管路系统环境试验技术

卫 国，于韶明，芦 田，胡彦平

（北京强度环境研究所，北京，100076）

管路系统环境试验技术

卫 国，于韶明，芦 田，胡彦平

（北京强度环境研究所，北京，100076）

航天器管路系统，其可靠性关系到整个型号的发射成败，需要对管路系统进行充分的地面环境试验考核。根据管路环境试验的需求，通过管路的常温振动环境试验技术、高温振动环境试验技术、低温振动环境试验技术等对航天器各类管路进行充分的地面试验。考核试验中，管路的地面环境与在航天器上的工作环境基本一致。通过一系列管路地面试验的考核，为检查型号设计、工艺缺陷提供方法，保证型号成功发射。

管路；环境试验；高温振动；低温振动

0 引 言

航天工程是人类探索未知宇宙的重要技术工程。依托航天工程，不仅对国家现代化建设起到巨大的带动作用，同时也是和平安定的国际环境的重要保障。为尽可能提高型号成功率和可靠性，需要进行充分的地面试验，将设计缺陷及薄弱环节提前暴露并解决。

作为航天器的“血管”，管路系统的可靠性关系着整个发射的成败。而管路系统的环境试验是型号地面试验的重要部分，受到高度关注。

环境试验主要包括：大气环境（温度、湿度、盐雾、霉菌、沙尘、雨淋、太阳光照等）、振动环境（随机、冲击、共振等）、压力环境（高压、低压、真空等）和其它环境（核福射、电磁干扰、噪声、离心等）。而对航天器的管路系统可靠性产生影响的主要环境因素有温度、内介质、压力、振动等。[1,2]

管路系统地面环境试验的关键是模拟航天工作时管路系统所处的环境，本文就3类主要的管路系统环境地面试验技术进行介绍。

1 管路常温振动环境试验

中国目前在役的运载火箭，其推进剂主要为偏二甲肼/N2O4，推进剂管路对常温、内压、振动复合环境的地面试验有较大的需求。比如目前可靠性要求最高的火箭，即载人航天的主力火箭CZ-2F的管路系统中各级喷前测压管工作时，管路内有介质偏二甲肼/N2O4，内压为11 MPa，处于振动应力环境中；上面级的输送管、连通管等工作时管路内介质也为偏二甲肼/N2O4，管路处于内压、振动复合环境中。

管路振动方程如式（1）所示：

式中 m为质量；c为阻尼；k为刚度；x为位移；p为振动力。

内介质会增加附加质量，引发液固耦合问题，管路的动力学特性会有显著变化，因此地面试验时要求尽量模拟管路的内介质、内压、振动的复合环境效应。

由于偏二甲肼/N2O4都是剧毒液体，试验室中严禁使用，只能采用密度相当的无毒模拟液代替，一般采用调制的尿素（密度 1.335 g/cm3）代替 N2O4（密度1.446 g/cm3），采用纯净水（密度1.0 g/cm3）代替偏二甲肼（密度0.793 g/cm3）。

目前液压设备一般无法达到11 MPa高压，试验室采用气液复合加载装置进行液压加载，如图1所示。

试验时，首先关上A2，打开A3，使用打压机将模拟液加注到试验管路中；然后关闭A3，打开A1、A2，就试验产品进行加压，达到目标压力后，关闭A1，进行试验。

管路的边界包含接口、支架等复杂接触，各处振动环境也不尽相同，地面振动试验完全等效箭上环境比较困难。工程试验中，考虑管路考核的关键位置、薄弱环节进行振动环境的包络，对比管路的实际振动环境对管路的两端、支架、绑扎点等进行模拟。

某型号管路系统试验如图2所示，管路内加注无毒模拟液，使用气液复合加载装置进行内压加载，靠近发动机端施加振动条件，另外一端与地面固定，该管路有两处绑扎点，考虑管路绑扎点的环境，将绑扎点与地面固定。

2 管路高温振动环境试验

航天器发动机工作时，推进剂燃烧会产生高温，航天器不少管路系统处于高温环境中，比如自生增压管系、排焰管等。

材料的性能比如强度、刚度等都与温度相关，热环境下管路的动力学性能与常温环境有显著差异。因此只有在热环境下进行管路的振动环境考核才是有效考核。在各个航天型号中，对热振联合试验的需求十分旺盛，是目前研究的热点。

对于管路热环境的模拟，主要有内加热、外加热两种方式。内加热为管路内加注满足温度要求的气体或液体；外加热为采用加热设备对管路外表面加热。

在内加热试验系统中[3]，介质流量mq由流量调节阀开度（冷流试验）或发动机喉部（点火实验）节流控制。假设试验系统管路内径为d，工作介质密度ρ，则管路内工作介质流速v为

压降LpΔ为

式中 L为管路长度。

由式（2）和式（3）可知，流量确定时，管路内径d越大，流速越慢，压降越大。管路内通加热后的气体，流量慢、压降大；使得管路出入口温差很大，因此管路内径d小于30 mm时，一般不采用内加热方式。

管路高温环境振动试验中有两个难点：一是热环境的模拟；二是振动环境的准确控制。

对于高温管路振动试验的控制方案，目前主要采用准闭环控制方式和非接触控制方式[4～6]。准闭环控制方式操作简单：可行性高，但是对于结构动力学特性与温度相关性高的产品准确度差；非接触控制方式控制（激光测振仪）基于多普勒效应进行加速度的测量并进行振动控制，较为准确，但是成本高、操作复杂、可行性差。工程试验中应该根据实际情况，选择合适的控制方案。

管路高温环境振动试验中夹具需要专门设计，确保高温不会灼伤振动台，也不会导致振动台、功率放大器等因过热而自我保护停机；同时作为振动夹具，需要满足刚度、阻尼等要求确保振动的传递[7]。目前高温环境下振动夹具主要分为2种：a）主动隔热式，采用耐高温材料（玻璃钢、复合材料等）制造夹具，通过阻断高温传导保护振动设备；b）被动隔热式，采用其他降温措施（水冷、风冷等）对夹具进行强制降温来保护振动设备。

2.1 外加热

外加热方式是通过对管路外壁进行加热来提供管路热环境，热源来自于管路外部。目前常用的有石英灯辐射、电热丝缠绕等加热方式模拟管路壁面温度。同时管内充入固定压力的气体，以达到模拟内部压力的目的。

外加热方式的优点是易于实现，对于管径的适应性较好；缺点是无法模拟某些管路内部高温气体的对流加热工况，内部高温气体的对流加热的管路热源为内部气流，同时受外表面辐射散热的影响，内壁温度高于外壁温度，而外加热方式管路外壁温度高于内壁温度。对于实际工况中热源不是管路内气体，而是周围环境热，外加热方式的有效性会大大提高。

图3为某型号发动机前封头测压管热振联合试验。

试验中由于管路很小（内径约5 mm），只能采用外加热方式，采用石英灯进行辐射加热，管路内用高压氮气瓶进行加压模拟管路内压环境，确保管路内压与实际工况相同。

该测压管在试车试验中，由于发动机参数的变化，发现其温度达到了500 ℃左右，远高于以往的测量数据，是型号成功发射的重大隐患。通过管路高温振动复合环境试验，对管路的环境适应性进行了充分考核，排除了发射安全隐患，确保型号的成功发射。

2.2 内加热

管路的内加热采用空气加热器和空气压缩机实现。空气首先通过空气压缩机加压，后进入空气电加热器加热，最后高温高压气流流经管路对其加热。

内加热方式的优点是管路内部是高温气体对流加热，且可以控制气体压力，与真实情况相近；缺点是压力范围有限，对于压力要求比较高的工况难以满足，而且只适用于一定直径范围的管路，对于过粗或过细的管路均不适用。温度受限于空气加热器的功率，目前内加热方式管路内温度最高只能达到800 ℃，对于更高温度的热环境只能采用其他方式。

另外由于采用内加热方式使内部气体产生对流以及温度传感器的误差等因素的影响使得管路内部的气体压力不可能保持恒定值，需要通过压力调节阀实时控制内部空气压力以达到试验要求，压力控制精度较低。

某型号一级排焰管高温振动复合环境试验如图 4所示。

按照实际使用工况，试验管路的温度需要达到700 ℃高温，同时进行内压、振动复合环境考核。为确保管路内温度达到700 ℃，尽量缩短加注管路长度，并对加注管路进行防散热处理；管路通过转接工装与振动台固支，转接工装实现管路复杂空间角度的安装；采用准闭环控制方式进行振动控制。

3 管路低温振动环境试验

美国、法国等国家很早就开始重视推进剂的毒性与污染问题，限制甚至禁止使用偏二甲肼。采用新型燃料的大推力火箭发动机是目前火箭发展的趋势。中国也开始对火箭的新型燃料进行研究与使用，液氧/煤油推进剂发动机已在 CZ-7上使用，液氧/液氢推进剂发动机已在CZ-5上使用。

由于新型燃料的使用，CZ-7/CZ-5的液氧输送管路、氧预冷回流管路等均为低温管路，使用工况为低温、内压、振动复合环境，对管路的设计、地面试验的实施提出新的要求。

这类管路系统环境试验的关键是管内低温介质的模拟、压力的加载、振动环境的模拟等。

由于液氧具有危险性，普通实验室中严禁使用，试验中采用密度、温度相当的液氮代替液氧。液氮加注设备如图5所示。液氮加注设备主要由液氮罐、加注管路、平衡罐、加压气瓶及配套阀门组成。试验前，将试验管路与整个系统连接；然后液氮罐通过液氮汽化自增压向试验系统内加注液氮，直至平衡罐内加满为止；通过加压气瓶、自动阀门调节整个系统内的压力，试验管路系统内压的模拟。试验过程中，管路内液氮会因吸热汽化，平衡罐内液氮由于重力作用补充到管路内，确保管路内介质始终为液氮，实现管路低温内介质的模拟。

管路系统的低温振动复合环境试验是一个系统工程，不仅涉及到温度的模拟，同时涉及压力保持、振动加载等各个环节，同时因为低温、压力等环境的影响，对振动设备产生了许多新的影响。

由于液氮温度为-193 ℃，低温会灼伤振动设备，为防止低温影响振动设备的使用，采用振动设备低温防护系统[8]，通过隔热装置阻断低温的传导，确保振动台正常工作。对于直径超过300 mm的管路，在增压过程中，因压力引起的内力直接作用到振动台上，会严重损失振动台的推力，采用管路内力平衡系统[9]，通过弹力绳平衡到管路内力，同时又不影响管路振动应力的加载，确保振动台不因管路内力影响正常工作。管路增压过程中，由于内压增加，易产生“压杆稳定问题”失稳破坏，采用管路试验防失稳系统[10]，通过导向杆等装置，确保增压过程中管路不会失稳破坏。

4 结束语

管路问题受到各型号重视，管路系统的地面环境试验对于管路的设计缺陷的暴露，可靠性的验证具有重要意义，各个型号都加大了管路试验的重视与投入。

管路系统环境试验最关键的是地面环境与工作环境的等效。为了更准确地模拟管路系统工作环境，更有效的对管路系统进行考核，发展了各类管路系统环境试验技术。

管路系统常温振动环境试验设计了一套气液复合加载装置，准确模拟管路内介质、内压等参数；分析实际使用环境并考虑工程实现情况确定管路地面试验最优边界，包括管路各个端口及支架连接、绑扎点等，根据分析结果进行有效模拟。

管路系统高温振动环境试验中，通过对真实工况的研究，合理选择内加热、外加热方式，同时合理选择振动控制方法，设计加工有效的试验夹具进行管路系统高温振动环境试验。

管路系统低温振动环境试验，通过液氮加载设备对试验管路进行低温加载，并通过振动设备的低温防护系统确保振动台能在管路产品进行低温加注后正常工作；通过内力平衡技术、防失稳技术等的应用确保运载火箭的液氧输送管、氧预冷回流管路等的顺利完成。

[1] 邢天虎, 王涌泉, 雷平森, 等. 力学环境技术[M]. 西安: 西北工业大学出版社, 2003.

[2] 徐冠华. 动力学综合环境试验若干理论及技术问题的研究[D]. 杭州:浙江大学, 2014.

[3] 刘洌, 卫强, 方忠坚, 等. 小推力高室压NTO/MMH火箭发动机实验系统管路流阻特性实验[J]. 航空动力学报, 2016, 31(3): 746-755.

[4] 董理, 王新. 管路系统热-振联合环境试验技术研究[J]. 强度与环境,2014, 41(5): 56-60.

[5] 肖乃风, 刘永清. 热振联合试验控制技术研究[J]. 强度与环境, 2012,39(2): 53-57.

[6] 张治君, 成竹, 王琦, 等. 热振联合环境试验技术研究[J]. 实验力学,2013, 28(4): 529-535.

[7] 于韶明, 卫国, 杨峰, 等. 振动试验夹具设计与实践[J]. 装备环境工程,2014, 11(2): 81-86.

[8] 于韶明, 芦田, 韩文龙, 等. 振动设备低温防护系统: 中国, ZL 201420376988.7[P]. 2015-06-17.

[9] 芦田, 卫国, 董理, 等. 一种管路内力平衡系统: 中国, ZL 201420401360.8[P]. 2014-12-10.

[10] 董理, 王新, 芦田, 等. 一种管路试验防失稳系统: 中国, ZL 201420400951.3[P]. 2014-12-10.

Environmental Testing Technology of Pipeline System

Wei Guo, Yu Shao-ming, Lu Tian, Hu Yan-ping
(Beijing Institute of Structure and Environment Engineering, Beijing, 100076）

It is important to carry out full ground environment tests for pipeline system. According to the tests’ requirement, the normal temperature vibration, thermal-vibration and cryogenic- vibration environment test technology are developed to achieve all kinds of pipeline tests. The environment of the pipeline’s ground test is basically the same as that of the spacecraft. Through the evaluation of a series of pipeline ground test, it exposes the design and process defects, and contributes to the successful launch.

Pipeline; Environmental test; Thermal-vibration; Cryogenic-vibration

V416.2

A

1004-7182(2017)05-0093-04

10.7654/j.issn.1004-7182.20170523

2017-02-07；

2017-05-01

卫 国（1965-），男，研究员，主要研究方向为环境工程