液体推进剂加注容器中出液管的清洁装置设计

李 慧，孔德斌，朱晓骅

（1.上海空间推进研究所，上海 201112；2.上海空间发动机工程技术研究中心，上海 201112）

当执行航天发射任务时，应对液体火箭发动机储箱进行加注，这势必会用到大量液体推进剂（氧化剂、燃料）。其中，氧化剂以四氧化二氮为主[1]，燃料以肼类（无水肼、一甲基肼、单推-3 和偏二甲肼等）为主[2]。它们均具有易燃、高毒、易爆的特性，会对生态环境造成严重污染[3]，需要较大且洁净度高的容器来盛放。

在对液体火箭发动机储箱进行加注前，需要对液体推进剂加注容器进行清洗及擦拭。过程中，加注容器中出液管的清洗及擦拭难度相对较大。由于出液管与容器法兰焊接在一起，大容器的法兰尺寸及重量都相对较大，因此不容易平衡放置进行清洗。以体积为1 m3的加注容器为例，其出液管外径为8～10 mm，内径为6～8 mm，壁厚为1 mm。传统的清洗方式是将带有出液管的法兰放置于平面上，需要通过接入管路，将酒精从一端挤入出液管，进行冲洗。法兰一端较重，而另一端较轻，两端不平衡造成倾斜，给清洗带来困难。擦拭方式是先使用铁丝捆绑住无尘布，然后将其插入出液管，进行擦拭，以除去出液管内壁上附着的多余物。过程中，由于结构两端的不平衡，导致擦拭难度增大[4]。

鉴于此，本文拟设计一种能使清洗及擦拭同时进行的液体推进剂加注容器中出液管的清洁装置，以期提高清洁效率及清洁质量。

1 问题分析

在用传统的方式对液体推进剂加注容器进行清洗及擦拭时，存在着几个问题。首先，出液管的清洗与擦拭分别进行，清洁过程耗时较长。其次，在出液管与法兰盖交叉的位置（图1），存在焊两通与出液管的焊接点，在焊接点的位置留存着焊点。当捆绑无尘布的铁丝进入出液管中时，焊点往往会挂住或钩住铁丝。此时，很难将无尘布从出液管中拔出。若强行硬拽铁丝，不但无尘布易被撕裂，铁丝也极有可能会被拉断两者均会滞留于出液管中。再次，带有法兰的出液管不容易平衡放置，给清洗及擦拭增加操作困难。

图1 出液管与法兰盖焊接工艺示意图

2 系统设计

2.1 清洁杆的设计

通过优化清洁杆的杆体结构，达到清洁用无纺布安装方便，绑扎固定用铁丝的接头毛刺部分不外露，解决容器内清洁过程中存在的钩挂等问题，提高清洁效率。清洁杆两个不同方向的剖面图分别如图2、图3 所示。

图2 清洁杆一方向剖面图

图3 清洁杆另一方向剖面图

清洁杆的杆体为圆柱形筒体结构的圆管，杆体端部设置固定孔及容置槽。固定孔为沿杆体的径向方向设置的通孔，用于绑扎用铁丝等穿过。固定孔可容一根或多根绑扎用铁丝穿过，其孔径优选为1～3 mm。容置槽与固定孔位于杆体的同一端，容置槽用于提供清洁用无纺布的部分容置空间。容置槽沿杆体的轴向方向设置，即自杆体的端面沿杆体的轴向方向向下延伸一定距离开设凹槽形成容置槽，其容置槽为延伸至杆体侧壁而形成两端具有开口的通槽。因为容置槽具有一定的宽度，所以容置槽的开设使得圆柱形杆体的端部形成内凹的凸台结构。容置槽的宽度和高度主要根据所需固定的无纺布而定。容置槽的宽度为1～3 mm，深度为10～20 mm。固定孔穿过容置槽，两者可为正交方式，也可为斜交方式。

杆体端部固定无纺布的过程是将经特殊处理过的无纺布中间部分置入容置槽内，将绑扎用铁丝的一端从固定孔的一端穿入，经容置槽时穿过无纺布，之后从固定孔的另一端穿出，细铁丝两端交叉拧紧后，将无纺布固定于杆体的端部。

由于固定孔与容置槽的配合，绑扎用铁丝对无纺布进行固定后，两端交叉拧紧的接头毛刺部分置于因开设容置槽而在杆体的端部形成的内凹部分，使得接头毛刺部分位于杆体的外周面以内，解决了现有技术中绑扎用铁丝接头毛刺部分位于杆体外周面以外而导致的与出液管内焊点等突出物的钩挂问题。当然，若其铁丝拧紧后的接头毛刺部分较小时，也可容置于固定孔处。因杆体为圆柱体，开设固定孔后，其杆体端部的外周面上也会形成一定的凹陷部，其凹陷部可容置较小的接头毛刺部分。

在容置槽开设后，圆柱形的杆体端部形成凸台结构，其凸台结构的内凹量还可根据实际情况加大，满足接头毛刺容置的要求。容置槽为沿杆体的中轴线向两侧延伸一定宽度形成的位于杆体中间的凹槽，其固定孔从容置槽的中间穿过。

2.2 容置槽结构的优化及固定孔的设置

杆体端部的容置槽的结构可为矩形槽、弧形槽或梯形槽中的一种。当容置槽为矩形槽时，开设方便，工艺简单。当容置槽为弧形槽时，清洁用无纺布放置于弧形凹槽后，因弧形凹面而受到一定的弯曲预应力，特别适用于杆体旋转过程中的清洁作业。当容置槽为梯形槽时，可于杆体端部形成有更多容置空间的凸台结构，使得绑扎固定用铁丝的接头毛刺方便地容置于内。

杆体的端部能设置多条容置槽。多条容置槽可平行设置，也可交叉设置。结构形状可相同，也可不同，如可为矩形与弧形两种结构形成十字交叉设置。

当有多条容置槽时，无论平行设置，还是交叉设置，无纺布均可用一定的方式缠绕包覆于杆体端部之外，铁丝通过固定孔对无纺布进行固定，进一步提高固定效果。特别是多条容置槽形成十字交叉结构时，无纺布就可通过套设的方式连接于杆体的端部，铁丝通过固定孔对无纺布进行固定，安装方便，固定牢固。

设置于杆体端部的固定孔可有多个。多个固定孔成排或者成列设置。多个固定孔也可构成一定形状，如简单的三角形，也可为不规则形状。绑扎用铁丝绑扎无纺布时，可进出穿插多次，也可沿轴向多道绑扎，提高对无纺布的固定效果。

2.3 液体推进剂加注容器中出液管清洁装置的研制

液体推进剂加注容器中出液管清洁装置的整体结构如图4 所示。该装置中除了清洁杆，还包括无纺布、法兰、移动装置、储液器、输送管和回收容器等。无纺布通过容置槽和固定孔固定于杆体的端部。法兰连接于移动装置上，用于固定待清洁出液管，其移动装置可为移动小车等。储液器储存清洗液，储液器通过输送管与无纺布连通。具体地，杆体为腔体结构，输送管一端连通储液器，另一端进入杆体的腔体内与无纺布连通。输送管为金属软管，可利用压力等手段将储液器内的清洗液通过输送管输送到无纺布上。

图4 液体推进剂加注容器中出液管的清洁装置整体结构示意图

调整杆体的角度，使杆体与待清洁的出液管保持平行，将固定有无纺布的杆体端部伸入待清洁的出液管内，驱动移动装置带动法兰移动，进而带动出液管做轴线往复运动，杆体端部固定的无纺布对出液管内管壁进行清洁。同时，利用压力等手段将储液器内的清洗液通过输送管挤压到无纺布上，实现清洗及擦拭两步骤同时进行，使得原本清洗与擦拭分开的步骤合并为一个步骤，减少了清洁工序，提高了清洁效率。

此外，在移动装置上设置有回收容器。法兰将待清洁出液管固定后，回收容器位于待清洁出液管的端部，用于回收从出液管流出的清洗液，节能环保。

3 实际使用效果

清洁杆上设置固定孔与容置槽，绑扎用铁丝对无纺布进行固定后两端交叉拧紧的接头毛刺部分置于杆体端部的内凹部分，解决了现有技术中绑扎用铁丝接头毛刺部分位于杆体外周面以外而导致与出液管内的焊点等突出物的钩挂问题。通过对容置槽结构的优化以及固定孔的设置进一步提高了清洁效率。研制出的液体推进剂加注容器中出液管的清洁装置结构简单，能够使清洗及擦拭同时进行。

4 结论

液体推进剂加注容器中出液管的清洁装置由清洁杆、无纺布、法兰、移动装置、储液器、输送管和回收容器等组成。清洁杆上设置固定孔与容置槽，绑扎用铁丝对无纺布进行固定后两端交叉拧紧的接头毛刺部分置于杆体端部的内凹部分，解决了现有技术中绑扎铁丝接头毛刺部分位于杆体外周面以外而导致与出液管内的焊点等突出物的钩挂问题。设计的液体推进剂加注容器中出液管的清洁装置结构简单，可减少清洁工序，提高清洁效率。该装置适用于航天器发动机清洁技术领域，具有广阔的应用前景。