路的振動試驗，中國還沒有經驗，試驗難度很大，為了保證試驗的順利進行，北京強度環境研究所通過攻關，掌握了低溫管路振動試驗技術[4~6]。由于振動臺不能在特別低的工況下工作，為了確保管路低溫振動試驗的順利進行，需要在振動試驗的低溫防護方面進行一系列的研究。

1 振動試驗的低溫防護裝置

針對現有振動設備只能在常溫工況下正常工作，而管路需要通入低溫介質（達20 K）的實際情況，從低溫傳導的阻隔、連接裝置的低溫適應性、低溫介質泄露的防護3個方向進行研究。通過對現有振動系統進行改進，升級為振動試驗低溫防護系統，確保管路在通入低溫介質的情況下，振動臺動圈仍能維持在正常工作的溫區內；同時對試驗過程中管路低溫介質泄露進行了防護，避免試驗產品損壞而灼傷振動臺，造成損失。

振動試驗低溫防護系統示意如圖1所示，振動臺動圈連接柱與轉接工裝之間放置隔熱裝置，連接裝置將轉接工裝、隔熱裝置固定于振動臺上。

圖1 低溫防護系統

1.1 隔熱裝置

為防止產品低溫傳導到振動臺上，在振動臺與產品之間安裝隔熱裝置，阻隔低溫的傳導。隔熱裝置需要能夠防止試驗產品低溫灼傷振動臺，同時作為振動工裝，需要滿足剛度、阻尼等要求確保振動的傳 遞[7~10]。隔熱裝置需要選取熱傳導率低、剛度高的材料，既保證振動設備能量的傳遞，又能阻斷管路低溫向振動臺動圈傳遞，從力學性能、熱性能等方面綜合考量，選取了工程中常見的材料進行進一步的研究對比，材料參數如表1所示。

由表1可知，剛性隔熱瓦熱性能良好，熱導率達0.05 W/(m·K)，但是強度太低，彈性模量僅有0.04 GPa左右，振動傳遞性能難以滿足要求；不銹鋼強度足夠，但是熱導率高達14 W/(m·K)，不能有效阻隔熱量傳遞；石英/酚醛短纖維材料在熱傳導率與剛度等方面性能適中，從數據上看是良好的振動設備隔熱裝置材料。

表1 備選材料性能參數

Tab.1 Parameters of Alternative Materials

材料參數石英/酚醛短纖維剛性隔熱瓦不銹鋼 密度/(g·cm-3)1.64～1.650.33±0.037.9 強度/MPa40.9～55.51.7~2.2520 模量/GPa12.4～24.90.03~0.05206 斷裂伸長率58%～86%—— 彎曲強度/MPa55.7～182—— 彎曲模量/GPa7.24～13.4—— 熱導率（150℃）W/(m·k)0.51～0.550.0514 比熱容kg/(kg·K)1.14～1.211.25～1.260.51 線膨脹系數/K6.59×10-6～8.27×10-6（150℃）1.64×10-6（100℃）17×10-6（100℃）

對石英/酚醛短纖維材料的隔熱裝置隔熱效果進行簡單計算，分析驗證石英/酚醛短纖維材料的隔熱裝置能否滿足低溫振動的要求。考慮到與振動臺連接的是圖1中冷源為試驗件，因此只需計算轉接工裝的溫度能否滿足要求。

試驗中，管路試驗件通過法蘭與隔熱板相連，法蘭是振動臺的直接冷源，法蘭如圖2所示。

圖2 管路轉接法蘭

熱的傳導主要有3種方式：熱輻射，熱對流，熱傳導[11]。

熱輻射功率見式（1），由于管路法蘭與轉接工裝之間有隔熱裝置，熱輻射無法直接作用，可以忽略。

熱對流方程見式（2）[12]，由于整個試驗系統暴露于廠房之中，空間足夠大，空氣對流迅速，因此熱對流影響不大，可以忽略。

熱傳導方程見式（3）[13]，邊界條件是法蘭（見圖2）內液氮為冷源，為了簡化計算、偏安全考慮，將法蘭作為冷源邊界。

從式（3）可以推導出熱傳導的功率方程（4）為

對于采用的隔熱裝置：

出于安全考慮，假設熱傳導的熱量全部作用于轉接工裝上，使得轉接工裝溫度變化。對于轉接工裝，吸收的熱量導致溫度升高，見式（5）：

式（5）與式（6）聯立，得：

式（7）為轉接工裝在采用隔熱裝置后，產品充滿液氮時變溫速率，降溫速率為3.5 K/h，石英/酚醛短纖維材料的隔熱裝置能夠滿足工程試驗要求。

1.2 連接裝置

振動臺動圈連接柱與轉接工裝之間通過連接裝置連接。連接裝置需要在低溫（最低達20 K）工況下保持高強度，具有較強的低溫適應性，同時熱導率盡量低；連接后，保證振動臺的能量通過隔熱裝置能夠傳導到轉接工裝上，同時盡量防止產品上的低溫傳導到振動臺上。金屬材料低溫環境下強度（彈性模量、屈服應力等）增強，韌性（頸縮率等）降低，容易發生破壞。0Cr18Ni9材料液氧溫區強度增強，彈性模量從200 GPa升至214 GPa，屈服應力從205 MPa升至 441 MPa；韌性降低少，頸縮率從35%降到30%，相比碳鋼等其他常用材料，0Cr18Ni9適用于低溫環境固支連接。

1.3 防護裝置

選用防低溫液體材料制成的防護布，嵌套在振動臺動圈連接柱與隔熱裝置之間，防止低溫介質泄露灼傷動圈。防護布首先需要能夠防止低溫液體泄露，同時需要具備足夠的韌性，能夠蓋在振動臺動圈上。低溫振動試驗時，低溫介質發生泄漏，要求低溫防護布在介質完全氣化前進行阻隔，保護振動臺。聚氯乙烯無固定熔點，80~85 ℃開始軟化，常溫環境質軟，低溫環境中強度增強，可以作為低溫防護布材料。

2 幾種管路系統振動試驗的低溫防護

作為火箭的“血管”，管路系統的可靠性關系著整個發射的成敗。為了航天的可靠性，管路系統的地面振動試驗尤為重要。在CZ-7、CZ-5號的研制過程中，上百根管路需要進行低溫振動試驗，包含各級火箭的氧輸送管路、氧預冷回流管路、氧加注管路等的驗收、鑒定試驗

圖3為CZ-5號某根液氧輸送管路低溫振動試驗。液氮與液氧的熔點、密度等物理性能接近，更加安全，采用液氮模擬液氧環境。從圖3中可以看出，液氮加注后，加注管路因為低溫結霜，在低溫防護系統保護下，振動臺正常運行，確保了管路振動試驗的順利完成。

圖3 液氧輸送管振動試驗

圖4為CZ-7號某根氧預冷回流管管系低溫振動試驗。從圖4中可以看出，預冷回流管管系為多根管路連接而成，管系長、走勢復雜，采用雙振動臺加載模擬火箭環境。在低溫防護系統保護下，振動臺正常運行，CZ-7氧預冷回流管路振動試驗順利完成。

圖4 預冷回流管路振動試驗

圖5為CZ-5某根液氧加注管路低溫振動試驗。液氧加注管路的長度一個振動臺無法固定，需采用兩個振動臺加載。從圖5中可以看出，圖中為滑臺方向振動試驗，滑臺方向的低溫防護與垂臺方向相似，也包含隔熱裝置、連接裝置等，在低溫防護系統保護下，滑臺潤滑油保持在室溫環境，滑臺正常運轉，振動臺正常工作，確保了CZ-5液氧加注管路振動試驗的順利完成。

圖5 氧加注管振動試驗

3 結束語

運載火箭是航天事業發展的基礎，管路系統是運載火箭的“血管”，在采用液氫/液氧等清潔能源作為運載火箭新型燃料的發展趨勢下，火箭管路的低溫振動試驗需求越來越大。管路低溫振動試驗涉及到溫度、振動等多方面學科，為了管路低溫振動試驗的實現，振動系統的低溫防護是必不可少的，也是極其重要的。

從低溫傳導的阻隔、連接裝置的低溫適應性、低溫介質泄露的防護3個方向進行研究。通過對隔熱裝置材料遴選以及理論計算驗證解決了管路內溫度傳導到振動臺的難題；采用0Cr18Ni9加工低溫振動試驗的連接裝置，確保低溫振動試驗振動應力的傳遞；防護裝置為安全設計，避免在振動試驗時低溫介質泄露時，振動臺被灼傷，造成安全事故。

完成CZ-7、CZ-5號液氧輸送管、液氫輸送管、液氧預冷回流管路，氧加注管等一系列管路低溫、內壓、位移、振動復合環境試驗的地面試驗，管路低溫振動試驗中低溫防護經實際檢驗，該防護方法切實可靠，可以為其它型號試驗借鑒。

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Cryogenic Protection of Pipeline Vibration Test

Yu Shao-ming, Lu Tian, Han Wen-long, Wei Guo, Hu Yan-ping

(Beijing Institute of Structure and Environment Engineering, Beijing, 100076)

Using kerosene / oxygen and hydrogen / oxygen such as propellant in the launch vehicle of CZ-7&CZ-5 has made great progress in environmental protection, thrust level and so on. The development of new launch vehicle has put forward the requirement of cryogenic pipeline vibration test. In order to realize the pipeline vibration test of liquid oxygen / liquid hydrogen temperature, it is necessary to make cryogenic protection for vibration equipment. From three aspects of heat insulation device, connecting device and protective device, the normal vibration equipment is improved to meet the requirements of pipeline cryogenic vibration test. After the cryogenic protection measures, the vibration test of hundreds of cryogenic pipelines were completed, which made great contributions to the development of the launch vehicle. The successful experience of the cryogenic protection method of vibration system can provide reference for other tests.

Pipeline; Vibration test; Cryogenic protection

1004-7182(2018)01-0102-04

10.7654/j.issn.1004-7182.20180120

V416.2

A

2017-02-07；

2017-05-02

于韶明（1986-），男，工程師，主要研究方向為動力學試驗