可重复使用发动机管路连接与密封可靠性工作思考

2023-04-06陈守芳熊莉芳袁军社

空天防御 2023年1期

陈守芳，李健，熊莉芳，袁军社

（1.西安航天动力研究所，陕西西安 710100；2.中国航天标准化研究所，北京 100071）

0 引言

随着SpaceX 公司的猎鹰九运载火箭Merlin 发动机的回收成功，验证了液体火箭发动机回收技术的可行性。与一次使用发动机相比，单次飞行任务增加了回收过程，滑行期发动机状态管理等，导致发动机系统更加复杂，对可重复使用发动机可靠性要求更高，同时也意味着可靠性工作更复杂，更需尽早策划。目前，我国尚未提出完善的可重复使用发动机可靠性要求，可靠性的设计尚处于摸索阶段，未形成针对可重复使用发动机可靠性要求的设计分析与验证评估方法。本文结合某型液氧煤油发动机的研制现状，从管路连接与密封（以下简称导管）的角度探讨重复使用发动机可靠性工作的技术途径。

1 一次使用发动机和重复使用发动机的主要区别

1.1 任务剖面不同

一次使用发动机任务剖面［1］为发射飞行，发动机一般为一次起动额定工作状态，按预定要求时间关机。重复使用发动机，增加了回收过程，回收过程包括滑行期状态管理、高空二次起动，工况调整、关机、着陆等。多次重复使用产品还要经过地面维修、维护、状态确认等环节。导管由原来一次工作变成多次工作，疲劳寿命问题需要重点研究。图1 为重复使用发动机任务剖面示意图。

图1 重复使用发动机任务剖面示意图Fig.1 Reusable liquid rocket engine's task profile sketch

1.2 环境剖面不同

重复使用发动机除了要经历运输环境、点火前地面自然环境、力热环境、飞行高空环境，还要反复经历分离冲击、高空点火、力热环境，滑行期热态发动机要经历海洋大气腐蚀环境、返回热流、落地冲击环境、湿态使用维护贮存环境等等。

导管工作环境更加复杂和恶劣，进行可靠性设计要考虑的因素和验证的条件也更苛刻。

1.3 寿命剖面不同

重复使用发动机单次任务工作时间加长，导致对组件的耐久性寿命要求增加，与导管连接阀和摇摆环节的工作次数增加，与起动关机冲击相关导管承受的冲击次数也随着重复使用次数增加而增加，以往用强度代替耐冲击寿命要求的做法也应重新审视，需要重新考虑试验验证方案。

1.4 功能要求及结构不同

相对于一次使用发动机，重复使用发动机不仅功能要求增加，还增加了对组件的重复使用性和可更换性要求，由此带来结构的适应性变化。以液氧煤油发动机［2］为例说明重复使用发动机主要功能的变化及对应的结构变化，具体对应关系见图2，导管不仅数量增加，重要度也在提升，比如滑行期状态管理相关的导管如出现泄漏，就会影响回收任务的完成。

图2 功能层次与结构层次划分对应关系图Fig.2 Correspondence between function hierarchy and structure hierarchy

2 重复使用发动机管路连接与密封可靠性工作的思考

2.1 可靠性现状分析

大多数情况下，在发动机研制过程中，相对于热力组件、泵、阀，对导管的研制投入基本是可以忽略的，但对于复杂系统而言，导管不仅数量众多，而且种类多、工作环境复杂多样，对于重复使用发动机更甚。而且很多出现的问题或故障是由于早期的设计、分析、试验、验证不到位造成的。

某液氧煤油发动机单机导管几十根，如在此基础上研制重复使用发动机，增加二次起动和滑行期处理等相关的管路，其数量会更加巨大。

在多年发动机研制过程中，热力组件、泵、阀等均经过各种专项的研制试验和批产验收试验，但对导管进行的专项试验很少。通常按QJ919A—98《导管制造验收通用技术条件》［3］进行液气压试验（不含密封），发动机整机则依据QJ3182《液体火箭发动机总体检漏方法》［4］或专用技术文件进行低压气密检查试验（只检查密封部位），从一次使用发动机的飞行情况看可靠性是可以保证的。但密封种类多样化、介质的不同、大范围介质温度，再加上重复使用发动机复杂环境，就必须对导管的强度问题、结构动特性评估、管路结构疲劳评估及参数灵敏度分析方法等开展研究。

导管出现问题主要是可靠性工作的开展和管理不到位［5］，主要表现在以下几个方面：

1）目前发动机设计过程中，对导管基本不开展可靠性专题工作，直接认为导管的可靠度为1，但从出现故障的情况看，事实并非如此，对于重复使用发动机这个问题更需要重新审视。

2）对导管一般不进行故障模式及影响分析，也不进行专门的仿真分析及可靠性试验，这些工作只在发生故障后只针对故障部位相关产品开展，导管的可靠性设计都是按经验进行考虑。

3）对于导管不进行专门的极限工作条件的仿真分析与极限工况试验，发动机装配完成后，只要低压气密性检查合格就认为合格，气检压力与介质及工作压力的对应关系没有经过试验验证，合格判据制定依据不足。

4）导管生产完成后按QJ919A只进行工作压力的气密检查和1.5 倍工作压力的液压强度检查，之后直接用于产品装配，对于连接密封部位没有相应检查。

5）管路的走向和装配顺序对组件功能的影响需要进行整机试车验证和分析。

6）发动机各阶段设计评审对于导管一般没有分析、验证内容。

7）导管实际使用时均未考虑寿命问题（除摇摆软管和金属软管考虑疲劳寿命外）。

8）地面试验时导管与试车台对接和与总体对接的情况存在区别，需及早进行验证，避免发生计划外维修。

某液氧煤油发动机地面研制热试车过程中，导致试验任务未能按计划完成或试验完成后检查到与导管相关的异常问题涉及控制吹除路、氧化剂路、燃料路、燃气路，发生过程涉及首次试车、重复试车，还有交付总体后由于对接面结构问题导致计划外维修。典型情况有如下几类：① 连接不同振源的导管出现疲劳断裂；② 焊缝热影响区存在应力集中区域，重复试车过程中疲劳断裂；③ 连接松动发生泄漏；④ 由于密封圈损伤或装配不到位，试前低压气密检查正常，试车过程中高压工作出现泄漏；⑤ 同样的连接密封结构，振动量级及管路走向变化后发生泄漏；⑥ 与总体对接接口结构变形造成计划外维修；⑦ 与总体对接法兰连接操作要求不明确造成计划外维修。

2.2 可靠性要求分析

一次使用发动机为适应重复使用全任务剖面工作，需增加的主要功能包括两次起动、低入口压力二次起动、快速高精度大范围变推力、两次起动之间滑行期发动机状态管理等［6］，相应地增加了大量的导管。目前已经开展的发动机环境适应性验证不能覆盖重复使用发动机全任务剖面复杂环境条件，因此，对重复使用发动机导管需要开展一系列可靠性工作，除了充分利用现有资源提升使用寿命［7］外，可靠性指标体系分析、任务剖面分析、维修性分析［8］、导管重复使用的寿命预估和验证量级等应是重点研究的方向。导管的主要功能是传输介质，部分管路兼具摇摆补偿功能，对重复使用的发动机而言，有些部位导管的重要性会大幅提升，比如与总体对接的入口摇摆软管，一次使用只要能承受关机水击就可以，但对重复使用发动机则要保证关机后摇摆软管功能性能不变［9］，不影响二次启动并需能正常工作、关机，才能保证回收及回收后再次使用。所以，对于某些连接关键组件的导管，导管本身与组件的重要度在一定程度上是一样的（比如关机阀门的供气控制导管如发生异常泄漏就会导致异常关机），导管无泄漏是组件正常工作的基础，组件正常工作是发动机系统正常工作的基础。研究箭上更换导管技术是实现发动机可重复使用的重要环节。对于工作于局部环境恶劣的导管需尽早确定更换周期，同时在总装布局时考虑更换可操作性，应在研制早期确定状态，参加整机试车考核，避免后期由于管路调整导致总装布局方案反复，进而影响研制进度。同时应开展密封副气、液密封性对比研究，包含不同介质、不同工作次数、不同压力下泄漏量对应关系的研究，为发动机重复使用的状态确认提供依据。

3 重复使用发动机的管路连接与密封可靠性工作的技术途径

发动机上的管路连接与密封结构主要包括大通径法兰连接、小通径外套螺母连接。对于重复使用发动机，要重点关注连接与密封及小通径管路的动特性、可更换性及更换周期。

3.1 技术途径

目前液体火箭发动机的研制流程［10］中不对管路连接与密封进行故障模式及影响分析（failure mode and effects analysis，FMEA）［11］、建模仿真、敏感性分析及可靠性试验验证，只有涉及摇摆环节的管路才考虑寿命，且不考虑密封的寿命。

针对可重复使用液体火箭发动机与一次使用液体火箭发动机在任务剖面、环境剖面、寿命剖面的不同，提出可重复使用发动机管路可靠性工作的技术途径，见图3。

图3 管路连接与密封可靠性工作技术途径Fig.3 Technical roadmap of the pipeline connection and seal reliability

3.2 重复使用发动机可靠性设计建议

设计时考虑功能、性能、材料、工艺、环境适应性等方面明确或隐含的要求，包括：工作压力、通径、流阻、介质相容性、连接端的工作状态（主要是力学环境）、周围相邻组件的影响（主要是热环境）、对重复使用发动机除传输介质外的其它要求（如防多余物、容积、走向、流速、节流、固定集中质量、分流等），还应提出寿命等重复使用相关要求［12］。

设计时应考虑因素有：材料（包括管路、接头、密封件及其携带的内部结构如过滤网等）选择应与介质相容、能否适应周围热环境、导管与接头材料的焊接性能、焊接热影响区范围、密封形式、密封结构的连接形式（法兰连接、外套螺母等）、防松方式及防松结构（如保险丝孔）、密封结构气密性检查的可实现性（如增加气检孔）、气密性检查方法等。

除以上因素外重复使用发动机的导管还应重点考虑寿命［13］，寿命不满足要求时，需要考虑导管的可更换性，试验验证其寿命极限、检测方法、在发动机整机状态的可更换性等等。

3.3 重复使用发动机可靠性验证建议

对于重复使用发动机要将导管进行分类，找出每种分类中最恶劣的条件，不同分类选取交集，根据交集维度对导管的重要度排序，按设计DFMEA、过程PFMEA和故障树（fault tree analysis，FTA）［14］等可靠性分析方法识别薄弱环节进行设计改进或采取使用补偿措施，根据情况确定进行动特性仿真分析的项目，确定敏感因素和关键参数，设计相关的可靠性试验［15］，根据试验验证结果进行寿命预计，进而确定检查检测、更换维修、维护方案。

导管分类方式可考虑以下方向：

1）管路连接两端是否同源振动（主要是力学环境）；

2）按密封结构类型分类（金属密封、非金属密封），或自紧式密封和非自紧式密封；

3）同类连接密封结构是否有故障履历（尤其要关注重复试车出现故障的导管）；

4）管路上是否存在集中质量；

5）是否有关键作用（比如关机阀门控制导管断裂会导致关机）；

6）是否与起动、关机产生的冲击有关；

7）是否与回收冲击有关；

8）是否与总体（或试车台）存在对接关系（需验证试车台对接与总体对接要求的一致性）。