火箭動力試驗液氫加注試驗研究

梁懷喜，王永超，楊 林，劉瑞敏，李 清

（1. 北京航天試驗技術研究所，北京，100074；2. 中國兵器工業標準化研究所，北京，100089）

0 引 言

運載火箭動力試驗是火箭在首飛之前最重要和最全面的測試考核。中國的某型氫氧火箭芯一級模塊和芯二級模塊在2015年分別進行了兩次動力試驗，均取得圓滿成功。該火箭液氫加注量芯一級達到370 m3、芯二級達到70 m3。

液氫具有低沸點、易燃、易爆的特點，在動力試驗時，作為最后加注的推進劑。液氫加注后，試驗流程進入不可逆過程，否則將產生重大損失或者失敗。首先液氫加注必須在規定時間內完成，要求保證加注流量；其次是液氫加注時，既要避免輸送的過大損耗，又要防止氫氧發動機的氫渦輪泵發生氣蝕，要求保證進箭溫度。一般情況，液氫加注流量和進箭溫度是根據火箭總體要求確定的。

1 液氫進箭參數影響因素

1.1 影響液氫流量的因素

動力試驗的液氫加注流量一般是依據后續靶場發射流程制定的，因此地面試驗臺液氫加注系統根據火箭總體加注要求進行設計。液氫加注過程中，流量由流速和流通面積決定。

a）流速：液氫流速應控制在20 m/s以內。加注過程，既要考慮液氫易燃、易爆的特點，防止發生水擊效應，這是安全流速的問題，安全流速小于8 m/s為宜；又要考慮液氫低沸點的特性，減少汽化損耗，這是最佳流速的問題[1]。

液氫流量與輸送參數之間的內在關系[2]可由下式計算：

式中 vout為流速；Ptank為貯罐擠壓壓力；Pout為進箭背壓；為管道沿程流阻；為局部流阻； QH為道漏熱；G為流量； hout,htank分別為液位高度； Itank， Iout分別為液氫單位內能；g為重力加速度；L為管道長度；D為管道內徑；ρtank為貯罐液氫密度；ρout為進箭液氫密度。

b）流通面積：液氫輸送管道的選擇，不僅需要考慮真空絕熱管及附件的設計能力，還需要綜合考慮加工成本以及施工安裝的可行性。

1.2 影響液氫溫度的因素

液氫加注溫度主要由地面貯罐液氫的溫度以及輸送過程中溫升決定。在單相流下，液氫的溫升可由下式給出[2,3]：

液氫溫升，一方面影響進箭溫度要求；另一方面會對流動造成影響。如果液氫溫升過高，將會形成兩相流；兩相流引起流阻增加，加劇流動的不穩定性，這些都將使液氫損耗增加，故應當減少溫升、避免兩相流。

1.3 液氫加注系統設計原則

液氫加注系統設計時[4,5]，首先根據給定流量，選擇安全流速范圍內的某一流速，初步確定加注管道通徑；再通過管道漏熱，計算在單相流時不同流速下的溫升。通過反復優化，選取合理管徑和流速，確保給定流量下溫升最小。加注流程中，根據火箭氫箱的背壓和選取流速下管道流阻特性，確定液氫加注擠壓操作壓力。

2 動力試驗液氫加注試驗分析

2.1 液氫參數要求

某型運載火箭制定了動力試驗液氫加注要求，目的是獲取動力試驗的液氫加注流程、參數，為火箭在靶場合練及發射提供數據參考和經驗積累。表1和表2分別是某火箭芯一級和芯二級液氫加注指標要求。

表1 芯一級模塊試車液氫加注指標要求Tab.1 Parameter Targets of Liquid Hydrogen Filling in the First Core Stage Test

表2 芯二級模塊試車液氫加注指標要求Tab.2 Parameter Targets of Liquid Hydrogen Filling in the Scond Core Stage Test

2.2 動力試驗液氫加注系統及流程

動力試驗的液氫加注通過距離動力試驗臺 250 m的液氫庫采用擠壓方式加注，液氫庫由2臺85 m3、3臺110 m3以及2臺150 m3的液氫貯罐組成，加注管路為通徑150 mm的真空多層絕熱管路，加注系統如圖1所示。加注管路設計漏熱不大于20 W/m，設計的最佳流量為7000 L/min（流速約6.6 m/s），溫升不高于1.5 K[6]，該系統滿足動力試驗芯一級大流量加注溫度要求，在其他小流量下液氫處于兩相流狀態。

圖1 動力試驗液氫加注系統示意Fig.1 Schematic Diagram of Liquid Hydrogen Filling System in the Stage Propulsion System Test

芯一級氫箱小流量預冷采用2臺85 m3和1臺110 m3液氫貯罐同時加注；擠空后，再使用2臺150 m3液氫貯罐同時進行大流量加注，直到氫箱液位到達設定位置。芯二級氫箱預冷和加注都采用2臺110 m3液氫貯罐同時加注，直到液位達到設定位置。

液氫加注過程中，監測的液氫進箭參數有溫度、流量和壓力。溫度傳感器安裝在箭體氫箱的水平入口管路上，周向均布，數量為3個；流量通過箭上液氫連續液位計進行測量；壓力傳感器安裝在水平管道的上部，數量為1個。

2.3 動力試驗液氫加注結果分析

2.3.1 芯一級第1次試驗液氫參數分析

芯一級第1次試驗液氫加注過程中，液氫進箭溫度變化如圖2、圖3所示，流量變化（以氫箱出現液氫為起始時刻，下同）如圖4所示，壓力變化如圖5所示。

圖2 芯一級第1次試驗液氫進箭溫度變化曲線Fig.2 Temperature Change of Inlet in the First Test of the First Core Stage

圖3 芯一級第1次試驗大流量加注液氫進箭溫度曲線Fig.3 Temperature Change of Inlet During Fast Filling in the First Test of the First Core Stage

圖4 芯一級第1次試驗液氫進箭流量變化曲線Fig.4 Flow Rate Change of Inlet in the First Test of the First Core Stage

圖5 芯一級第1次試驗液氫進箭壓力曲線Fig.5 Pressure Change of Inlet in the First Test of the First Core Stage

2.3.1.1 小流量預冷

從圖2中可以看出，小流量預冷起始時間為600 s，到1400 s時地面輸送管路完全冷透；隨后繼續預冷氫箱，在2000 s時氫箱液位達到30 m3，小流量預冷結束預冷時間約14 min。

從圖3中可以看出，1200 s之后進箭溫度進入傳感器溫區（≤50 K），管道溫度下降迅速；在 1220 s時，低位測點溫度為20.9 K（見進箭溫度2），低于當地飽和溫度21 K，說明管道內出現液氫、地面管道基本冷透。此后，液氫開始進入氫箱，溫度繼續下降；氫箱液氫到達30 m3后，主體液氫溫度降至21.2 K。這期間，管道的余熱導致液氫劇烈吸熱汽化[7～10]，造成底部液氫處于過冷狀態，頂部氣氫處于過熱狀態。因此，預冷過程進箭液氫為氣液混合狀態。

從圖4中可以看出，預冷過程中由于氫箱內液氫積存量較少，因此無法監測流量變化。

從圖5中可以看出，預冷前當氫箱加注閥開啟后，進箭壓力與箱壓平衡，壓力迅速升高；隨后氫箱排氣閥打開，壓力急劇下降到最低點。預冷開始后，過熱的地面管道導致液氫強烈汽化，形成的氣氫持續進入氫箱；而氫箱排空管排放能力有限，因此氫箱壓力持續上升，進箭壓力上升到一個峰值（0.137 MPa，950 s）。隨著管道的逐漸冷卻，氣氫產生量減小，排放能力比汽化能力大，氫箱壓力下降，所以進箭壓力開始下降。隨后，增大預冷流量時，排放能力小于汽化能力，壓力又開始上升。當管道冷透時，出現一個小的壓力峰，然后壓力開始下降。

2.3.1.2 大流量加注

從圖2中可以看出，大流量加注從2000 s開始，到6020 s加注結束，可分為加注前段（2000～4500 s）、加注中段（4500～6020 s）和加注后段（6000～6020 s），加注過程約66 min。

從圖3中可以看出，加注前段，液氫溫度緩慢降低到飽和溫度以下，由兩相流變成單相流，主體液氫溫度在21.3 K左右。加注中段，3臺小貯罐切換到兩臺大貯罐加注，由于小貯罐底部剩余液氫溫度較高以及大貯罐支管道過熱等綜合原因，導致切換過程中進箭溫度劇烈上升，待穩定后，液氫變成單相流，主體溫度由21.3 K上升到21.7 K；加注后段，液氫流量減小，兩相流明顯。

從圖 4中可以看出，加注前段，液氫流量從3500 L/min逐漸增大到4500 L/min；加注中段，液氫流量接近9000 L/min。

從圖5中可以看出，加注前段，進箭壓力穩定在0.13 MPa左右；加注后段壓力上升到0.17 MPa，這是由于液氫流量增大，在排放能力一定的情況下，氫箱液位上升速率增加，導致氣墊壓力上升引起的。

2.3.2 芯一級第2次試驗液氫參數分析

芯一級第2次試驗液氫加注流程與第1次基本一致，液氫進箭溫度變化如圖 6所示，流量變化如圖 7所示，壓力變化如圖8所示。

圖6 芯一級第2次試驗大流量加注液氫進箭溫度Fig.6 Temperature Change of Inlet During Fast Filling in the Second Test of the First Core Stage

圖7 芯一級第2次試驗液氫進箭流量變化曲線Fig.7 Flow Rate Change of Inlet in the Second Test of the First Core Stage

圖8 芯一級第2次試驗液氫進箭壓力Fig.8 Pressure Change of Inlet in the Second Test of the First Core Stage

2.3.2.1 小流量預冷

從圖6中可以看出，小流量預冷起始時間為900 s，到2300 s時地面輸送管路完全冷透；在4000 s時氫箱液位達到30 m3，預冷時間約23 min。液氫到達30 m3后，主體液氫溫度為21.0 K。預冷期間，進箭液氫處于氣液混合狀態。

從圖7中可以看出，預冷過程中，氫箱內液氫積存量比較少，所以無法監測流量變化。

從圖8中可以看出，當箭上加注閥以及氫箱排氣閥先后開啟后，進箭壓力急劇升高到峰值（0.19 MPa，1450 s）。

2.3.2.2 大流量加注

圖6中大流量加注從4000 s開始，到8200 s結束，加注過程約70 min；加注前段由兩相流緩慢變成單相流，主體液氫溫度由21.2 K上升到21.5 K；加注中段由于流量減小，液氫主體溫度由21.7 K下降到21.4 K。

從圖 7中可以看出，加注前段，液氫流量從2000 L/min逐漸增大到5000 L/min；加注后段，液氫流量從7000 L/min降到5000 L/min。

從圖 8中可以看出，加注中段，進箭壓力隨流量的上升，從0.13 MPa上升到0.15 MPa；加注后段，壓力隨流量的下降從0.15 MPa降到0.13 MPa。

2.3.3 芯二級第1次試驗液氫參數分析

芯二級第1次試驗液氫加注過程中，液氫進箭的溫度變化如圖9、圖10所示，流量變化如圖11所示，壓力變化如圖12所示。

圖9 芯二級第1次試驗液氫進箭溫度變化曲線Fig.9 Temperature Change of Inlet in the First Test of the Second Core Stage

圖10 芯二級第1次試驗大流量加注液氫進箭溫度變化曲線Fig.10 Temperature Change of Inlet During Fast Filling in the First Test of the Second Core Stage

圖11 芯二級第1次試驗液氫進箭流量變化曲線Fig.11 Low Rate Change of Inlet in the First Test of the Second Core Stage

圖12 芯二級第1次試驗液氫進箭壓力變化曲線Fig.12 Pressure Change of Inlet in the First Test of the Second Core Stage

2.3.3.1 小流量預冷

從圖 9中可以看出，小流量預冷加注起始時間為710 s，到2100 s時地面輸送管路完全冷透；隨后繼續預冷氫箱，在2500 s時氫箱液位達到4 m3，小流量預冷結束，預冷時間約20 min。

從圖10中可以看出，液氫到達4 m3后，主體液氫溫度為22.7 K，預冷期間，進箭液氫處于氣液混合狀態。

從圖11中可以看出，在預冷過程中，箭體液氫積存量少，所以無法監測流量變化。

從圖12中可以看出，管道冷卻過程中，當汽化能力大于排放能力的末端，進箭壓力到達一個峰值（0.24 MPa，220 s），管路冷透時存在一個小的壓力峰。

2.3.3.2 大流量加注

從圖9中可以看出，大流量加注從2500 s時開始，到5400 s時結束，主要分為加注前段（2500～4100 s）和加注中段（4100～5400 s），加注時間約48 min。

從圖10中可以看出，在加注過程中，液氫的溫度持續降低，一直處于兩相流狀態，溫度分層明顯。加注前段由于流量波動引起溫度不穩定，加注中段溫度穩定（頂部23 K，中下部21.4 K）。

從圖 11中可以看出，加注前段液氫流量在1000～1800 L/min之間波動，加注后段流量穩定在1100 L/min左右。

從圖12中可以看出，加注前段隨著氫箱冷透以及流量的減小，箭體箱壓下降，進箭壓力降低；加注后段流量平穩，因此進箭壓力穩定在0.136 MPa左右。

2.3.4 芯二級第2次試驗液氫參數分析

芯二級第2次試驗液氫加注流程與第1次試驗基本一致，液氫進箭的溫度變化如圖13所示，流量變化如圖14所示，壓力變化如圖15所示。

圖13 芯二級第2次試驗大流量加注液氫進箭溫度變化曲線Fig.13 Temperature Change of Inlet During Fast Filling in the Second Test of the Second Core Stage

圖14 芯二級第2次試驗液氫進箭流量變化曲線Fig.14 Low Rate Change of Inlet in the Second Test of the Second Core Stage

圖15 芯二級第2次試驗液氫進箭壓力曲線Fig.15 Pressure Change of Inlet in the Second Test of the Second Core Stage

2.3.4.1 小流量預冷

從圖13中可以看出，小流量預冷起始時間為830 s，到2260 s時地面輸送管路完全冷透；在2400 s時氫箱液位為4 m3，預冷時間約為23 min；液氫到達4 m3后，主體液氫溫度為22.7 K。預冷期間，進箭液氫處于氣液混合狀態。

從圖14中可以看出，預冷過程中，氫箱內液氫積存量較少，所以無法監測流量變化。

從圖15中可以看出，當管道基本冷透時，進箭壓力到達一個峰值（0.193 MPa，2070 s）。

2.3.4.2 大流量加注

從圖 13中可以看出，大流量加注時間從 2400 s開始，到5800 s結束，加注過程約為50 min；整個加注過程液氫溫度一直在降低，處于兩相流狀態，溫度分層明顯。加注前段溫度略有波動，加注后段溫度穩定（頂部22.7 K，中下部22.5 K）。

從圖14中可以看出，加注過程前段液氫流量穩定在1250 L/min；中段有局部波動，最大流量為1700 L/min。

從圖15中還可以看出，進箭壓力一直在減小，加注前段進箭壓力峰值為0.18 MPa，中段進箭壓力穩定在0.142 MPa左右。

2.4 液氫加注對比分析

預冷時間為芯一級第1次14 min、芯一級第2次23 min、芯二級第1次20 min、芯二級第2次23 min。這主要考慮到第 1次較大流量預冷管路時，消耗液氫過多；故后續3次預冷過程中適當減小流量，充分利用顯熱，有效降低預冷損耗，因此預冷時間較長。

4次動力試驗，液氫小流量預冷和加注時，液氫處于兩相流狀態；只有在兩次芯一級試驗大流量加注時，液氫才處于單相流狀態。無論是兩相流還是單相流輸送，液氫在同一截面上溫度分層明顯。當流量為6000 L/min左右時，液氫溫升最小，液氫溫度約為21.4 K，處于最佳流速狀態（5.7 m/s），與液氫加注系統設計參數基本一致。在實際操作過程中，由于地面液氫貯罐采用手動自增壓的方式進行擠壓加注，擠壓壓力波動明顯，因此不能在最佳流速下長時間穩定加注。

對比芯一級第1次、第2次試驗在大流量加注時，采用提前預冷支管路以及小開度緩慢切換的方法，能有效減少切換過程中輸送管路內的液氫波動，使得加注流量和溫度相對比較平穩。但采用多貯罐并行加注的方案，切換波動無可避免。

輸送管道與箭體氫箱一起預冷過程，存在一個壓力峰值；通過減少預冷流量和增大氫箱排放能力可以有效抑制壓力峰值。

3 結 論

a）多貯罐并行加注的方案和流程達到了不同芯級動力試驗液氫加注流量要求；液氫最大流量為9000 L/min；

b）芯一級液氫大流量加注時，液氫處于單相流狀態，滿足動力試驗進箭溫度要求。對于300 m長度通徑為150 mm的真空多層加注管道，最佳流速為5.7 m/s，液氫溫升約為1 K。

c）通過4次某型運載火箭芯級動力試驗，為該火箭靶場發射液氫加注提供了有效流程模擬及技術數據參考。