消氫裝置安全護航我國新一代液氫液氧運載火箭發(fā)射

鄧康清，龐愛民，王相宇，劉 學，尹華麗，朱雯娟

(湖北航天化學技術研究所，襄陽 441003)

低溫推進劑液氫/液氧因能量高、比沖大、燃氣清潔而在火箭領域具有廣闊的應用前景[1]。但在4%～8%體積分數的較低的氫氣濃度下，液氫具有爆燃的危害，此時燃燒產生的壓力波以亞音速傳播[2]；在氫氣體積分數18.3%～59%情況下，可產生嚴重的以超音速傳播的爆轟的危害[3-4]，液氫的這種易燃、易爆和易滲漏等特性，給貯存、保管、加注和發(fā)射帶來諸多不便[1]。由液氫泄漏等導致的事故有很多[5]，為此開展了液氫擴散、蒸發(fā)和泄漏的規(guī)律性研究[6-7]和航天器發(fā)射場安全保障技術措施研究[8]，以保證航天發(fā)射任務的安全性。以CZ-5為代表的運載火箭是我國全新研制的推力最大、直徑最大的新一代重型運載火箭，也是我國第一次采用液氫液氧發(fā)動機的運載火箭。這種運載火箭在發(fā)射前噴管會直接向發(fā)射平臺周圍環(huán)境排放大量的低溫氫氣，這些低溫氫氣是火箭發(fā)射的最大危險源，與空氣混合，形成可燃氣團，遇靜電或明火，可發(fā)生燃燒和爆炸，損壞發(fā)射場的設備和設施，甚至影響火箭推進劑貯箱的安全，導致星箭俱毀。針對這一背景，湖北航天化學技術研究所開展了液氫液氧運載火箭用消氫裝置的研制。圖1為運載火箭發(fā)射時消氫裝置引燃低溫氫氣的情況。

(a) Fired hydrogen-eliminated device

(b) Hydrogen-eliminated device ignited LH2

消氫裝置是一種特種固體火箭發(fā)動機。它在液氫液氧主發(fā)動機工作前一定時間點火，利用發(fā)動機中推進劑燃燒產生的高溫、高速金屬粒子流點燃運載火箭發(fā)射前從大噴管排出的低溫氫氣，從而避免大量聚集的氫氣成為運載火箭發(fā)射的危險源，保證運載火箭發(fā)射的安全。因此，消氫裝置是采用液氫液氧發(fā)動機的運載火箭的保護神。

消氫裝置采用雙層保護設計，由發(fā)動機和安全附件組件兩部分組成，發(fā)動機和安全附件組成內外兩層殼體，內層殼體實際是一種火箭發(fā)動機，可實現噴射高溫金屬粒子羽流的特殊功能；外層殼體為安全附件，起到防爆隔熱的功能：一方面，為發(fā)動機工作提供更加穩(wěn)定的工作環(huán)境，避免運載火箭點火時產生的高熱流沖擊；另一方面，也提供了安全防爆功能，防止點火裝置在工作過程中出現爆炸，而損毀火箭和設備。因此,消氫裝置具有高安全性、高可靠性的特點。

據報道，世界上美國航天飛機的發(fā)射也采用了該類消氫安全防護技術。

1 消氫裝置研制關鍵技術

由于消氫裝置是通過高溫金屬粒子流點燃液氫液氧發(fā)動機噴管排放的低溫氫氣來消除消氫的，因此消氫裝置必須能產生足夠高溫度的金屬粒子以點燃氫氣，足夠大的高溫金屬粒子范圍以可靠點燃氫氣，足夠高的高溫金屬粒子噴射速度以抵御大風環(huán)境，足夠好的安全性以防止爆炸對火箭本身和地面設施的破壞。

消氫裝置國內沒有現成的產品，需要全新研制。其技術難點在于：無現成的推進劑配方，需要研究；無現成安全可靠的裝置，需要設計；不清楚低壓下推進劑穩(wěn)定點火燃燒的條件，需要研究；不知道產生高溫金屬粒子的條件，需要摸索。研制中經過兩個方案數百次實驗，攻克了高溫金屬粒子流發(fā)生技術、發(fā)動機點火及穩(wěn)定燃燒控制技術、金屬粒子流噴射點氫技術、金屬粒子流噴射軌跡控制技術、明火時間控制技術、粒子流抗風技術、裝置安全可靠性技術等多項技術難關，研制出了滿足火箭發(fā)射時要求消氫的產品。

消氫裝置主要技術創(chuàng)新點包括：

(1)高溫金屬粒子流發(fā)生技術

常規(guī)固體火箭發(fā)動機尾焰中的金屬粒子在離開發(fā)動機噴口時已基本燃燒完畢，無高溫金屬粒子。本項目在流場分析基礎上，設計出了一種亞音速流場的特種發(fā)動機，并研制了一種新型金屬基富燃料推進劑，實現了噴射高溫金屬粒子流的要求。

(2)發(fā)動機點火及穩(wěn)定燃燒控制技術

在低壓下燃燒不穩(wěn)定、點火延遲時間長是采用低燃速推進劑的低壓發(fā)動機研制中普遍存在的技術難題。消氫裝置是一個既采用低燃速推進劑又在低壓下工作的發(fā)動機，點火延遲時間長，并有喘振現象。研制中通過采用高燃速引燃藥環(huán)持續(xù)點火引燃金屬基富燃料推進劑，并設計定向器等方法，成功消除了喘振，縮短了點火延遲時間。

(3)金屬粒子流噴射點氫技術

研制初期測得點火裝置粒子流溫度僅為850 K，不能點燃氫氣。為此，通過調節(jié)推進劑配方，選用合適的金屬粒子種類、含量和配比，提高推進劑配方燃溫，研制出能產生金屬粒子的新型金屬基富燃料推進劑，大幅度提高了粒子溫度，成功點燃氫氣。

(4)金屬粒子流噴射軌跡控制技術

常規(guī)固體發(fā)動機工作時尾焰中的金屬粒子存在散射直徑大、存在時間短、粒子分布難以控制的難題。本裝置的尾流場為亞音速流動，流場中粒子軌跡更加難以控制。通過設計一種特殊的亞音速直型噴管，成功解決了金屬粒子流軌跡控制、飛行距離控制的難題。

(5)明火時間控制技術

固體推進劑燃燒完后，發(fā)動機內非金屬材料分解出的可燃氣體與空氣中的氧氣結合燃燒會產生明火，明火燃燒時間長短一般很難控制。本裝置中通過選用耐燒蝕降溫層的方法，成功縮短了明火時間。

(6)粒子流抗風技術

在能夠產生金屬粒子的前提下，通過調整噴管喉徑和推進劑燃速，提高了金屬粒子的噴射速度和噴射距離，從而提高了粒子流的抗風性能，滿足了大風環(huán)境對金屬粒子的抗風要求。

(7)裝置安全可靠性技術

由于消氫裝置是液氫液氧火箭發(fā)射前的最后一道安全關卡，這就要求裝置既具有本質安全性，又具有低易損性。本消氫裝置通過設置燃燒室薄弱環(huán)節(jié)和設計安全附件，提高了裝置的安全性，達到了本體安全問題不會影響到周邊設備設施，周邊危險也難以影響到裝置本身安全的要求。

此外，消氫裝置還通過采用一種加長特型噴管，提高了燃氣在噴管中的燃燒完全性，有效降低了消氫裝置黑色煙霧含量。

2 消氫裝置研制進展及應用

為考察消氫裝置的環(huán)境適應性，消氫裝置通過了溫度沖擊試驗、點火裕度試驗、濕熱試驗、2 m跌落試驗、烤燃試驗、金屬粒子流抗風試驗、振動及運輸試驗等多種環(huán)境試驗的考核，并隨總體進行了低溫液氫點燃試驗、芯一級動力試車試驗和發(fā)射場合練試驗，這些試驗均成功點燃低溫氫氣。

消氫裝置可靠性得到多次發(fā)射驗證。

2016年11月3日，研制的消氫裝置首次應用在液氫液氧運載火箭上，在海南文昌發(fā)射中心 “準確、準時”點燃了火箭發(fā)射的“第一把火”，消除了火箭發(fā)射前大噴管排放的大量低溫氫氣的危險，安全護航火箭首飛。

2020年5月5日，消氫裝置參加液氫液氧運載火箭發(fā)射空間站艙段首飛成功。

2019年12月27日、2020年7月23日和2020年11月24日，消氫裝置又分別安全護航我國液氫液氧火箭成功發(fā)射實踐二十號衛(wèi)星、“天問一號”火星探測器和“嫦娥五號”月球探測器。