1200kN 液氧煤油发动机湿态停放和快速处理技术研究

宋亚轻，白旭东，成 洁，王 飞，杨永强

（西安航天动力研究所，西安，710100）

0 引 言

1200 kN液氧煤油发动机是新型运载火箭的主动力发动机。当火箭载荷不同时，发射窗口宽窄不一[1]，嫦娥一号甚至实现了零窗口发射[2]，因此对发动机湿态停放时间提出了窗口适应性要求。另外由于恶劣天气或突发故障，导致推进剂加注后推迟或中止发射[3]，若推迟时间超出发动机湿态停放期，则需要泄出发动机内腔推进剂，按目前地面试车发动机后处理，工作量大，处理周期长，不仅延误发射进程，甚至导致火箭错过发射窗口。

为提高火箭发射可靠性和发射任务需求，开展发动机长时间湿态停放适应性和箭体环境使用维护流程研究，依据推进剂加注流程和随箭待机时间的不同，制定简捷高效的适应发射场环境的后处理方案，可简化操作流程，缩短发动机处理周期。

1 火箭窗口期或延迟发射对发动机要求

火箭执行正常发射流程时，推进剂加注流程有两个：a）氧贮箱和发动机内腔同时加注液氧；b）发动机燃料腔抽真空，打开煤油入口隔离阀加注煤油。

根据火箭测发流程和火箭等待或推迟发射时间的长短，梳理出5种工况，涵盖了三型火箭载荷窗口期要求和推迟发射时间段的要求。等待或延迟发射期间，要求发动机经处理后，可随时进入点火程序，为火箭快速响应创造宽松的条件，如表1所示。

表1 火箭对发动机处理需求Tab.1 Rocket Request for Engine Rreatment

续表1

2 发动机启动前准备工作

1200 kN液氧煤油发动机氧化剂为液氧，燃料为煤油，煤油系统入口设有隔离阀，发动机系统结构如图1所示。

图1 1200kN液氧煤油发动机系统结构示意Fig.1 1200kN LOX/Kerosene Rocket Engine System Schematic

由图1可以看出，氧系统预冷和煤油系统抽真空是发动机启动必须完成的准备工作[4]，箭体环境下，液氧经发动机入口泵前管路、氧泵和泵后管路、预冷回流阀出口，最终返回氧贮箱，即采用循环预冷方案[5]。预冷将完成时，燃料系统抽真空充填，抽真空可保证煤油供应系统工作稳定性和可靠性。

3 氧系统长时间预冷适应性

3.1 适应性分析

氧系统维持低温状态为1200 kN发动机启动条件。发动机维持加注液氧状态随箭停放3天。长时间预冷对发动机影响主要有以下3个方面：

a）主泵隔离腔温度。发动机煤油泵和氧泵同轴，在结构上，主泵隔离腔将氧泵和煤油泵隔开；发动机预冷期间，维持隔离腔吹除，以控制隔离腔温度；需持续对该测点进行监测判读。

b）推力室燃气喷前温度。发动机加注前已拆除推力室保护堵盖，燃气腔暴露在空气中，预冷期间燃气腔温度较低。为了防止水蒸汽倒吸结晶，须在预冷期间对燃气腔吹除，氮气吹除温控效果需通过地面试车预冷试验考核。

c）以上两路吹除均设有单向阀。单向阀工作时，阀芯在特定吹除压力和流量下易发生颤振[6]，阀芯与外壳长时间碰撞，因磨损将导致反向密封失效，需进行试验验证。

长时间低温状态对发动机启动是否有影响，须经过整机试车验证。

3.2 单向阀3天吹除试验

为确保试验准确性，吹除试验在发动机整机搭载，试验主要分为两个阶段：首先通过吹除压力宽带扫频，找到单向阀在各流道颤振吹除压力；其次，避开颤振入口压力进行3天吹除试验，压力值稳定，如图2所示。试验第1天和完成后分别检查单向阀反向密封性满足要求，验证单向阀长时间工作的适应性。

图2 单向阀3天吹除压力曲线Fig.2 Pressure of Check Valve Blowoff Last for Three Days

3.3 整机预冷试车

遵循循序渐进的原则，1200 kN整机预冷试验时间逐步延长，先后开展预冷1天、预冷2天和预冷3天，测点显示泵隔离腔温度和推力室燃气喷前温度稳定，单向阀后吹除压力稳定，试验后直接进入正常流程点火试车，发动机正常起动，工况参数无异常，验证了发动机氧系统长时间预冷适应。

4 液氧加注后泄出

贮箱加注液氧后，在停放期间贮箱中的液氧大量汽化损耗[7]，若待机超过3天，泄出贮箱中的液氧，发动机在箭体环境下泄液氧回温存在如下问题：

a）氧腔回流口对接。

发动机与舱体对接后，氧腔回流口与总体氧贮箱对接，无法由回流口泄出。

b）地面工装。

发射场无法实现用热空气吹除氧化剂系统外表面。地面试车状态，可在控制室监测氧化剂预冷回流出口和氧化剂入口处确定回温进程。在发射场泄液氧回温时，箭体已断电，无法监测温度变化。

针对上述问题采取如下措施：a）用地面管路连接已引至舱壁的预冷回流阀控制口和排放口，液氧从排放口泄出；b）回温期间，用舱段吹除代替热空气回温；c）用红外测温仪监测氧系统壁温。

5 湿态停放3天适应性

5.1 适应性分析

煤油入口隔离阀打开，煤油完成加注后发动机随箭停放，与加注液氧相比，增加了对燃料系统的维护要求，应关注低温氧系统对燃料系统的影响和非金属组件煤油浸泡适应性。

5.1.1 低温氧系统对燃料系统的影响

低温氧系统对燃料系统的影响为：a）燃料系统壁温过低将导致煤油结冰，发动机包裹在舱体内，燃料腔煤油受氧系统低温热传导和冷气对流影响逐渐降低；b）煤油温度变化引起燃料腔内压波动。

采取的措施为：a）湿态停放期间维持舱段吹除，避免燃料系统温度过低；b）不再关闭煤油入口隔离阀，发动机煤油腔压力变化被贮箱气垫缓冲吸收；c）贮箱保护压和煤油液柱静压较小，对燃料腔影响不大。

5.1.2 非金属件煤油浸泡适应性

燃料管路密封垫、启动箱胶囊、阀门和煤油泵密封垫均为非金属材料，在煤油浸泡下会发生轻微溶胀，将影响其密封性能。因此需开展组件煤油浸泡试验和整机加注煤油停放试验。

5.2 组件相容性试验

5.2.1 阀门煤油浸泡试验

对典型阀门开展常温和低温煤油浸泡试验，累计试验时间10天；然后对阀门试验过程进行分阶段检查，使其处于密封良好、打开和关闭压力稳定状态。

流量调节器是工况转级、流量调节和稳定的关键组件， 将流量调节器在浸泡煤油 30天后进行冷调试验，流量调节器转级正常。

5.2.2 煤油泵煤油浸泡试验

开展煤油泵密封长时间常温和低温浸泡试验，结果显示，煤油泵入口端面密封30天后无泄漏，分解后产品无异常，其性能满足要求。

5.2.3 启动箱相容性试验

启动箱内部胶囊隔离液腔和气腔，腔囊受压翻转挤破点火装置启动发动机，经60天煤油浸泡，气密检查良好。

5.3 整机湿态停放试验

发动机按试车流程加注液氧和煤油，维持加注状态，开展氧系统和燃料系统在液柱压力下3天停放试验，如图3所示，期间煤油系统外壁温度测点示值高于煤油结冰温度-60 ℃，煤油无结晶风险。3天停放试验后，直接进入点火流程试车，发动机正常启动和关机，全程工况和测量参数无异常。

图3 1200kN发动机湿态停放试验示意Fig.3 1200kN LOX/Kerosene Standby Test in Propellant Loading

6 7天内湿态停放快速处理

6.1 快速处理论证

6.1.1 泄出液氧

发动机加注液氧煤油后，推迟或等待4～7天发射，按火箭要求，超过3天液氧泄出。

6.1.2 关闭煤油入口隔离阀

发动机恢复常温，可关闭入口隔离阀使燃料腔不再承受入口压力，缓解管路及组件密封处，使发动机与增压输送系统和贮箱界限清晰，保护发动机不受外界影响，规避停放期间煤油贮箱或增压系统因误操作增压的风险。

6.1.3 打开排放阀泄压

关闭煤油入口隔离阀，燃料腔为封闭环境，打开燃料排放阀泄压，排出部分煤油后关闭，防止内腔煤油受环境温度变化压力增大。

6.1.4 非金属件煤油浸泡适应性

对燃料路典型阀门、煤油泵和启动箱等含非金属密封件的组件开展煤油相容性试验，试验完成无煤油泄漏，检查无异常。

6.2 整机试验考核

发动机按试车流程加注液氧和煤油，维持加注状态停放3天，泄出液氧，关闭煤油入口隔离阀，打开排放阀泄压，继续停放6天，前后停放9天。期间监测煤油系统外壁无渗漏，停放结束时，在推力室喉部取样化验碳氢化合物含量未超标，证明整机燃料腔密封良好。压力测点显示燃料腔内压波动很小。停放试验结束，直接进入点火流程试车，发动机启动和工况参数无异常。

7 不离箭快速处理技术

7.1 快速泄煤油方案

发动机停放 7～30天时，需泄出贮箱及发动机内腔煤油。地面试车时处理流程为：首先拆除涡轮泵泄液口、推力室泄液口和五通泄液口，并连接管路泄煤油；然后打开抽真空口泄煤油；最后挤启动箱，通过五通泄液口再次泄出煤油。

按目前发动机总装布局，箭体环境下，只有推力室泄液口和抽真空口在舱外。不进舱简化处理解决的途径有两种：第1种是将其余4个接口引出；第2种是通过舱外的两个接口泄煤油。

第1种途径可保证煤油腔处理后与试车处理方法一致，无需验证，因发动机摇摆时与舱壁之间有相对运动，必须用金属软管引出，布局复杂，效率低，且增加了处理操作，不宜采用；第2种途径可极大地减少泄煤油工作量，难点在于按此泄出煤油后，发动机燃料腔有煤油残留。火箭再次进入发射流程时，再次抽真空能否达到指标要求，加注完成后，是否影响发动机启动，需要进行煤油充填泄出试验和试车考核。应首先对第2种途径进行分析和试验，若发动机不适应，则再考虑第1种途径。

7.2 可行性分析

快速泄煤油后，煤油腔残留的煤油分布如图4所示，启动箱、转级腔和煤油泵积存的煤油无法泄出。

发动机燃料腔存在几个盲腔，盲腔内组件的煤油相容性需验证。分析认为简化泄煤油的主要风险为：燃料腔内未泄出的煤油经再次抽真空后，变成气液混合状态或悬浮煤油夹氮气垫，再次充填无法将夹杂的氮气排出，将会造成发动机点火及转级时序异常，启动失败。关键的部位有两处：再次抽真空后启动箱内真空度和流量调节器转级腔真空度。

图4 快速处理后残留煤油分布示意Fig.4 Kerosene Remain after Fast Processing

7.3 组件试验

燃料腔组件通过了长时间浸泡煤油相容性试验考核，启动箱已实现免复位[8]，通过增加试验验证了启动箱在充填煤油贮存60天后，抽真空满足启动前真空度指标要求，启动箱充满煤油抽真空时间比无煤油情况延长，如图5所示。

图5 启动箱充填煤油贮存后抽真空曲线Fig.5 Starting Box Creation of Vacuum in Filling State Storage

7.4 整机快速泄煤油和试车考核

1200 kN发动机按点火流程加注煤油，从推力室泄液口和抽真空口泄出燃料腔煤油，测量泄出煤油体积，快速处理泄出的煤油体积为正常流程泄出量的 86%。然后进行煤油腔试抽真空，启动箱液腔和流量调节器转腔真空度满足要求，但抽真空时间需大幅增加。按正常流程加注液氧和煤油，检测启动条件满足后，直接点火试车，获得成功，试后分析发动机启动和工况参数正常，验证了煤油快速处理方案的可行性。

8 结 论

a）首次实现了1200 kN液氧煤油发动机3天预冷和煤油7天不泄出停放，完成了组件飞行状态裕度试验和相容性试验，整机长时间湿态停放后试车考核，拓宽了火箭紧急情况下推迟发射的时间裕度；

b）提出一种可靠的不离箭快速处理方案，开展了关键组件适应性试验考核和发射场真实流程整机模拟试车考核，使发动机发射场使用维护简便快捷、易操作。