氫氧火箭發(fā)動機試驗臺液氫供應系統(tǒng)可靠性設計研究

郭敬 鄭然 王海峰 孔凡超 胡旭坤 趙宏

摘 要：本文依據(jù)氫氧發(fā)動機試驗臺液氫供應系統(tǒng)設計和試驗經(jīng)驗，在分析液氫供應系統(tǒng)特點的基礎上，首次系統(tǒng)總結了液氫供應系統(tǒng)可靠性分析和設計的步驟、設計方法、設計依據(jù)和設計重點問題，為進行大推力氫氧發(fā)動機試驗臺推進劑供應系統(tǒng)的可靠性設計提供實踐經(jīng)驗和參考。

關鍵詞：氫氧火箭發(fā)動機試驗臺；液氫；可靠性

1 概述

發(fā)展大推力重型運載火箭是21世紀各個航天大國規(guī)劃的航天目標之一。我國將大推力運載火箭的研究重心確定為研發(fā)220噸級重型運載火箭。其中大推力氫氧火箭發(fā)動機設計和試驗是實現(xiàn)這個研究目標的關鍵。作為進行氫氧火箭發(fā)動機試驗的重要單位，我所已展開大流量低溫推進劑，特別是大流量液氫供應系統(tǒng)的研究工作。預計未來試驗臺液氫流量將增大為現(xiàn)有試驗臺的4倍。為保證系統(tǒng)的可靠性，必須對液氫供應系統(tǒng)的可靠性設計過程進行研究。本文研究液氫供應系統(tǒng)可靠性設計的重點問題，為未來試驗臺液氫供應系統(tǒng)可靠性設計提供參考。

2 液氫供應系統(tǒng)組成及特點

試驗臺液氫供應系統(tǒng)主要由液氫加注系統(tǒng)、液氫貯箱組、配氣板、主管道、閥門、流量計、過濾器、補償器、增壓調(diào)節(jié)裝置、排放系統(tǒng)及控制系統(tǒng)等組成。液氫供應系統(tǒng)具有如下特點：①作為火箭發(fā)動機地面試驗設備，發(fā)動機試驗臺可多次重復使用，甚至可以經(jīng)過改造以滿足更高發(fā)動機型號的試驗要求。因此，試驗臺液氫供應系統(tǒng)具有設計壽命長、可維修性的特點。②由于液氫供應系統(tǒng)結構復雜，且大量設備均為串聯(lián)結構，使得系統(tǒng)的可靠性相對較低，對決定試驗成功的功能件選用冗余的設計。③對于氫氧火箭發(fā)動機試驗臺來說，試驗只有成敗兩種結果，因此系統(tǒng)級的可靠性評估應按成敗型評價方法，但對于分系統(tǒng)中的設備，仍然可以用指數(shù)壽命型、威布爾壽命型、壓力-強度型等評價方法。

3 液氫供應系統(tǒng)可靠性設計

3.1 可靠性設計步驟。液氫供應系統(tǒng)的可靠性設計目標就是以最低的壽命周期費用使系統(tǒng)具有最佳的使用效能，可靠性設計應當從系統(tǒng)研制初期就開始，貫穿于系統(tǒng)研制、使用的整個周期。

3.2 確定壽命剖面和任務剖面。液氫供應系統(tǒng)的壽命剖面和任務剖面在進行系統(tǒng)可靠性要求論證時就應提出。在系統(tǒng)設計初期，就應當精確和盡量完整的確定壽命、任務事件以及預期的使用環(huán)境。①壽命剖面。液氫供應系統(tǒng)的壽命剖面為液氫供應系統(tǒng)從調(diào)試成功并交付到壽命終結或退出使用這段時間內(nèi)所經(jīng)歷的全部事件和環(huán)境時序的描述，包括采購、運輸、貯存、檢測、維修、試驗、保養(yǎng)、報廢等全部事件。對發(fā)動機地面試驗系統(tǒng)來說，試驗期間的產(chǎn)品可靠性固然最重要，但是由于系統(tǒng)大部分時間處于非任務狀態(tài)（貯存、保養(yǎng)、檢測、維修），這期間的狀態(tài)直接影響著試驗時系統(tǒng)的狀態(tài)，因此必須把非任務狀態(tài)下的特殊狀況也轉化為設計要求。比如液氫供應系統(tǒng)試驗結束后，系統(tǒng)內(nèi)的貯箱組、管道等設備需要進行正壓保護，溫度傳感器、壓力傳感器、流量計等相關測試元件必須定期進行檢驗校對以及過濾器定期檢查、清洗或更換等要求。②任務剖面。液氫供應系統(tǒng)的任務剖面為系統(tǒng)在完成規(guī)定任務期間所經(jīng)歷的事件和環(huán)境的時序描述，分為單元測試、綜合測試、試驗、試驗后處理四個階段。由于在上述四個階段內(nèi)工作內(nèi)容不同，失效判據(jù)不同，系統(tǒng)的可靠性框圖也不同。需要確立的液氫供應系統(tǒng)的任務剖面內(nèi)容包括系統(tǒng)的工作狀態(tài)、維修方案、根據(jù)不同試驗任務確定的工藝系統(tǒng)功能、系統(tǒng)的工作時間與順序、系統(tǒng)功能指標及失效判據(jù)、各個部件接口或邊界條件等。

3.3 可靠性指標分配及模型建立。液氫供應系統(tǒng)根據(jù)建臺任務書獲得自身的可靠性指標之后，選用合適的分配方法將各階段的可靠性參數(shù)的目標值分配給各個分系統(tǒng)?？煽啃詤?shù)分配宜選擇10%的余量，應掌握如下分配原則：

液氫主管道及其部件分配較高的可靠性指標，增壓配氣系統(tǒng)分配較低的指標；

液氫主管道、氣路系統(tǒng)上的應急閥、斷流閥分配較高的可靠性；

真空絕熱管道的內(nèi)管上焊接有溫度補償器，其可靠性按內(nèi)管波紋管的可靠性選取。真空絕熱管道的內(nèi)、外管均焊接溫度補償器，內(nèi)、外管補償器按串聯(lián)進行可靠性選?。?/p>

真空波紋管的可靠性按內(nèi)、外波紋管串聯(lián)模型進行可靠性選??；

貯箱組頂部的放氣閥分配較高的可靠性；

增壓配氣系統(tǒng)中氣體管道、氣瓶可靠性一般選擇為100%；

氣體管道中的п形補償器壓縮安裝時等同于同參數(shù)的波紋管補償器可靠性；

控制氣減壓器、閥門分配較高的可靠性；

增壓氣體開關閥門分配較高的可靠性；

進發(fā)動機的吹除氣過濾器比其它過濾器分配較高的可靠性。

液氫供應系統(tǒng)常用的可靠性指標分配方法為比例組合法和專家分配法。由于液氫供應系統(tǒng)已在不同型號的試驗臺獲得充足的試驗數(shù)據(jù)和經(jīng)驗，因此在研制新的液氫供應系統(tǒng)時，優(yōu)先采用比例組合法，可節(jié)省大量研究費用。

液氫供應系統(tǒng)的可靠性模型主要為串聯(lián)模型。但是對關鍵部件和功能采用并聯(lián)冗余設計，在繪制系統(tǒng)可靠性框圖時，須采用并聯(lián)模型。例如，液氫流量對發(fā)動機試驗來說是最重要的參數(shù)，為了確保測量的可靠性，在主管路上采用兩個流量計串聯(lián)測量的方式。液氫貯箱組的增壓系統(tǒng)選用薄膜調(diào)節(jié)閥和孔板增壓并聯(lián)，試驗過程中，若薄膜調(diào)節(jié)閥突然失靈，可采用孔板增壓方式繼續(xù)增壓。

3.4 可靠性預計。建立液氫可靠性模型之后，就可進行可靠性預計。預計結果可以給出影響可靠性的因素，發(fā)現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)，以便對設計方案進行優(yōu)選和調(diào)整。在進行液氫供應系統(tǒng)可靠性預計時，考慮到系統(tǒng)的特點，新建系統(tǒng)往往具有較好的繼承性，一般應根據(jù)已有試驗臺的液氫供應系統(tǒng)信息、試驗信息以及國外相似工藝系統(tǒng)信息等進行可靠性預計。

4 結論

本文總結了液氫供應系統(tǒng)可靠性設計的步驟、方案以及與其它航天產(chǎn)品在可靠性設計方面的異同點。該可靠性設計方法不僅是我所氫氧火箭發(fā)動機試驗臺設計經(jīng)驗的總結，也結合了我所幾十年來在氫氧火箭發(fā)動機試驗和系統(tǒng)改造方面的實踐經(jīng)驗，因此對大推力發(fā)動機試驗臺液氫供應系統(tǒng)的可靠性設計具有重要的指導意義。

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