氫氧發動機多余物防控設計

龐紅麗，康紅雷

（北京航天動力研究所，北京，100076）

0 引 言

多余物是指產品中存在的由外部進入或內部產生的與產品規定狀態不符的物質。在影響航天質量的眾多因素中，多余物是在航天產品中造成重大質量事故的主要原因之一。

1990 年2 月22 日，阿里安火箭由于一塊布留在D維金5 發動機管路內，導致火箭起飛后101 s 發生爆炸，直接導致發射的超鳥B（Superbird B）和BS-2X兩顆衛星損毀。

1992 年3 月22 日，澳大利亞通訊衛星澳星B1 通信衛星（Aussat B1）助推器發動機中途熄火，程序配電器第4、5 觸點間存在0.15 mg 多余鋁屑物，產生的電弧接通了第Ⅰ、Ⅱ號助推器發動機氧化劑副系統斷流閥門電爆管，發射失敗。

在低溫發動機系統中，特別是液氫液氧發動機，要特別注意防止水分、潮氣等進入發動機內腔。

1991 年4 月18 日和1992 年8 月22 日，宇宙神I火箭兩次發射商業衛星，火箭升空后分別于2755 s 和2895 s 失控，導致發射失敗。經過分析研究，確認兩次故障完全一致，RL-10 的1 臺發動機單向閥在火箭發射前沒有關閉，致使濕氣進入液氫渦輪泵并結冰，空氣中氮也被冷凝，從而使渦輪泵無法旋轉，導致飛行失敗，造成重大損失。宇宙神RL-10 發動機采用了重新設計的單向閥，加裝電磁冗余密封閥，并在射前監測該閥開啟，增加溫度控制，從而防止空氣及氮氣進入發動機。

1994 年1 月24 日，阿里安火箭第63 次發射失敗。遙測數據分析表明，發動機渦輪泵液態氧內的一個軸承冷卻過遲是導致發射失敗的原因。可能是因為氧氣排放時滲入系統的潮氣造成了冷塊，這一障礙可能堵塞了通向軸承的氧氣口濾清片，軸承環未能充分冷卻，導致膨脹斷裂。法國阿里安火箭公司決定對軸承冷卻系統進行兩項調整：a）故障軸承的洞口將配備排放系統，用氦清洗，以改善凈化；b）軸承將加上二硫化鉬自動潤滑保護層。

2005 年2 月25 日，中國某氫氧發動機試車啟動后未達到額定工況，發動機緊急關機。故障原因是發動機系統進入的潮氣，在發動機預冷的低溫條件下結成冰，使氧副控閥門的運動受阻滯。

多余物導致的航天質量問題，不勝枚舉。隨著航天產品高精尖的發展，多余物管控也日益加強，從產品設計、生產、試驗、交付等各個環節對多余物進行預防和控制。設計是產品的源頭，產品設計應將預防多余物及其損害作為設計準則之一。

1 氫氧發動機產品特點

氫氧發動機由推力室、渦輪泵、噴管、閥門等組成。被控閥門采用氣動控制，通過電磁閥的通、斷電，實現被控閥門的開、關。

發動機使用液氫、液氧低溫高能推進劑，在推力室內燃燒產生高溫高壓燃氣，將這些燃氣通過噴管產生高速噴氣流噴出，獲得推力。

2 氫氧發動機多余物特點

發動機的多余物多種多樣，有內部產生的，也有外來的。有的多余物對產品性能沒有影響或沒有大的影響，但有的多余物雖然很小，卻會導致產品喪失功能，造成發射失敗。

發動機外部多余物主要來自發動機對外接口，供給發動機的控制氣體和吹除氣體以及液氫液氧推進劑夾雜的多余物。

發動機內部多余物主要來自6 個方面：a）零部件加工、裝配、焊接、測試等工序的切屑、毛刺、焊瘤、飛濺物、油污等，未能清除干凈；b）發動機裝配時多余物落入或遺留在內部；c）受生產工藝限制，不可避免產生的多余物，如電鑄鎳成型推力室外壁工序中殘留的弱連接鎳粉，在試車過程中因振動而脫落；d）發動機的運動部件發生摩擦產生的磨屑，這類多余物主要來自渦輪泵系統；e）點火器火藥點火時產生的火藥殘渣；f）發動機內腔潮氣及未置換干凈的空氣，對低溫氫氧發動機而言，潮氣及未置換干凈的空氣等也是多余物。如某低溫發動機裝配、測試過程中系統內進入潮氣，在發動機預冷過程中的低溫條件下凝結成冰，氧副控閥門的運動件被卡不能完全到位，致使燃氣發生器混合比過低，渦輪功率不足，發動機參數未達預定值自動緊急關機。

氫氧發動機受多余物危害的組合件主要是推力室、渦輪泵和閥門。如果多余物堵塞推力室的冷卻通道，會使得被堵塞的通道內冷卻劑量不足甚至流動受阻，因此可造成內壁燒蝕，嚴重時能燒穿身部而漏火，發動機喪失功能；多余物堵塞噴注器，可能引起局部噴注單元的混合比發生變化，改變了混合比和流場分布，有時只造成局部燒蝕而對性能影響微弱，但如果造成嚴重燒蝕或影響到燃燒穩定性時，也會使發動機喪失功能。渦輪泵為高速旋轉機械，如果進入金屬多余物，會導致渦輪泵機械損傷，并造成發動機失效。有些閥門和渦輪泵的運動副的配合間隙很小，如果多余物卡在配合間隙內，會影響運動副的正常工作，如果多余物積留在密封面上，則會導致閥門和渦輪泵密封泄漏。多余物堵塞汽蝕管喉部或孔板則會導致系統失效。

本文主要從氫氧發動機整機層面對多余物防控進行設計。

3 氫氧發動機多余物防控設計

3.1 介質的精度要求

為了預防發動機對外接口帶來的外來多余物，設計要求液氫、液氧推進劑輸送管路上必須安裝過濾器，過濾器精度一般要求液氫不大于40 μm，液氧不大于70 μm。

3.2 過濾器設置

為加強多余物控制，在發動機對多余物敏感相關部位設置過濾器，是設計上防控多余物的有效手段。

a）外部多余物防控。

發動機在飛行過程中，液氫、液氧推進劑內夾雜的多余物由火箭總體進行控制。在氫、氧泵前閥前設置過濾精度高的過濾器，會帶來一定的流阻損失，貯箱壓力則需進行相應提高，綜合考慮，一般情況下，發動機泵前閥前不單獨設置精度較高的過濾器，精度較高的過濾器一般設置在推進劑貯箱加注管路上。

發動機控制氣和吹除氣路過濾器一般設置在減壓閥、電磁閥或單向閥前，防止多余物引起的閥門卡滯，導致減壓閥出口壓力異常、電磁閥卡滯導致被控閥不能正常工作、單向閥卡滯導致吹除功能失效，從而導致發動機不能正常工作。

b）內部多余物防控。

推力室、噴管延伸段多余物防控一般在氫進口和氧進口設置過濾器，避免多余物進入推力室氫、氧噴注器，引起推力室氫、氧噴嘴堵塞，嚴重時引起局部燒蝕。

渦輪泵多余物防控一般不在內部設置過濾器，而是在隔離用氣、冷卻用介質進入前的其它組件上設置。如在連接氦隔離腔的減壓器前設置過濾器，軸承冷卻路也會根據多余物的情況設置過濾器。

閥門多余物防控一般在閥芯前設置過濾器，防止閥門運動中卡滯。根據控制電磁閥工作原理，在其入口、出口均需設置過濾器。

發動機調節元件多余物防控一般在調節元件的上游。為控制發動機各系統的推進劑流量，發動機設置了調節元件，有的調節元件孔徑很小，孔徑細小處應嚴格控制多余物，以防多余物堵塞孔徑，推進劑流量控制不準，導致發動機性能偏差或工作異常。

3.3 發動機“潮氣及未置換干凈的空氣”的防控設計

氫氧發動機內腔的潮氣及未置換干凈的空氣在液氫液氧溫度下，會凝結成冰，形成“冰堵”。

3.3.1 閥門盒的設計

發動機電磁閥上設有排氣孔，在電磁閥不通電的情況下，排氣孔與被控閥門控制腔相通。當液氫液氧推進劑進入發動機后，被控閥門溫度降低，會使被控閥控制腔的空氣冷凝結冰，從而導致閥門功能喪失。

為防止控制腔內空氣冷凝成冰，設計從源頭上進行了防控，設計了專門的閥門盒，將控制電磁閥放置在閥門盒內，在發動機工作過程中，閥門盒中處于氦氣保護狀態，使進入控制腔的氣體為氦氣，而氦氣在氫氧溫度下，不會固化，從而有效防止冰堵現象。

3.3.2 發動機吹除系統的設計

為預防和控制此種類型的多余物，發動機在低溫液氫、液氧進入發動機前，設計了一套吹除系統，將發動機內的空氣通過吹除的方式，置換成在液氫液氧下不固化的氣體，一般氫路用氦氣置換，氧路用氦氣或氮氣置換，置換完成后保證發動機內腔無潮氣、空氣。

氫氧發動機吹除系統由地面吹除和箭上吹除兩部分組成。

a）地面吹除系統。

由地面供氣系統提供低壓氦氣或氮氣/加溫氮氣，在液氫液氧進入發動機前，對發動機內腔進行預冷前吹除置換；在氫氧推進劑加注過程中，液氫液氧溫度通過結構傳熱，發動機結構溫度降低，為“防止冷抽吸”，形成固態空氣，對發動機進行吹除防護。

發動機熱試車結束后，液氫液氧的燃燒產物水蒸汽存在于發動機內部，且發動機部分管路處于低溫狀態，可通過吹除排出水蒸汽、火藥殘渣并對發動機進行回溫，防止蒸汽停留在發動機內腔及冷抽吸。

b）箭上吹除系統。

箭上吹除系統給發動機推力室和燃氣發生器氧頭腔供高壓吹除氦氣，發動機起動和關機時工作，起動時進一步局部置換，關機時吹除掉燃燒產物和火藥殘渣。

3.3.3 發動機整體真空干燥

氫氧發動機試車后，存留于發動機內腔的水分必須及時徹底清除，僅靠試車后吹除是無法完全去除發動機內腔的水介質，因此應對發動機進行干燥處理。

正常情況下，發動機整體真空干燥處理工序應在試車返廠后48 h 內開始進行。

a）整體真空干燥的工藝參數要求。

干燥溫度的選取：烘干溫度主要是依據發動機各非金屬材料的零部組件的耐受溫度確定，一般不應高于各種材質耐受溫度的最小值；另外，干燥溫度還應考慮設備的恒溫保持能力。

真空度的選取：選擇真空度參數時，需考慮以下因素：1）保證發動機內不能存在液態水，即真空度要低于干燥溫度下水的飽和蒸汽壓；2）蒸發的水汽不會重新凝結成水；3）真空度應在設備允許的情況下全程保持穩定。

干燥時間：干燥時間應根據預估的試車后發動機內腔內含水量來確定，可通過大量的產品干燥比對試驗來確定。

b）真空干燥過程。

發動機真空干燥處理前，對發動機各對外接口進行多余物清理，再將發動機上的各對外接口敞開通大氣。

將發動機送入真空干燥箱中，檢查真空計顯示值是否在規定范圍內，設定時間與溫度。抽真空至規定值后，關閉抽真空程序，烘干箱開始加熱，抽真空及加熱程序也可同時進行，到規定溫度值后，系統開始計時，至規定時間后烘干程序結束。向干燥箱內充入高純氮氣或壓縮空氣，混合停留一段時間后，再次進行發動機規定時間的真空干燥。

干燥出箱后，及時封堵發動機各出口，保證發動機內腔的干燥環境與外界隔離，防止大氣中的水汽重新凝結。

3.3.4 發動機內腔環境監測設計。

在發動機停放和存儲期間，發動機內腔環境應干燥，無潮氣。為此在發動機推力室出口、渦輪排氣口等對外接口處設計了帶變色硅膠（又稱“防潮砂”）的保護蓋。

變色硅膠對空氣中的水蒸氣具有極強的吸附作用，能通過所含的氯化鈷結晶水變化數量而顯示不同的顏色，即由吸潮前的藍色隨吸潮量的增加而逐漸轉變成淺紅色、白色。

通過定期檢查發動機對外接口處變色硅膠的顏色變化，即可檢測發動機內腔環境，變色硅膠變色即立刻更換，使其具有持續的吸潮能力。

4 結束語

多余物種類繁多，形式多樣，層出不窮。理論上來說，多余物是絕對存在的，不存在則是相對的。多余物的防控需要在產品全壽命周期過程中全程預防和控制。對于氫氧低溫發動機，介質的精度要求、過濾器設置均是預防多余物的防護設計，還應充分考慮對空氣和潮氣帶來的多余物的防控。