长征四号系列火箭增压输送系统技术发展综述.pdf

第 40 卷 2023 年第 s1 期上海航天（中英文）AEROSPACE SHANGHAI（CHINESE&ENGLISH）长征四号系列火箭增压输送系统技术发展综述段海洋，饶笑山，杜海浪，徐鹏里，田宜聪，何鹏，古艳峰（上海宇航系统工程研究所，上海 201109）摘要:长征四号系列运载火箭是我国长征系列火箭发射中低轨卫星任务的主力火箭。20世纪 80年代，长征四号增压输送系统创造性地设计了可适应共底贮箱的三级全程常温氦气定压力增压和主副路增压方案，并成功实施。随着运载火箭高可靠性、高密度及低成本的发展趋势，对增压输送系统技术的发展提出了更高要求。在增压控制、模块化设计及密封等专业技术的基础上，长征四号系列火箭增压输送系统技术不断改进，发展升级了三级数字式增压系统、两级减压、系统冗错能力及新型密封技术应用等，提高了系统可靠性。关键词:长征四号火箭；增压；控制；密封中图分类号:V 434.23 文献标志码:ADOI:10.19328/ki.20968655.2023.s1.027Review on the Development of the Pressurization System of the Propellant Tank for the Long March-4 launch vehicleDUAN Haiyang，RAO Xiaoshan，DU Hailang，XU Pengli，TIAN Yicong，HE Peng，GU Yanfeng（Aerospace System Engineering Shanghai，Shanghai 201109，China）Abstract:The LM-4 launch vehicle is a main member of China s Long March launch vehicle family to launch medium and low-orbit satellites.In the 1980s，an advanced constant pressure helium full-duration primary/secondary two-way pressurization scheme was used in the third-stage propulsion system，which adapted to the high-strength aluminium single-thin-layer common inter-tank bulkhead tankage design.With the development trend of high reliability，high density and low cost of the launch vehicle，higher requirements are merging and are requested for the development of a pressurization system for the propellant tank.Based on the development of pressurization control technology，modular design and sealing，the pressurization system of the propellant tank for the LM-4 launch vehicle kept being improved and optimized.The system reliability thus can be enhanced in various ways，for example，the digital pressurization system、the two-stage pressure-reducing system、the fault tolerance system、the new sealing technology and so on.Key words:launch vehicle；pressurization；control；sealing0引言 1988 年 9 月 7 日，长征四号甲运载火箭在太原卫星发射中心成功完成首飞，其增压输送系统设计的三级全程常温氦气定压力增压和主副路增压方案首次得到成功验证。40年来，增压输送系统开展了多方面技术改进，增压控制、模块化设计和密封设计等功能不断升级应用，发展了三级数字式增压系统，提升了两级减压的可靠性、系统冗错能力及新型密封技术应用等，提高了系统的性能。本文对长征四号系列火箭增压输送系统技术发展进行系统梳理和总结，并对未来的技术发展进行展望。长征四号系列火箭增压输送系统方案液体火箭基础级具有推力大、过载变化大、满足发动机入口所需要的贮箱增压压力变化较大等特点，增压输送系统一般采用单路定流量增压模式，即贮箱增压采取开式增压方案，典型的开式增收稿日期：20230603；修回日期：20230609作者简介：段海洋（1988），男，硕士研究生，工程师，主要研究方向为运载火箭动力系统设计。184第 40 卷 2023 年第 s1 期段海洋，等：长征四号系列火箭增压输送系统技术发展综述压方案如图 1所示。液体火箭上面级和航天器具有推力小、过载变化小、发动机入口压力范围较窄等特点，增压输送系统一般采用定压力值增压方案，即贮箱增压采取闭式增压方案1-2，典型的闭式增压方案如图 2所示。长征四号系列火箭一二子级是从长征三号一、二级发展而来。增压输送系统采取开式增压方案，增压气体以恒定流量供应，不进行闭环调节，燃料贮箱采用燃气增压方式，使用发动机燃烧产物作为增压介质，在发动机燃气出口设置降温器，将燃气降到合适温度再引入贮箱进行增压。氧化剂贮箱采用自生增压方式，将发动机蒸发器汽化后得到的气体使用氧化剂对贮箱进行增压。在发动机起动时，分别由氮气瓶增压系统给一级氧化剂、燃料箱及 二 级 氧 化 剂 箱 补 充 增 压，提 升 发 动 机 起 动 可靠性3。长征四号系列火箭三子级增压输送系统创造性地设计了可适应共底贮箱的三级全程常温氦气定压力增压和主、副路增压方案，采用主副两路冗余设计、定压控制增压的方式3，利用贮存在高压气瓶中的增压气体进行增压。设置贮箱压力敏感装置和增压气体流量调节装置，根据贮箱压力的变化情况进行反馈，使箱压控制在设定范围内，在节约增压气体用量方面具有显著优势，整个系统的质量轻，可靠性高。长征四号系列火箭在进行升级改进时，为了提高三级增压输送系统高压启动的可靠性，在主增压路上采取两级减压方案，同时为消除三子级在轨解体的风险，在三子级增加了剩余推进剂排放系统，在火箭任务结束后，将末子级共底贮箱内的剩余推进剂全部排放。为拓展发射任务需求，火箭三子级开展了高空两次起动技术研制，增压输送系统为满足三级滑行段推进剂管理和发动机二次起动要求，增加了发动机副系统吹除气源系统、发动机排放控制气源系统、推进剂管理用正推火箭，增大了发动机控制用气瓶容积，并对三级底部导管及阀门等增加了防热保护措施，为防止三级滑行段推进剂进入增压管路，重新设计了三级扩散器。2国内增压输送系统技术发展现状 随着新一代火箭的成功研制和飞行试验，增压输送系统技术取得了较大的进展，常温氦气增压、常温氦气加温增压、冷氦增压和冷氦加温增压等先进技术已经成功研制并应用。长征五号火箭助推氧箱使用常温氦气加温增压技术，助推煤油箱使用常温氦气闭式增压技术。对于液氧贮箱，用于增压的氦气是否加温对用气量影响显著，对煤油贮箱的影响较小6。长征三号系列火箭三级氧箱采用冷氦增压技术，氦气瓶存放在液氢箱中，低温氦气经发动机加温器加温后对氧箱进行增压。图 1一、二级开式增压输送系统Fig.1The diagram of the open pressurization system for basic stage liquid rocket图 2三级闭式增压系统Fig.2The diagram of the closed-loop pressurization system for Upper stage liquid rocket、185第 40 卷 2023 年第 s1 期上海航天（中英文）AEROSPACE SHANGHAI（CHINESE&ENGLISH）重视冗余设计，提高单机产品和系统可靠性。增压控制技术方面，压力传感器和控制器配合的控制模式成为新型火箭的主流选择，如长征六号甲火箭增压控制系统采用压力传感器控制技术代替传统的压力信号器控制技术，在系统可靠性、箱压控制灵活性和产品散差等方面有较大优势4-5。重视轻质高效产品的研制，包括新材料和模块化设计理念的应用，提高增压输送系统结构效率。长征六号甲等新一代火箭通过对增压阀门进行集成安装设计，采用更为紧凑的布局，可有效降低系统总装难度。通过缩减单机产品的类型和规格、推进通用化产品的研制和应用，可有效提高产品的生产效率和一致性7。在密封技术方面，研制发展出双道密封、台阶性金属密封技术，大幅提升了管路在低温、高压环境下的密封可靠性，并发展出使用多种密封形式复合形成的冗余密封技术。3长征四号系列火箭增压输送系统技术发展 通过借鉴新一代火箭增压输送系统技术，长征四号系列火箭增压输送系统在研制过程中，结合常温液体推进剂的火箭技术特点，对增压控制技术、系统冗错能力、系统性能、总装设计和密封可靠性进行提升。本节对长征四号系列火箭增压输送系统主要改进项目进行梳理。3.1增压控制技术的升级长征四号系列火箭三级增压控制系统在早期采用压力信号器控制技术，如图 3 所示。使用压力信号器配合电阻盒共同工作，压力信号器内的膜片、弹簧或波纹管等感压元件根据箱压的变化情况使触点移动，控制电路打开和关闭，从而实现对电磁阀供电的通断控制。但压力信号器属于机械式结构的产品，在生产过程中无法避免弹簧和膜片产品特性的散差，必然会带来控制带宽与设计值之间的偏差，如图 4所示。从前期实际测试结果来看，压力信号器的控制带宽往往小于设计值要求。压力信号器本身存在固有薄弱环节，借鉴新一代火箭增压输送系统采用的增压控制技术，长征四号系列火箭实现了从压力信号器控制增压到数字式增压系统的升级，如图 5所示。工作过程中，增压控制器对三路压力传感器采集到的数据进行处理，并采取三取二的方式取平均值，发出相应的电磁阀动作指令。该控制技术的优点包括：1）可根据系统最优需求，在控制器软件中设置箱压的控制带宽，避免电磁阀频繁打开关闭；2）采用压力传感器控制技术不存在调节类单机因生产过程带来的散差问题；3）采 用 的 多 路 压 力 传 感 器 互 为 冗 余，可 靠度高。图 3压力信号器控制系统Fig.3The control system of the pressure annunciator图 4压力信号器原理Fig.4Structure of the pressure annunciator图 5压力传感器控制系统Fig.5The control system of the pressure sensor186第 40 卷 2023 年第 s1 期段海洋，等：长征四号系列火箭增压输送系统技术发展综述改进后的增压控制系统已多次参加飞行试验，通过对飞行过程中贮箱气枕压力遥测值进行分析，可见贮箱压力基本能够稳定在设计的压力控制带内，如图 6所示。3.2系统冗错能力的提升3.2.1增压冗余能力的提升长征四号三级增压系统的设计改进，重点是针对增压冗余能力进行提升。首先考虑两种极限状态，即主路增压常通、两个副路补压常通，以及主路增压不通、两个副路正常增压。在此两种极限状态下增压气体的流量应当能够满足系统的要求8。通过增压计算和地面冷流试验可知，在原氧化剂副路节流圈孔径为 1.0 mm 时，主路不通，副路正常状态下，贮箱压力在工作早期就出现了下降现象，到工作末期，贮箱压力实测值已低于贮箱所需压力要求值，表明系统未能实现增压冗余，如图 7所示。通过将氧化剂副路节流圈孔径由 1.0 mm 调整为 1.1 mm，在不增加气瓶数量的情况下，全程氧化剂箱压计算值可满足所需最小箱压值9，如图 8所示。3.2.2多余物防控能力的提升长征四号增压输送系统在多余物防控能力提升时，需要避免多余物从内部产生，包括对阀门零件生产、装配测试过程和管路内部多余物的控制。另一方面，假定系统内部已经存在多余物，应采取隔离措施防止多余物运动至敏感部位。针对上述情况，需在发动机控制气瓶和吹除气瓶出口均增加过滤器，同时在三级推进剂输送管路上增加过滤器，避免贮箱及增压输送系统可能产生或存在的多余物影响三级发动机的正常工作。3.3系统性能的挖潜3.3.1增压能力的提升一级贮箱增压压力提高可有效提高一级贮箱的刚度。经过对一级增压系统分析，发动机提供的自生增压流量可满足贮箱增压压力需求。由于安溢活门安装在贮箱自生增压管下端，安溢活门感受的压力不是真实贮箱气枕压力，当安溢活门处压力达到活门自动打开压力时，安溢活门打开放气，使部分增压气体排到箭体外，减少了进入贮箱的增压气体流量。根据增压计算分析，一级飞行段氧化剂安溢活门约放掉了 15%自生增压气体，燃料安溢活门约放掉了 35%自生增压气体。如能减少安溢活门放气量，进入贮箱的增压气体会相应增加，提升贮箱增压压力。为减少安溢活门放气量，可通过提高安溢活门图 6增压控制系统应用实例Fig.6Application example of redundant pressurization control system图 7主路异常，副路正常状态（1.0 mm）Fig.11Calculation result of engine inlet pressure when the secondary pressurization system was normal only（1.0 mm）图 8主路异常，副路正常状态（1.1 mm）Fig.12Calculation result of engine inlet pressure when the secondary pressurization system was normal only（1.1 mm）187第 40 卷 2023 年第 s1 期上海航天（中英文）AEROSPACE SHANGHAI（CHINESE&ENGLISH）打开压力或降低安溢活门处的压力来实现。针对提升安溢活门打开压力的方案，通过飞行数据分析，该项措施对一级贮箱增压压力提高效果不明显，且安溢活门打开压力已接近贮箱设计压力的上限，因此降低安溢活门处的压力很有必要。在不改变安溢活门安装位置的前提下，影响安溢活门处压力的因素有贮箱气枕压力及贮箱内自生增压管流阻，如果能够减少贮箱内自生增压管的流阻，则可提高贮箱气枕压力。通过扩大自生增压管扩散口面积，由原来为自生增压管面积的 1.3 倍扩大到 3.1 倍，可减少自生增压管的流阻，有利于降低安溢活门位置处的压力，减少通过安溢活门排到箭体外的增压气体量，达到提高一级贮箱压力的目的。根据飞行试验数据表明，自生增压管面积增大后，一级氧化剂贮箱压力升高了 0.05 MPa，一级燃料贮箱压力升高了 0.03 MPa。3.3.2复合材料气瓶的应用长征四号系列火箭为提高控制系统可靠性，采用控制系统冗余设计方案，需要优化三级设备安装布局，将设备由仪器舱外圆盘的安装更改到三级贮箱前底进行安装，因此原安装于三级贮箱前底的气瓶将调整到支撑舱外壁进行安装，为使增压气瓶安装后对火箭其他部位以及卫星无影响，同时为了减轻系统重量，增压输送系统使用 8 个 25 L 的复合材料气瓶代替原 10个 20 L钛合金气瓶，增压气瓶及其安装减轻重量约 25 kg，提高了火箭运载能力。3.4总装设计的发展3.4.1减少系统组件种类20世纪 90年代，三级主增压路从单膜片减压阀一级减压升级发展到两级减压方案，第一级减压采用新增的柱塞式减压阀，敏感元件为阀杆，阀杆在入口高压气体、调节后的低压气体和基准弹簧的共同作用下处于动态平衡状态，能够保持出口压力稳定；第二级减压阀采用膜片减压阀，敏感元件为膜片，高压气体经过滑阀节流口减压至规定压力，减压后低压气体经反馈孔流道流入膜片反馈腔，再经出口腔流入出口接管嘴处。阀杆在入口高压作用力、出口低压作用力、膜片反馈作用力、弹簧的共同作用下处于动态平衡状态。与膜片减压阀比较，柱塞式减压阀具有结构简单、耐压力冲击能力更强、工作承压能力更高的优点10。作为系统关键单机，在长期使用过程中，近年来借鉴产品通用化改进理念，三级主增压路第二级膜片减压阀也进一步改进为柱塞式减压阀，提升了系统可靠性。3.4.2模块化设计由于三级贮箱为共底设计，在三级贮箱后底及短壳上布置了总体设备、电气单机电缆和动力阀门管路产品，具有各系统设备单机多、安装操作空间紧凑及力学环境复杂的特点。前期三级增压系统上的阀门管路均散落布置在三级后短壳内部，管路走向复杂，为协调管路安装带来一定困难，因此，三级增压主路和副路系统上的阀门管路采取集成安装设计，带来优点如下：1）三级动力总装测试流程进行优化，在增压组件状态可完成气密性测试；2）三级贮箱后底及短壳上空间得到有效利用，管路协调安装效率得到有效提升，同时为火箭总装布局提供便利。如图 9和图 10所示。图 9增压主路阀门集成设计Fig.9Integrated design of the main valve in the pressurization system图 10增压副路阀门集成设计Fig.10Integrated design of secondary valve in the pressurization system188第 40 卷 2023 年第 s1 期段海洋，等：长征四号系列火箭增压输送系统技术发展综述3.5密封技术的发展增压输送系统小直径管路连接件大量使用了球头-锥面金属密封的结构形式，如图 11 所示。该密封结构由于金属自身压缩量较小，在长期贮存后会释放部分应力，且增压输送系统管路在测试、运输和发射阶段需要承受各种振动、冲击、压力及温度环境的影响，一旦发生泄漏故障，将造成重大损失。锥面-胶圈结构是一种可靠性更高的密封结构型式，如图 12 所示，其特点为利用楔形结构下的内腔压力压紧胶圈，内压越高，胶圈压紧变形越大，密封就越可靠，特别适合于常温环境条件下的高压密封。针对该密封结构开展了胶圈耐介质试验，试验结果明确胶圈材料选择方案为，接触空气、氮气、氦气、燃料蒸汽、燃料推进剂、高温燃气的增压气体使用三元乙丙胶 S8101；接触氧化剂蒸汽及氧化剂高温自生增压的气体使用丁基胶 1403-1。针对长时间浸泡在推进剂介质中的导管密封部位，采用双道密封形式，如图 13 所示。与管路介质接触的第一道密封采用球头金属硬密封，从材料角度分析，无论是钛合金、不锈钢或铝合金与火箭推进剂均有着良好的相容性，对长期相容性以及热交变环境并不敏感，起到主要密封作用。第二道密封采用胶圈径向密封，作为冗余，在球头密封性能下降时，能够保证接头单道胶圈的漏率满足要求。考虑介质与胶圈的相容性，球头前置方式能较好地阻隔或延缓介质与胶圈接触，提高长期贮存性能。原先采用球形喇叭口密封结构的二级自生增压管路，其应用环境具有温度高、力学环境复杂等特点，改为采用台阶型金属密封和锥面橡胶圈密封结构，在温度适应性、加工要求、重复拆装性以及抗振动性等方面均优于目前使用的球形喇叭口密封形式，如图 14所示。4长征四号系列火箭增压输送系统技术发展展望 自长征四号火箭研制至今，增压输送系统在提升可靠性方面不断进行迭代改进，除了上述提到的技术发展外，还包括将安溢活门主阀膜片由单膜片改为双膜片、蓄压器充气用冷气开关改为单向阀、膜片组合件采用防转结构设计等。同时，在追求高可靠性的基础上，面对高密度的发射任务，在满足测试覆盖性的基础上，对研制和发射场流程进行了优化，包括对管路协调生产流程进行优化，发射场图 11球头-锥面密封结构Fig.11Ball joint conical sealing structure图 12锥面-胶圈密封结构Fig.12Cone-shaped rubber ring sealing structure图 13双密封管路结构Fig.13Double-sealed pipeline structure图 14双密封管路结构Fig.14Double-sealed pipeline structure189第 40 卷 2023 年第 s1 期上海航天（中英文）AEROSPACE SHANGHAI（CHINESE&ENGLISH）动力气密和火箭模拟发射工作合并优化等。未来，长征四号系列火箭增压输送系统技术的发展可以从以下几个方面着手。4.1继续推进减少系统组件种类的研究工作长征四号系列火箭增压输送系统已积累有近百发飞行数据子样，通过对飞行数据深度分析，系统组成仍有进一步优化的空间。比如在火箭起动段，一级氧化剂贮箱气枕压力有约 0.12 MPa的增压裕度，一级燃料贮箱气枕压力有约 0.14 MPa的增压裕度，结合仿真计算和飞行数据，取消一级氧化剂贮箱和燃料箱气瓶增压系统后，起动段一级氧化剂贮箱和燃料贮箱的增压裕度仍有 0.03 MPa，增压能力在可控范围之内。说明可取消一级氧化剂箱和燃料箱的气瓶增压系统，一级可减少增压气瓶、卸荷开关、电爆阀、节流圈、电爆管、相应导管和安装支架等产品。改造后火箭总装测试流程得到优化，并可避免卸荷开关对操作要求较高，容易产生多余物等问题。4.2针对操作要求高的产品，从设计层面进行优化加注阀用于贮箱加注或推进剂泄出，靠地面加泄连接器顶杆顶开，加泄连接器顶杆退回后，阀门自动关闭密封。加注阀的开启和关闭均与地面加泄连接器动作有关，因此对地面加泄连接器的安装及加注阀与连接器的匹配性要求较高。在发射场全系统气密检查试验过程中曾发生过加注阀漏气的现象。为了降低地面加泄连接器对加注阀的影响，可将加注阀改为气动加注阀，但需要考虑密封设计和产品安装情况，此时地面连接器也需要得到相应优化，包括取消判断阀开关信号的信号装置和作动顶杆；还可考虑优化加注零液位传感器的安装方式，采用螺纹安装，降低快速接头敲击安装对传感器带来的影响。4.3机电一体化产品的研制增压输送系统安溢阀是一个典型的机械式压力自反馈闭环系统，可确保火箭飞行中贮箱内压力不超过允许极限值，需要敏感元件来感受贮箱压力变化。敏感元件作为关键件，一旦发生破裂、泄漏则会导致产品失效。阀门内部的动态环境复杂，要求敏感元件具有很高的可靠性，在产品研制过程中曾出现过指挥阀和主阀的颤振现象。因此可借鉴增压系统压力传感器控制技术，通过设计电控安全阀系统，采用压力传感器、电磁阀、安全阀、控制器配合的方案，消除纯机械式安溢阀产品的散差和颤振现象，提升安全阀打开压力调节的灵活性和系统的可靠性。5结束语 长征四号系列火箭型号成熟，其增压输送系统借鉴了国内外增压输送专业技术的发展成果，在增压控制技术、模块化设计和密封设计方面已经取得了实质性的进展和应用，升级发展了三级数字式增压系统，提升了两级减压可靠性、系统冗错能力及新型密封技术等，提高了系统可靠性。本文提出了减少系统组件种类、优化设计以降低操作难度、推进机电一体化产品等发展方向，可为其他型号提供有效参考。参考文献1 廖少英.一种新的运载火箭上面级和航天器轻型增压系统 J.上海航天，2005，6：10.2 廖少英.液体火箭推进增压输送系统 M.北京：国防工业出版社，2007.3世界航天运载大全 编委会.世界航天运载器大全M.（2版）.北京：中国宇航出版社，2007.4 孙礼杰，金鑫.运载火箭贮箱增压控制技术发展综述J.宇航总体技术，2017，1（1）：66-70.5 STOUT P W，SNELL S A.Multiple on-off solenoid valve control for a launch vehicle propellant tank pressurization system R.AIAA，99-4085，1999.6 范瑞祥.新一代运载火箭增压技术研究 J.火箭推进，2012，38（4）：9-16.7 陈士强，黄辉.中国运载火箭液体动力系统发展方向研究 J.宇航总体技术，2020，4（2）：1-12.8 姚娜，李会萍.新一代运载火箭推进剂贮箱的冗余氦气增压系统 J.上海航天，2014，31（2）：42-46.9 段海洋，张效溥.液体火箭推进剂贮箱冗余增压技术及试验研究 J.上海航天，2020，37（S2）：7-10.10 张卫东.运载火箭液氧煤油增压输送 M.北京：中国宇航出版社，2016：204-206.190