1200kN 液氧煤油發動機濕態停放和快速處理技術研究

宋亞輕，白旭東，成 潔，王 飛，楊永強

（西安航天動力研究所，西安，710100）

0 引 言

1200 kN液氧煤油發動機是新型運載火箭的主動力發動機。當火箭載荷不同時，發射窗口寬窄不一[1]，嫦娥一號甚至實現了零窗口發射[2]，因此對發動機濕態停放時間提出了窗口適應性要求。另外由于惡劣天氣或突發故障，導致推進劑加注后推遲或中止發射[3]，若推遲時間超出發動機濕態停放期，則需要泄出發動機內腔推進劑，按目前地面試車發動機后處理，工作量大，處理周期長，不僅延誤發射進程，甚至導致火箭錯過發射窗口。

為提高火箭發射可靠性和發射任務需求，開展發動機長時間濕態停放適應性和箭體環境使用維護流程研究，依據推進劑加注流程和隨箭待機時間的不同，制定簡捷高效的適應發射場環境的后處理方案，可簡化操作流程，縮短發動機處理周期。

1 火箭窗口期或延遲發射對發動機要求

火箭執行正常發射流程時，推進劑加注流程有兩個：a）氧貯箱和發動機內腔同時加注液氧；b）發動機燃料腔抽真空，打開煤油入口隔離閥加注煤油。

根據火箭測發流程和火箭等待或推遲發射時間的長短，梳理出5種工況，涵蓋了三型火箭載荷窗口期要求和推遲發射時間段的要求。等待或延遲發射期間，要求發動機經處理后，可隨時進入點火程序，為火箭快速響應創造寬松的條件，如表1所示。

表1 火箭對發動機處理需求Tab.1 Rocket Request for Engine Rreatment

續表1

2 發動機啟動前準備工作

1200 kN液氧煤油發動機氧化劑為液氧，燃料為煤油，煤油系統入口設有隔離閥，發動機系統結構如圖1所示。

圖1 1200kN液氧煤油發動機系統結構示意Fig.1 1200kN LOX/Kerosene Rocket Engine System Schematic

由圖1可以看出，氧系統預冷和煤油系統抽真空是發動機啟動必須完成的準備工作[4]，箭體環境下，液氧經發動機入口泵前管路、氧泵和泵后管路、預冷回流閥出口，最終返回氧貯箱，即采用循環預冷方案[5]。預冷將完成時，燃料系統抽真空充填，抽真空可保證煤油供應系統工作穩定性和可靠性。

3 氧系統長時間預冷適應性

3.1 適應性分析

氧系統維持低溫狀態為1200 kN發動機啟動條件。發動機維持加注液氧狀態隨箭停放3天。長時間預冷對發動機影響主要有以下3個方面：

a）主泵隔離腔溫度。發動機煤油泵和氧泵同軸，在結構上，主泵隔離腔將氧泵和煤油泵隔開；發動機預冷期間，維持隔離腔吹除，以控制隔離腔溫度；需持續對該測點進行監測判讀。

b）推力室燃氣噴前溫度。發動機加注前已拆除推力室保護堵蓋，燃氣腔暴露在空氣中，預冷期間燃氣腔溫度較低。為了防止水蒸汽倒吸結晶，須在預冷期間對燃氣腔吹除，氮氣吹除溫控效果需通過地面試車預冷試驗考核。

c）以上兩路吹除均設有單向閥。單向閥工作時，閥芯在特定吹除壓力和流量下易發生顫振[6]，閥芯與外殼長時間碰撞，因磨損將導致反向密封失效，需進行試驗驗證。

長時間低溫狀態對發動機啟動是否有影響，須經過整機試車驗證。

3.2 單向閥3天吹除試驗

為確保試驗準確性，吹除試驗在發動機整機搭載，試驗主要分為兩個階段：首先通過吹除壓力寬帶掃頻，找到單向閥在各流道顫振吹除壓力；其次，避開顫振入口壓力進行3天吹除試驗，壓力值穩定，如圖2所示。試驗第1天和完成后分別檢查單向閥反向密封性滿足要求，驗證單向閥長時間工作的適應性。

圖2 單向閥3天吹除壓力曲線Fig.2 Pressure of Check Valve Blowoff Last for Three Days

3.3 整機預冷試車

遵循循序漸進的原則，1200 kN整機預冷試驗時間逐步延長，先后開展預冷1天、預冷2天和預冷3天，測點顯示泵隔離腔溫度和推力室燃氣噴前溫度穩定，單向閥后吹除壓力穩定，試驗后直接進入正常流程點火試車，發動機正常起動，工況參數無異常，驗證了發動機氧系統長時間預冷適應。

4 液氧加注后泄出

貯箱加注液氧后，在停放期間貯箱中的液氧大量汽化損耗[7]，若待機超過3天，泄出貯箱中的液氧，發動機在箭體環境下泄液氧回溫存在如下問題：

a）氧腔回流口對接。

發動機與艙體對接后，氧腔回流口與總體氧貯箱對接，無法由回流口泄出。

b）地面工裝。

發射場無法實現用熱空氣吹除氧化劑系統外表面。地面試車狀態，可在控制室監測氧化劑預冷回流出口和氧化劑入口處確定回溫進程。在發射場泄液氧回溫時，箭體已斷電，無法監測溫度變化。

針對上述問題采取如下措施：a）用地面管路連接已引至艙壁的預冷回流閥控制口和排放口，液氧從排放口泄出；b）回溫期間，用艙段吹除代替熱空氣回溫；c）用紅外測溫儀監測氧系統壁溫。

5 濕態停放3天適應性

5.1 適應性分析

煤油入口隔離閥打開，煤油完成加注后發動機隨箭停放，與加注液氧相比，增加了對燃料系統的維護要求，應關注低溫氧系統對燃料系統的影響和非金屬組件煤油浸泡適應性。

5.1.1 低溫氧系統對燃料系統的影響

低溫氧系統對燃料系統的影響為：a）燃料系統壁溫過低將導致煤油結冰，發動機包裹在艙體內，燃料腔煤油受氧系統低溫熱傳導和冷氣對流影響逐漸降低；b）煤油溫度變化引起燃料腔內壓波動。

采取的措施為：a）濕態停放期間維持艙段吹除，避免燃料系統溫度過低；b）不再關閉煤油入口隔離閥，發動機煤油腔壓力變化被貯箱氣墊緩沖吸收；c）貯箱保護壓和煤油液柱靜壓較小，對燃料腔影響不大。

5.1.2 非金屬件煤油浸泡適應性

燃料管路密封墊、啟動箱膠囊、閥門和煤油泵密封墊均為非金屬材料，在煤油浸泡下會發生輕微溶脹，將影響其密封性能。因此需開展組件煤油浸泡試驗和整機加注煤油停放試驗。

5.2 組件相容性試驗

5.2.1 閥門煤油浸泡試驗

對典型閥門開展常溫和低溫煤油浸泡試驗，累計試驗時間10天；然后對閥門試驗過程進行分階段檢查，使其處于密封良好、打開和關閉壓力穩定狀態。

流量調節器是工況轉級、流量調節和穩定的關鍵組件， 將流量調節器在浸泡煤油 30天后進行冷調試驗，流量調節器轉級正常。

5.2.2 煤油泵煤油浸泡試驗

開展煤油泵密封長時間常溫和低溫浸泡試驗，結果顯示，煤油泵入口端面密封30天后無泄漏，分解后產品無異常，其性能滿足要求。

5.2.3 啟動箱相容性試驗

啟動箱內部膠囊隔離液腔和氣腔，腔囊受壓翻轉擠破點火裝置啟動發動機，經60天煤油浸泡，氣密檢查良好。

5.3 整機濕態停放試驗

發動機按試車流程加注液氧和煤油，維持加注狀態，開展氧系統和燃料系統在液柱壓力下3天停放試驗，如圖3所示，期間煤油系統外壁溫度測點示值高于煤油結冰溫度-60 ℃，煤油無結晶風險。3天停放試驗后，直接進入點火流程試車，發動機正常啟動和關機，全程工況和測量參數無異常。

圖3 1200kN發動機濕態停放試驗示意Fig.3 1200kN LOX/Kerosene Standby Test in Propellant Loading

6 7天內濕態停放快速處理

6.1 快速處理論證

6.1.1 泄出液氧

發動機加注液氧煤油后，推遲或等待4～7天發射，按火箭要求，超過3天液氧泄出。

6.1.2 關閉煤油入口隔離閥

發動機恢復常溫，可關閉入口隔離閥使燃料腔不再承受入口壓力，緩解管路及組件密封處，使發動機與增壓輸送系統和貯箱界限清晰，保護發動機不受外界影響，規避停放期間煤油貯箱或增壓系統因誤操作增壓的風險。

6.1.3 打開排放閥泄壓

關閉煤油入口隔離閥，燃料腔為封閉環境，打開燃料排放閥泄壓，排出部分煤油后關閉，防止內腔煤油受環境溫度變化壓力增大。

6.1.4 非金屬件煤油浸泡適應性

對燃料路典型閥門、煤油泵和啟動箱等含非金屬密封件的組件開展煤油相容性試驗，試驗完成無煤油泄漏，檢查無異常。

6.2 整機試驗考核

發動機按試車流程加注液氧和煤油，維持加注狀態停放3天，泄出液氧，關閉煤油入口隔離閥，打開排放閥泄壓，繼續停放6天，前后停放9天。期間監測煤油系統外壁無滲漏，停放結束時，在推力室喉部取樣化驗碳氫化合物含量未超標，證明整機燃料腔密封良好。壓力測點顯示燃料腔內壓波動很小。停放試驗結束，直接進入點火流程試車，發動機啟動和工況參數無異常。

7 不離箭快速處理技術

7.1 快速泄煤油方案

發動機停放 7～30天時，需泄出貯箱及發動機內腔煤油。地面試車時處理流程為：首先拆除渦輪泵泄液口、推力室泄液口和五通泄液口，并連接管路泄煤油；然后打開抽真空口泄煤油；最后擠啟動箱，通過五通泄液口再次泄出煤油。

按目前發動機總裝布局，箭體環境下，只有推力室泄液口和抽真空口在艙外。不進艙簡化處理解決的途徑有兩種：第1種是將其余4個接口引出；第2種是通過艙外的兩個接口泄煤油。

第1種途徑可保證煤油腔處理后與試車處理方法一致，無需驗證，因發動機搖擺時與艙壁之間有相對運動，必須用金屬軟管引出，布局復雜，效率低，且增加了處理操作，不宜采用；第2種途徑可極大地減少泄煤油工作量，難點在于按此泄出煤油后，發動機燃料腔有煤油殘留?；鸺俅芜M入發射流程時，再次抽真空能否達到指標要求，加注完成后，是否影響發動機啟動，需要進行煤油充填泄出試驗和試車考核。應首先對第2種途徑進行分析和試驗，若發動機不適應，則再考慮第1種途徑。

7.2 可行性分析

快速泄煤油后，煤油腔殘留的煤油分布如圖4所示，啟動箱、轉級腔和煤油泵積存的煤油無法泄出。

發動機燃料腔存在幾個盲腔，盲腔內組件的煤油相容性需驗證。分析認為簡化泄煤油的主要風險為：燃料腔內未泄出的煤油經再次抽真空后，變成氣液混合狀態或懸浮煤油夾氮氣墊，再次充填無法將夾雜的氮氣排出，將會造成發動機點火及轉級時序異常，啟動失敗。關鍵的部位有兩處：再次抽真空后啟動箱內真空度和流量調節器轉級腔真空度。

圖4 快速處理后殘留煤油分布示意Fig.4 Kerosene Remain after Fast Processing

7.3 組件試驗

燃料腔組件通過了長時間浸泡煤油相容性試驗考核，啟動箱已實現免復位[8]，通過增加試驗驗證了啟動箱在充填煤油貯存60天后，抽真空滿足啟動前真空度指標要求，啟動箱充滿煤油抽真空時間比無煤油情況延長，如圖5所示。

圖5 啟動箱充填煤油貯存后抽真空曲線Fig.5 Starting Box Creation of Vacuum in Filling State Storage

7.4 整機快速泄煤油和試車考核

1200 kN發動機按點火流程加注煤油，從推力室泄液口和抽真空口泄出燃料腔煤油，測量泄出煤油體積，快速處理泄出的煤油體積為正常流程泄出量的 86%。然后進行煤油腔試抽真空，啟動箱液腔和流量調節器轉腔真空度滿足要求，但抽真空時間需大幅增加。按正常流程加注液氧和煤油，檢測啟動條件滿足后，直接點火試車，獲得成功，試后分析發動機啟動和工況參數正常，驗證了煤油快速處理方案的可行性。

8 結 論

a）首次實現了1200 kN液氧煤油發動機3天預冷和煤油7天不泄出停放，完成了組件飛行狀態裕度試驗和相容性試驗，整機長時間濕態停放后試車考核，拓寬了火箭緊急情況下推遲發射的時間裕度；

b）提出一種可靠的不離箭快速處理方案，開展了關鍵組件適應性試驗考核和發射場真實流程整機模擬試車考核，使發動機發射場使用維護簡便快捷、易操作。