管路振动试验的低温防护

于韶明，芦 田，韩文龙，卫 国，胡彦平



管路振动试验的低温防护

于韶明，芦 田，韩文龙，卫 国，胡彦平

（北京强度环境研究所，北京，100076）

长征7号、长征5号运载火箭采用煤油/液氧、液氢/液氧等清洁能源作为推进剂，在环境保护、推力水平等方面得到长足的进步，对新型燃料火箭的发展提出了低温管路振动试验的需求。为了液氧/液氢温区管路振动试验的实现，需要对振动设备进行低温防护。从隔热装置、连接装置、防护装置3个方面对常温振动设备进行改进，满足管路低温振动试验的要求。采用低温防护措施后，完成了上百根低温管路的振动试验，为型号研制做出巨大贡献。振动系统的低温防护方法的成功经验可以为其它型号试验提供参考。

管路；振动试验；低温防护

0 引 言

随着中国载人航天的事业的发展，以及空间站的建立，大推力、大运载火箭需求越来越迫切[1,2]。目前现有的长征系列运载火箭是在战略武器的基础上演变延用而来的，其推进剂（偏二甲肼/四氧化二氮）存在毒性大、污染严重、价格高、性能差等不足。美国、法国、苏联等航天大国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。因此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[3]。中国也开始对火箭的新型燃料进行研究与使用，液氧/煤油推进剂发动机将在长征7号（CZ-7）上使用，液氧/液氢推进剂发动机将在长征5号（CZ-5）上使用。新型推进剂相比传统推进剂在环境保护、经费控制等方面有明显优势，但是新型燃料的采用也为设计、试验带来新的要求。液氧/液氢温度均很低，设计、试验需要在低温环境下进行，特别是低温试验，没有经验可以借鉴。

新型燃料火箭的研制过程中，燃料、氧化剂等的管路关系火箭发射的成败，为了确保火箭发射的成功，管路的环境试验必不可少。管路的环境试验，需要尽量模拟管路的真实环境，即管路通入与真实介质类似的低温介质，同时保持工作状态时的压力。由于液氢/液氧温度很低，分别为20 K（-253 ℃）和80 K （-193 ℃）左右，这对管路的低温振动提出了新的要求。原有火箭的推进剂为偏二甲肼/四氧化二氮，虽然剧毒，但是均为常温介质，管路试验均为常温试验。对于低温管路的振动试验，中国还没有经验，试验难度很大，为了保证试验的顺利进行，北京强度环境研究所通过攻关，掌握了低温管路振动试验技术[4~6]。由于振动台不能在特别低的工况下工作，为了确保管路低温振动试验的顺利进行，需要在振动试验的低温防护方面进行一系列的研究。

1 振动试验的低温防护装置

针对现有振动设备只能在常温工况下正常工作，而管路需要通入低温介质（达20 K）的实际情况，从低温传导的阻隔、连接装置的低温适应性、低温介质泄露的防护3个方向进行研究。通过对现有振动系统进行改进，升级为振动试验低温防护系统，确保管路在通入低温介质的情况下，振动台动圈仍能维持在正常工作的温区内；同时对试验过程中管路低温介质泄露进行了防护，避免试验产品损坏而灼伤振动台，造成损失。

振动试验低温防护系统示意如图1所示，振动台动圈连接柱与转接工装之间放置隔热装置，连接装置将转接工装、隔热装置固定于振动台上。

图1 低温防护系统

1.1 隔热装置

为防止产品低温传导到振动台上，在振动台与产品之间安装隔热装置，阻隔低温的传导。隔热装置需要能够防止试验产品低温灼伤振动台，同时作为振动工装，需要满足刚度、阻尼等要求确保振动的传 递[7~10]。隔热装置需要选取热传导率低、刚度高的材料，既保证振动设备能量的传递，又能阻断管路低温向振动台动圈传递，从力学性能、热性能等方面综合考量，选取了工程中常见的材料进行进一步的研究对比，材料参数如表1所示。

由表1可知，刚性隔热瓦热性能良好，热导率达0.05 W/(m·K)，但是强度太低，弹性模量仅有0.04 GPa左右，振动传递性能难以满足要求；不锈钢强度足够，但是热导率高达14 W/(m·K)，不能有效阻隔热量传递；石英/酚醛短纤维材料在热传导率与刚度等方面性能适中，从数据上看是良好的振动设备隔热装置材料。

表1 备选材料性能参数

Tab.1 Parameters of Alternative Materials

材料参数石英/酚醛短纤维刚性隔热瓦不锈钢 密度/(g·cm-3)1.64～1.650.33±0.037.9 强度/MPa40.9～55.51.7~2.2520 模量/GPa12.4～24.90.03~0.05206 断裂伸长率58%～86%—— 弯曲强度/MPa55.7～182—— 弯曲模量/GPa7.24～13.4—— 热导率（150℃）W/(m·k)0.51～0.550.0514 比热容kg/(kg·K)1.14～1.211.25～1.260.51 线膨胀系数/K6.59×10-6～8.27×10-6（150℃）1.64×10-6（100℃）17×10-6（100℃）

对石英/酚醛短纤维材料的隔热装置隔热效果进行简单计算，分析验证石英/酚醛短纤维材料的隔热装置能否满足低温振动的要求。考虑到与振动台连接的是图1中冷源为试验件，因此只需计算转接工装的温度能否满足要求。

试验中，管路试验件通过法兰与隔热板相连，法兰是振动台的直接冷源，法兰如图2所示。

图2 管路转接法兰

热的传导主要有3种方式：热辐射，热对流，热传导[11]。

热辐射功率见式（1），由于管路法兰与转接工装之间有隔热装置，热辐射无法直接作用，可以忽略。

热对流方程见式（2）[12]，由于整个试验系统暴露于厂房之中，空间足够大，空气对流迅速，因此热对流影响不大，可以忽略。

热传导方程见式（3）[13]，边界条件是法兰（见图2）内液氮为冷源，为了简化计算、偏安全考虑，将法兰作为冷源边界。

从式（3）可以推导出热传导的功率方程（4）为

对于采用的隔热装置：

出于安全考虑，假设热传导的热量全部作用于转接工装上，使得转接工装温度变化。对于转接工装，吸收的热量导致温度升高，见式（5）：

式（5）与式（6）联立，得：

式（7）为转接工装在采用隔热装置后，产品充满液氮时变温速率，降温速率为3.5 K/h，石英/酚醛短纤维材料的隔热装置能够满足工程试验要求。

1.2 连接装置

振动台动圈连接柱与转接工装之间通过连接装置连接。连接装置需要在低温（最低达20 K）工况下保持高强度，具有较强的低温适应性，同时热导率尽量低；连接后，保证振动台的能量通过隔热装置能够传导到转接工装上，同时尽量防止产品上的低温传导到振动台上。金属材料低温环境下强度（弹性模量、屈服应力等）增强，韧性（颈缩率等）降低，容易发生破坏。0Cr18Ni9材料液氧温区强度增强，弹性模量从200 GPa升至214 GPa，屈服应力从205 MPa升至 441 MPa；韧性降低少，颈缩率从35%降到30%，相比碳钢等其他常用材料，0Cr18Ni9适用于低温环境固支连接。

1.3 防护装置

选用防低温液体材料制成的防护布，嵌套在振动台动圈连接柱与隔热装置之间，防止低温介质泄露灼伤动圈。防护布首先需要能够防止低温液体泄露，同时需要具备足够的韧性，能够盖在振动台动圈上。低温振动试验时，低温介质发生泄漏，要求低温防护布在介质完全气化前进行阻隔，保护振动台。聚氯乙烯无固定熔点，80~85 ℃开始软化，常温环境质软，低温环境中强度增强，可以作为低温防护布材料。

2 几种管路系统振动试验的低温防护

作为火箭的“血管”，管路系统的可靠性关系着整个发射的成败。为了航天的可靠性，管路系统的地面振动试验尤为重要。在CZ-7、CZ-5号的研制过程中，上百根管路需要进行低温振动试验，包含各级火箭的氧输送管路、氧预冷回流管路、氧加注管路等的验收、鉴定试验

图3为CZ-5号某根液氧输送管路低温振动试验。液氮与液氧的熔点、密度等物理性能接近，更加安全，采用液氮模拟液氧环境。从图3中可以看出，液氮加注后，加注管路因为低温结霜，在低温防护系统保护下，振动台正常运行，确保了管路振动试验的顺利完成。

图3 液氧输送管振动试验

图4为CZ-7号某根氧预冷回流管管系低温振动试验。从图4中可以看出，预冷回流管管系为多根管路连接而成，管系长、走势复杂，采用双振动台加载模拟火箭环境。在低温防护系统保护下，振动台正常运行，CZ-7氧预冷回流管路振动试验顺利完成。

图4 预冷回流管路振动试验

图5为CZ-5某根液氧加注管路低温振动试验。液氧加注管路的长度一个振动台无法固定，需采用两个振动台加载。从图5中可以看出，图中为滑台方向振动试验，滑台方向的低温防护与垂台方向相似，也包含隔热装置、连接装置等，在低温防护系统保护下，滑台润滑油保持在室温环境，滑台正常运转，振动台正常工作，确保了CZ-5液氧加注管路振动试验的顺利完成。

图5 氧加注管振动试验

3 结束语

运载火箭是航天事业发展的基础，管路系统是运载火箭的“血管”，在采用液氢/液氧等清洁能源作为运载火箭新型燃料的发展趋势下，火箭管路的低温振动试验需求越来越大。管路低温振动试验涉及到温度、振动等多方面学科，为了管路低温振动试验的实现，振动系统的低温防护是必不可少的，也是极其重要的。

从低温传导的阻隔、连接装置的低温适应性、低温介质泄露的防护3个方向进行研究。通过对隔热装置材料遴选以及理论计算验证解决了管路内温度传导到振动台的难题；采用0Cr18Ni9加工低温振动试验的连接装置，确保低温振动试验振动应力的传递；防护装置为安全设计，避免在振动试验时低温介质泄露时，振动台被灼伤，造成安全事故。

完成CZ-7、CZ-5号液氧输送管、液氢输送管、液氧预冷回流管路，氧加注管等一系列管路低温、内压、位移、振动复合环境试验的地面试验，管路低温振动试验中低温防护经实际检验，该防护方法切实可靠，可以为其它型号试验借鉴。

[1] 范瑞祥, 容易. 新一代中型运载火箭的发展展望[J]. 载人航天, 2013, 19: 1-4.

Fan Ruixiang, Rong Yi. The evolution prospect of China’s medium launch vehicle[J]. China Manned Spaceflight, 2013, 19: 1-4.

[2] 张庆伟. 面向21世纪的中国航天运载技术[J]. 中国航天, 2001(1): 4-8.

Zhang Qingwei. China’s launch vehicle for 21st century[J]. Aerospace China, 2001(1): 4-8.

[3] 龙乐豪. 新一代运载火箭[J]. 航空制造技术, 2003(2):17-21.

Long Lehao. New Generation Launch Vehicle[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2003(2): 17-21.

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

Yu Shaoming, Lu Tian, Han Wenlong, et al. Cryogenic Protection System for Vibration Equipment: China, 201420376988.7[P]. 2015-06-17.

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

Lu Tian, Wei Guo, Dong Li, et al. An Internal Force Balance System for Pipelines’ Vibration Test: China, 201420401360.8 [P]. 2014-12-10.

[6] 董理, 王新, 芦田等. 一种管路试验防失稳系统: 中国, 201420400951.3[P]. 2014-12-510.

Dong Li, Wang Xin, Lu Tian, et al. An Anti Instability System for Pipelines’ Vibration Test: China, 201420400951.3 [P]. 2014-12-510.

[7] GJB150.16A-2009军用装备实验室环境试验方法第16部分: 振动试验[S]. 2009.

GJB150.16A-2009 Laboratory Environmental Test Methods for Milirary Materiel Part 16: Vibration Test[S]. 2009.

[8] 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(4): 81-86.

Yu Shaoming, Wei Guo, Yang Feng, et al. Fixture Design and Practice for Vibration Test [J]. Equipment Environmental Engineering, 2014(4): 81-86.

[9] 王东升, 任万发, 刘青林, 等. 振动试验夹具共振频率设计要求研究[J]. 航天器环境工程, 2014, 31(1): 37-41.

Wang Dongsheng, Ren Wan-fa, Liu Qing-lin, et al. The design requirements of the resonance frequency of vibration test fixtures[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2014, 31(1):37-41.

[10] 陈立伟, 卫国. 某振动台大型转接夹具设计与振动特性计算分析[J]. 强度与环境, 2009(3):54-58.

Chen Liwei, Wei Guo. Structure design and vibration characteristic analysis of large size fixture for a certain shaker[J]. Structure & Environment Engineering, 2009(3):54-58.

[11] 杨世铭, 陶文铨. 传热学[M]. 北京: 高等教育出版社, 2006.

Yang Shiming, Tao Wenquan. Heat transfer[M]. Beijing: High Education Press, 2006.

[12] Wang L B, Li X X, Lin Z M, et al. Additional description of laminar heat convection in tube with uniform wall temperature[J]. Journal of Thermophysics and Heat Transfer, 2009(23): 200-205.

[13] Löhle S, Frankel J I. Additional physical insight into system identification parameters applied to inverse heat conduction problems[J]. Journal of Thermophysics and Heat Transfer, 2015(29): 467-472.

Cryogenic Protection of Pipeline Vibration Test

Yu Shao-ming, Lu Tian, Han Wen-long, Wei Guo, Hu Yan-ping

(Beijing Institute of Structure and Environment Engineering, Beijing, 100076)

Using kerosene / oxygen and hydrogen / oxygen such as propellant in the launch vehicle of CZ-7&CZ-5 has made great progress in environmental protection, thrust level and so on. The development of new launch vehicle has put forward the requirement of cryogenic pipeline vibration test. In order to realize the pipeline vibration test of liquid oxygen / liquid hydrogen temperature, it is necessary to make cryogenic protection for vibration equipment. From three aspects of heat insulation device, connecting device and protective device, the normal vibration equipment is improved to meet the requirements of pipeline cryogenic vibration test. After the cryogenic protection measures, the vibration test of hundreds of cryogenic pipelines were completed, which made great contributions to the development of the launch vehicle. The successful experience of the cryogenic protection method of vibration system can provide reference for other tests.

Pipeline; Vibration test; Cryogenic protection

1004-7182(2018)01-0102-04

10.7654/j.issn.1004-7182.20180120

V416.2

A

2017-02-07；

2017-05-02

于韶明（1986-），男，工程师，主要研究方向为动力学试验