航天发射场低温加注管路系统抽真空维护研究.pdf

收稿日期:航天发射场低温加注管路系统抽真空维护研究王 梁李 根刘卓然孙 贺(北京航天发射技术研究所北京)摘要:航天发射场低温加注系统普遍采用低温真空绝热管路随着使用时间的增长真空管路系统的真空性能会逐渐下降一般每 或真空压强 时应重新抽空一次 根据抽真空操作特点的不同低温加注管路抽真空工艺可分为返厂抽真空、在线抽真空、置换抽真空、非置换抽真空、热抽空、冷抽空、连续抽真空、间歇抽真空等 发射场低温加注管路系统抽真空应根据不同阶段发射场的现场实际情况选择相应的抽真空工艺 根据低温加注真空管路系统真空度要求考虑其经济性选用高真空机组进行抽真空 介绍了高密度发射任务下低温加注管路在线抽真空操作流程及注意事项关键词:低温加注真空管路抽真空中图分类号:文献标志码:文章编号:():/():.:低温推进剂具有无毒、无污染、高性能等优点被广泛应用于国内外主流运载火箭 美国太空发射系统火箭芯级使用了液氢、液氧推进剂猎鹰 号系列火箭使用了液氧作为氧化剂俄罗斯联盟号系列火箭使用了液氧作为氧化剂欧洲阿里安 火箭芯级使用了液氢、液氧推进剂国内 系列火箭、新一代 号系列、号系列、号系列运载火箭也使用了液氢、液氧推进剂我国西昌、文昌、太原发射场均建设了低温推进剂加注系统具备发射低温火箭的能力 为保证箭体低温推进剂品质低温加注系统普遍采用低温真空绝热管路 发射场地面设备具有“一次投入建设多年重复使用”的特点低温加注管路系统建成后一般要服役多年随着使用时间的增加加注管路的真空性能会逐渐下降对输送推进剂的品质会造成影响 随着我国航天事业的高速发展各发射场第 卷第 期低 温 与 特 气 年 月 均处于高密度常态化发射状态做好发射场低温加注真空管路系统的抽真空维护对保障发射任务圆满成功具有重要的意义 低温加注真空管路系统低温加注真空管路系统主要由低温真空硬管、低温真空三通、低温真空弯头、低温真空软管、低温真空阀门等组成 各真空管路、阀门一般在工厂完成组装和夹层抽真空后一起运往发射场进行连接 管路之间或管路与阀门之间的连接形式包括法兰连接和焊接两种 采用法兰连接形式的安装拆卸更为方便、便于维护但对加工要求比较高 而采用焊接形式对现场安装要求较高、更换维修比较困难但加工容易、管路接头漏热少 法兰连接和焊接两种形式各有利弊目前在发射场均有应用真空绝热方式主要分为高真空绝热、真空多孔绝热和高真空多层绝热 种 高真空绝热是将设备内外壁之间的真空夹层抽空至较高的真空度以达到绝热的目的 真空多孔绝热是在设备真空夹层中充填多孔性绝热材料如珠光砂粉末或纤维等并将夹层抽空至一定真空度以达到良好的绝热效果 高真空多层绝热是在设备真空夹层中装有多层隔热反射屏并将夹层抽空至较高真空度以达到绝热效果 在 种绝热方式中高真空多层绝热的绝热性能最好真空多孔绝热次之而高真空绝热相对较差 低温加注管路系统各设备根据自身结构的特点来选择不同的真空绝热方式低温真空硬管及软管、低温真空截止阀一般采用高真空多层绝热低温真空球阀一般采用高真空绝热高真空绝热是由一个热壁与冷壁构成纯粹的真空空间结构比较简单 以低温真空硬管为例重点对高真空多层绝热结构进行介绍 典型的低温真空硬管结构如图 所示采用高真空多层绝热结构含有内管与外管内管与外管之间形成真空绝热夹层 真空绝热夹层以辐射换热为主通过在内管外壁包覆多层隔热反射屏来大幅度减少辐射热从而达到高效绝热作用 隔热反射屏一般由无碱玻璃纤维布、镀铝聚酯薄膜间隔交替缠绕组成 外管上设有真空封口接头用于对夹层进行抽真空 真空封口接头结构如图 所示主要由封口塞、封口座、密封圈及封口罩组成 抽真空时需使用专用的真空封口推拉阀进行开封和封口操作 .热桥.外管.内管.多层缠绕层.波 纹补偿器.真空封口接头.支撑环.吸附剂室图 低温真空硬管.封口塞.封口座.密封圈.封口罩图 真空封口接头.抽真空维护要求我国西昌卫星发射中心在 世纪 年代建立了国内第一套低温加注系统并成功发射了 运载火箭 之后对该低温加注系统进行了升级改造成功执行了 系列火箭累计百次发射任务并积累了大量低温加注系统使用维护经验 由西昌卫星发射中心起草编制的 航天发射场低温加注设备使用维护要求中对低温真空绝热管路系统抽真空维护要求进行了规定:一般每 或真空压强 时应重新抽空 次此外发射场低温加注管路系统在每次发射任务地面设备恢复期间要进行 次液氮调试 液氮调试时要求液氮在低温加注管路内保持流动时间 观察真空加注管路设备表面应无结霜、结冰等现象管路外壁温度应不低于环境温度 在发射任务低温加注流程中低温推进剂大流量加注阶段也要对管路进行巡检和管壁测温检查低温加注管路绝热性能的情况便于对真空度下降、绝热性能较差的真空管路重新安排抽真空或进行更换真空夹层气密性、夹层材料放气速率是影响真空度长期保持性能的关键因素 真空夹层内总的漏气速率和放气速率之和用漏放气速率来表征单位为帕 低 温 与 特 气 第 卷立方米每秒(/)漏放气速率越大真空保持能力越差真空寿命越短 在抽真空封口时真空硬管漏放气总速率要求 /真空软管漏放气总速率要求 /真空阀门漏放气总速率要求 /真空管路、阀门抽空时的封口真空度要求 抽真空工艺选择除返厂检修外低温加注管路系统抽真空工作一般在发射场现场完成根据被抽管件是否从管路系统拆下返回设备厂房进行抽真空分为返厂抽真空和在线抽真空 设备厂房具有较好的环境条件和操作条件在被抽管件在线不易操作、可以更换备件使用的情况下应选择返厂抽真空 在线抽真空是在保持管路连接的状态下进行抽真空操作可以避免拆装管路带来的管路系统破空和引入多余物的风险 其缺点是低温加注管路系统为长管路系统、大部分安装在露天环境中而抽真空一般为长时间连续进行容易受天气条件的影响且受操作条件限制不易进行加热抽真空会导致被抽管件真空度长期保持性能相对较差根据抽真空时是否对被抽管件真空夹层进行氮气置换分为置换抽真空和非置换抽真空 真空绝热管路在长期使用过程中由于内外管壁漏放气及真空夹层材料放气会在夹层中产生不凝性气体这些气体不易被吸附剂吸附 通过向真空夹层通入高纯度干燥氮气进行置换有利于提高被抽管件在低温环境下的真空度保持性能 与非置换抽真空相比置换抽真空增加了抽真空设备配套需求操作更为复杂同时也增加了抽真空所需的工作时间根据抽真空时是否对被抽管件进行加热分为热抽空和冷抽空 热抽空将被抽管件加热至适当温度一方面气体分子在较高温度下动能越大越有利于被抽吸另一方面加速夹层材料放气速率有利于夹层内气体的释放从而提高夹层的真空保持性能热抽空需要配套相应的加热设备操作较为复杂一般在设备厂房内进行根据抽真空过程是否为连续进行分为连续抽真空和间歇抽真空 在设备厂房内由于环境条件有保障、操作便利一般进行连续抽真空 在在线抽真空的情况下考虑露天环境条件的影响及设备工作的安全性一般采用间歇抽真空抽真空机组白天开机夜间关机以保障低温加注管路系统性能满足发射任务使用要求为目标发射场低温加注管路系统抽真空应根据不同阶段发射场的现场实际情况选择制定相应的抽真空工艺 在发射任务间隔时间较长、抽真空时间充裕的情况下考虑采取返设备厂房进行相对全面完整的抽真空方式 在高密度发射任务情况下采取在线抽真空方式不进行置换和加热抽真空经多次任务使用验证可以保证低温加注管路系统绝热性能满足任务要求但相应地要缩短抽真空工作周期增加抽真空工作频次 抽真空机组选型抽真空机组是抽真空工作的核心设备正确选用抽真空机组是保证高效完成抽真空工作的前提下文对抽真空机组的选型进行了介绍根据抽真空机组可以获得的极限真空压力范围可以将抽真空机组分为粗真空机组、低真空机组、高真空机组、超高真空机组、极高真空机组真空机组分类如表 所示表 真空机组分类 类别获得真空压力范围/粗真空机组.低真空机组.高真空机组.超高真空机组.极高真空机组.选用的真空机组的极限真空度应高于抽真空目标真空度半个到一个数量级 根据低温加注真空管路系统真空度要求考虑其经济性应选用高真空机组高真空机组由主抽泵、前级泵、波纹软管、真空阀、真空计、冷却附件及显控系统等组成 真空机组主要选型参数包括极限压强和抽气速度 极限压强越低获得的真空度越高 抽气速度越大抽真空能力越强通过对多根管路同时进行抽真空可以提高抽真空效率主抽泵选用涡轮分子泵涡轮分子泵工作压力范围为 前级泵根据配套的分子泵参数可以选用旋片式机械泵旋片式机械泵工作压力范围为 抽真空机组使用时先开启前级泵待真空压力下降至满足分子泵工作压力范围后再开启主泵 同时前级泵选型时应保证抽气速率满足抽走主泵产生的最大气体量的要求第 期王 梁等:航天发射场低温加注管路系统抽真空维护研究真空计用于测量机组真空腔的真空度可以采用电阻规、电离规组合使用或者选用全量程真空计电阻规用于测量低真空范围真空度测量范围为 电离规用于测量高真空范围真空度测量范围为 全量程真空计测量范围可达 涡轮分子泵运行过程会产生较多热量通过配套水冷或空冷设备可及时带走热量降低工作温度确保分子泵正常稳定工作波纹软管用于连接主抽泵和前级泵选用不锈钢柔性波纹管管路连接一般采用 法兰连接形式具有密封可靠、拆卸方便、快速连接的特点 对应配套管路附件包括夹紧形连接器、形密封圈、密封圈支架具体规格尺寸应满足/要求真空阀起真空隔离作用一般选用手动角阀为提高自动控制程度也可以选用电动角阀 角阀选型重点考虑密封性和最低工作压力应满足系统使用要求 角阀密封性一般可达/最低工作压力一般可达 抽真空操作流程及注意事项抽真空工作前首先要进行抽真空设备及备附件齐套性检查设备自检确保满足使用要求 抽真空设备及备附件主要包括抽真空机组、工艺管路及管路阀件、专用真空封口推拉阀、真空封泥等 以高密度发射任务下低温加注管路在线抽真空(冷抽空)为例介绍抽真空操作流程及注意事项如下.被抽管件与抽真空设备连接 拆下真空管路封口接口保护罩检查封口接头密封面应光滑无多余物之后通过真空封口推拉阀与工艺管路进行连接.工艺管路进行预抽空及密封性检查 真空封口接头封口塞打开前对被抽管件与真空机组之间的工艺管路进行预抽空 先开启前级机械泵当工艺管路真空压力降至 时开启分子泵 当工艺管路真空压力达到 时关停分子泵继续运行机械泵观察工艺管路真空度 若工艺管路真空度缓慢上升则说明管路密封性能良好若工艺管路真空度快速上升一个数量级说明管路连接部位存在泄漏应重新连接紧固或用真空封泥进行密封.测量被抽管件真空腔剩余压强 确认工艺管路密封性良好当工艺管路真空压力达到 时关闭工艺管路与真空机组连接的阀门关停分子泵 通过真空推拉阀阀杆打开封口塞测量并计算被抽管件真空腔内剩余压强.管件抽真空 打开工艺管路与真空机组连接阀门当工艺管路真空压力降至 时应重新抽空一次根据抽真空不同操作特点低温加注管路抽真空工艺可分为返厂抽真空、在线抽真空、置换抽真空、非置换抽真空、热抽空、冷抽空、连续抽真空、间歇抽真空等 以保障低温加注管路系统性能满足发射任务使用要求为目标发射场低温加注管路系统抽真空应根据不同阶段发射场的现场实际情况选择相应的抽真空工艺真空机组选型极限真空度应高于抽真空目标真空度半个到一个数量级 根据低温加注真空管路系统真空度要求考虑其经济性选用高真空机组进行抽真空 介绍了高密度发射任务下低温加注管路在线抽真空操作流程及注意事项参考文献:胡旭东宋扬.液氧全过冷加注在新一代运载火箭加注工作中的应用价值.导弹与航天运载技术():.龙乐豪.系列运载火箭.导弹与航天运载技术():.康志远林洁.真空多层绝热管道技术现状.机电产品开发与创新 ():.曹岭唐强黄玲艳等.真空封口接头环境适应性改进研究.真空与低温 ():.王正兴.高真空多层绝热抽真空工艺研究现状与发展.低温工程():.张莉.真空获得设备及应用.北京:机械工业出版社.作者简介:王 梁()男硕士研究生工程师主要研究方向为运载火箭发射技术 手机:邮箱:.低 温 与 特 气 第 卷