液體推進劑加注容器中出液管的清潔裝置設計

李 慧，孔德斌，朱曉驊

（1.上海空間推進研究所，上海 201112；2.上海空間發動機工程技術研究中心，上海 201112）

當執行航天發射任務時，應對液體火箭發動機儲箱進行加注，這勢必會用到大量液體推進劑（氧化劑、燃料）。其中，氧化劑以四氧化二氮為主[1]，燃料以肼類（無水肼、一甲基肼、單推-3 和偏二甲肼等）為主[2]。它們均具有易燃、高毒、易爆的特性，會對生態環境造成嚴重污染[3]，需要較大且潔凈度高的容器來盛放。

在對液體火箭發動機儲箱進行加注前，需要對液體推進劑加注容器進行清洗及擦拭。過程中，加注容器中出液管的清洗及擦拭難度相對較大。由于出液管與容器法蘭焊接在一起，大容器的法蘭尺寸及重量都相對較大，因此不容易平衡放置進行清洗。以體積為1 m3的加注容器為例，其出液管外徑為8～10 mm，內徑為6～8 mm，壁厚為1 mm。傳統的清洗方式是將帶有出液管的法蘭放置于平面上，需要通過接入管路，將酒精從一端擠入出液管，進行沖洗。法蘭一端較重，而另一端較輕，兩端不平衡造成傾斜，給清洗帶來困難。擦拭方式是先使用鐵絲捆綁住無塵布，然后將其插入出液管，進行擦拭，以除去出液管內壁上附著的多余物。過程中，由于結構兩端的不平衡，導致擦拭難度增大[4]。

鑒于此，本文擬設計一種能使清洗及擦拭同時進行的液體推進劑加注容器中出液管的清潔裝置，以期提高清潔效率及清潔質量。

1 問題分析

在用傳統的方式對液體推進劑加注容器進行清洗及擦拭時，存在著幾個問題。首先，出液管的清洗與擦拭分別進行，清潔過程耗時較長。其次，在出液管與法蘭蓋交叉的位置（圖1），存在焊兩通與出液管的焊接點，在焊接點的位置留存著焊點。當捆綁無塵布的鐵絲進入出液管中時，焊點往往會掛住或鉤住鐵絲。此時，很難將無塵布從出液管中拔出。若強行硬拽鐵絲，不但無塵布易被撕裂，鐵絲也極有可能會被拉斷兩者均會滯留于出液管中。再次，帶有法蘭的出液管不容易平衡放置，給清洗及擦拭增加操作困難。

圖1 出液管與法蘭蓋焊接工藝示意圖

2 系統設計

2.1 清潔桿的設計

通過優化清潔桿的桿體結構，達到清潔用無紡布安裝方便，綁扎固定用鐵絲的接頭毛刺部分不外露，解決容器內清潔過程中存在的鉤掛等問題，提高清潔效率。清潔桿兩個不同方向的剖面圖分別如圖2、圖3 所示。

圖2 清潔桿一方向剖面圖

圖3 清潔桿另一方向剖面圖

清潔桿的桿體為圓柱形筒體結構的圓管，桿體端部設置固定孔及容置槽。固定孔為沿桿體的徑向方向設置的通孔，用于綁扎用鐵絲等穿過。固定孔可容一根或多根綁扎用鐵絲穿過，其孔徑優選為1～3 mm。容置槽與固定孔位于桿體的同一端，容置槽用于提供清潔用無紡布的部分容置空間。容置槽沿桿體的軸向方向設置，即自桿體的端面沿桿體的軸向方向向下延伸一定距離開設凹槽形成容置槽，其容置槽為延伸至桿體側壁而形成兩端具有開口的通槽。因為容置槽具有一定的寬度，所以容置槽的開設使得圓柱形桿體的端部形成內凹的凸臺結構。容置槽的寬度和高度主要根據所需固定的無紡布而定。容置槽的寬度為1～3 mm，深度為10～20 mm。固定孔穿過容置槽，兩者可為正交方式，也可為斜交方式。

桿體端部固定無紡布的過程是將經特殊處理過的無紡布中間部分置入容置槽內，將綁扎用鐵絲的一端從固定孔的一端穿入，經容置槽時穿過無紡布，之后從固定孔的另一端穿出，細鐵絲兩端交叉擰緊后，將無紡布固定于桿體的端部。

由于固定孔與容置槽的配合，綁扎用鐵絲對無紡布進行固定后，兩端交叉擰緊的接頭毛刺部分置于因開設容置槽而在桿體的端部形成的內凹部分，使得接頭毛刺部分位于桿體的外周面以內，解決了現有技術中綁扎用鐵絲接頭毛刺部分位于桿體外周面以外而導致的與出液管內焊點等突出物的鉤掛問題。當然，若其鐵絲擰緊后的接頭毛刺部分較小時，也可容置于固定孔處。因桿體為圓柱體，開設固定孔后，其桿體端部的外周面上也會形成一定的凹陷部，其凹陷部可容置較小的接頭毛刺部分。

在容置槽開設后，圓柱形的桿體端部形成凸臺結構，其凸臺結構的內凹量還可根據實際情況加大，滿足接頭毛刺容置的要求。容置槽為沿桿體的中軸線向兩側延伸一定寬度形成的位于桿體中間的凹槽，其固定孔從容置槽的中間穿過。

2.2 容置槽結構的優化及固定孔的設置

桿體端部的容置槽的結構可為矩形槽、弧形槽或梯形槽中的一種。當容置槽為矩形槽時，開設方便，工藝簡單。當容置槽為弧形槽時，清潔用無紡布放置于弧形凹槽后，因弧形凹面而受到一定的彎曲預應力，特別適用于桿體旋轉過程中的清潔作業。當容置槽為梯形槽時，可于桿體端部形成有更多容置空間的凸臺結構，使得綁扎固定用鐵絲的接頭毛刺方便地容置于內。

桿體的端部能設置多條容置槽。多條容置槽可平行設置，也可交叉設置。結構形狀可相同，也可不同，如可為矩形與弧形兩種結構形成十字交叉設置。

當有多條容置槽時，無論平行設置，還是交叉設置，無紡布均可用一定的方式纏繞包覆于桿體端部之外，鐵絲通過固定孔對無紡布進行固定，進一步提高固定效果。特別是多條容置槽形成十字交叉結構時，無紡布就可通過套設的方式連接于桿體的端部，鐵絲通過固定孔對無紡布進行固定，安裝方便，固定牢固。

設置于桿體端部的固定孔可有多個。多個固定孔成排或者成列設置。多個固定孔也可構成一定形狀，如簡單的三角形，也可為不規則形狀。綁扎用鐵絲綁扎無紡布時，可進出穿插多次，也可沿軸向多道綁扎，提高對無紡布的固定效果。

2.3 液體推進劑加注容器中出液管清潔裝置的研制

液體推進劑加注容器中出液管清潔裝置的整體結構如圖4 所示。該裝置中除了清潔桿，還包括無紡布、法蘭、移動裝置、儲液器、輸送管和回收容器等。無紡布通過容置槽和固定孔固定于桿體的端部。法蘭連接于移動裝置上，用于固定待清潔出液管，其移動裝置可為移動小車等。儲液器儲存清洗液，儲液器通過輸送管與無紡布連通。具體地，桿體為腔體結構，輸送管一端連通儲液器，另一端進入桿體的腔體內與無紡布連通。輸送管為金屬軟管，可利用壓力等手段將儲液器內的清洗液通過輸送管輸送到無紡布上。

圖4 液體推進劑加注容器中出液管的清潔裝置整體結構示意圖

調整桿體的角度，使桿體與待清潔的出液管保持平行，將固定有無紡布的桿體端部伸入待清潔的出液管內，驅動移動裝置帶動法蘭移動，進而帶動出液管做軸線往復運動，桿體端部固定的無紡布對出液管內管壁進行清潔。同時，利用壓力等手段將儲液器內的清洗液通過輸送管擠壓到無紡布上，實現清洗及擦拭兩步驟同時進行，使得原本清洗與擦拭分開的步驟合并為一個步驟，減少了清潔工序，提高了清潔效率。

此外，在移動裝置上設置有回收容器。法蘭將待清潔出液管固定后，回收容器位于待清潔出液管的端部，用于回收從出液管流出的清洗液，節能環保。

3 實際使用效果

清潔桿上設置固定孔與容置槽，綁扎用鐵絲對無紡布進行固定后兩端交叉擰緊的接頭毛刺部分置于桿體端部的內凹部分，解決了現有技術中綁扎用鐵絲接頭毛刺部分位于桿體外周面以外而導致與出液管內的焊點等突出物的鉤掛問題。通過對容置槽結構的優化以及固定孔的設置進一步提高了清潔效率。研制出的液體推進劑加注容器中出液管的清潔裝置結構簡單，能夠使清洗及擦拭同時進行。

4 結論

液體推進劑加注容器中出液管的清潔裝置由清潔桿、無紡布、法蘭、移動裝置、儲液器、輸送管和回收容器等組成。清潔桿上設置固定孔與容置槽，綁扎用鐵絲對無紡布進行固定后兩端交叉擰緊的接頭毛刺部分置于桿體端部的內凹部分，解決了現有技術中綁扎鐵絲接頭毛刺部分位于桿體外周面以外而導致與出液管內的焊點等突出物的鉤掛問題。設計的液體推進劑加注容器中出液管的清潔裝置結構簡單，可減少清潔工序，提高清潔效率。該裝置適用于航天器發動機清潔技術領域，具有廣闊的應用前景。