管路系統(tǒng)環(huán)境試驗技術(shù)

衛(wèi) 國，于韶明，蘆 田，胡彥平

（北京強度環(huán)境研究所，北京，100076）

管路系統(tǒng)環(huán)境試驗技術(shù)

衛(wèi) 國，于韶明，蘆 田，胡彥平

（北京強度環(huán)境研究所，北京，100076）

航天器管路系統(tǒng)，其可靠性關(guān)系到整個型號的發(fā)射成敗，需要對管路系統(tǒng)進行充分的地面環(huán)境試驗考核。根據(jù)管路環(huán)境試驗的需求，通過管路的常溫振動環(huán)境試驗技術(shù)、高溫振動環(huán)境試驗技術(shù)、低溫振動環(huán)境試驗技術(shù)等對航天器各類管路進行充分的地面試驗?？己嗽囼炛?，管路的地面環(huán)境與在航天器上的工作環(huán)境基本一致。通過一系列管路地面試驗的考核，為檢查型號設(shè)計、工藝缺陷提供方法，保證型號成功發(fā)射。

管路；環(huán)境試驗；高溫振動；低溫振動

0 引 言

航天工程是人類探索未知宇宙的重要技術(shù)工程。依托航天工程，不僅對國家現(xiàn)代化建設(shè)起到巨大的帶動作用，同時也是和平安定的國際環(huán)境的重要保障。為盡可能提高型號成功率和可靠性，需要進行充分的地面試驗，將設(shè)計缺陷及薄弱環(huán)節(jié)提前暴露并解決。

作為航天器的“血管”，管路系統(tǒng)的可靠性關(guān)系著整個發(fā)射的成敗。而管路系統(tǒng)的環(huán)境試驗是型號地面試驗的重要部分，受到高度關(guān)注。

環(huán)境試驗主要包括：大氣環(huán)境（溫度、濕度、鹽霧、霉菌、沙塵、雨淋、太陽光照等）、振動環(huán)境（隨機、沖擊、共振等）、壓力環(huán)境（高壓、低壓、真空等）和其它環(huán)境（核福射、電磁干擾、噪聲、離心等）。而對航天器的管路系統(tǒng)可靠性產(chǎn)生影響的主要環(huán)境因素有溫度、內(nèi)介質(zhì)、壓力、振動等。[1,2]

管路系統(tǒng)地面環(huán)境試驗的關(guān)鍵是模擬航天工作時管路系統(tǒng)所處的環(huán)境，本文就3類主要的管路系統(tǒng)環(huán)境地面試驗技術(shù)進行介紹。

1 管路常溫振動環(huán)境試驗

中國目前在役的運載火箭，其推進劑主要為偏二甲肼/N2O4，推進劑管路對常溫、內(nèi)壓、振動復(fù)合環(huán)境的地面試驗有較大的需求。比如目前可靠性要求最高的火箭，即載人航天的主力火箭CZ-2F的管路系統(tǒng)中各級噴前測壓管工作時，管路內(nèi)有介質(zhì)偏二甲肼/N2O4，內(nèi)壓為11 MPa，處于振動應(yīng)力環(huán)境中；上面級的輸送管、連通管等工作時管路內(nèi)介質(zhì)也為偏二甲肼/N2O4，管路處于內(nèi)壓、振動復(fù)合環(huán)境中。

管路振動方程如式（1）所示：

式中 m為質(zhì)量；c為阻尼；k為剛度；x為位移；p為振動力。

內(nèi)介質(zhì)會增加附加質(zhì)量，引發(fā)液固耦合問題，管路的動力學(xué)特性會有顯著變化，因此地面試驗時要求盡量模擬管路的內(nèi)介質(zhì)、內(nèi)壓、振動的復(fù)合環(huán)境效應(yīng)。

由于偏二甲肼/N2O4都是劇毒液體，試驗室中嚴(yán)禁使用，只能采用密度相當(dāng)?shù)臒o毒模擬液代替，一般采用調(diào)制的尿素（密度 1.335 g/cm3）代替 N2O4（密度1.446 g/cm3），采用純凈水（密度1.0 g/cm3）代替偏二甲肼（密度0.793 g/cm3）。

目前液壓設(shè)備一般無法達到11 MPa高壓，試驗室采用氣液復(fù)合加載裝置進行液壓加載，如圖1所示。

試驗時，首先關(guān)上A2，打開A3，使用打壓機將模擬液加注到試驗管路中；然后關(guān)閉A3，打開A1、A2，就試驗產(chǎn)品進行加壓，達到目標(biāo)壓力后，關(guān)閉A1，進行試驗。

管路的邊界包含接口、支架等復(fù)雜接觸，各處振動環(huán)境也不盡相同，地面振動試驗完全等效箭上環(huán)境比較困難。工程試驗中，考慮管路考核的關(guān)鍵位置、薄弱環(huán)節(jié)進行振動環(huán)境的包絡(luò)，對比管路的實際振動環(huán)境對管路的兩端、支架、綁扎點等進行模擬。

某型號管路系統(tǒng)試驗如圖2所示，管路內(nèi)加注無毒模擬液，使用氣液復(fù)合加載裝置進行內(nèi)壓加載，靠近發(fā)動機端施加振動條件，另外一端與地面固定，該管路有兩處綁扎點，考慮管路綁扎點的環(huán)境，將綁扎點與地面固定。

2 管路高溫振動環(huán)境試驗

航天器發(fā)動機工作時，推進劑燃燒會產(chǎn)生高溫，航天器不少管路系統(tǒng)處于高溫環(huán)境中，比如自生增壓管系、排焰管等。

材料的性能比如強度、剛度等都與溫度相關(guān)，熱環(huán)境下管路的動力學(xué)性能與常溫環(huán)境有顯著差異。因此只有在熱環(huán)境下進行管路的振動環(huán)境考核才是有效考核。在各個航天型號中，對熱振聯(lián)合試驗的需求十分旺盛，是目前研究的熱點。

對于管路熱環(huán)境的模擬，主要有內(nèi)加熱、外加熱兩種方式。內(nèi)加熱為管路內(nèi)加注滿足溫度要求的氣體或液體；外加熱為采用加熱設(shè)備對管路外表面加熱。

在內(nèi)加熱試驗系統(tǒng)中[3]，介質(zhì)流量mq由流量調(diào)節(jié)閥開度（冷流試驗）或發(fā)動機喉部（點火實驗）節(jié)流控制。假設(shè)試驗系統(tǒng)管路內(nèi)徑為d，工作介質(zhì)密度ρ，則管路內(nèi)工作介質(zhì)流速v為

壓降LpΔ為

式中 L為管路長度。

由式（2）和式（3）可知，流量確定時，管路內(nèi)徑d越大，流速越慢，壓降越大。管路內(nèi)通加熱后的氣體，流量慢、壓降大；使得管路出入口溫差很大，因此管路內(nèi)徑d小于30 mm時，一般不采用內(nèi)加熱方式。

管路高溫環(huán)境振動試驗中有兩個難點：一是熱環(huán)境的模擬；二是振動環(huán)境的準(zhǔn)確控制。

對于高溫管路振動試驗的控制方案，目前主要采用準(zhǔn)閉環(huán)控制方式和非接觸控制方式[4～6]。準(zhǔn)閉環(huán)控制方式操作簡單：可行性高，但是對于結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性與溫度相關(guān)性高的產(chǎn)品準(zhǔn)確度差；非接觸控制方式控制（激光測振儀）基于多普勒效應(yīng)進行加速度的測量并進行振動控制，較為準(zhǔn)確，但是成本高、操作復(fù)雜、可行性差。工程試驗中應(yīng)該根據(jù)實際情況，選擇合適的控制方案。

管路高溫環(huán)境振動試驗中夾具需要專門設(shè)計，確保高溫不會灼傷振動臺，也不會導(dǎo)致振動臺、功率放大器等因過熱而自我保護停機；同時作為振動夾具，需要滿足剛度、阻尼等要求確保振動的傳遞[7]。目前高溫環(huán)境下振動夾具主要分為2種：a）主動隔熱式，采用耐高溫材料（玻璃鋼、復(fù)合材料等）制造夾具，通過阻斷高溫傳導(dǎo)保護振動設(shè)備；b）被動隔熱式，采用其他降溫措施（水冷、風(fēng)冷等）對夾具進行強制降溫來保護振動設(shè)備。

2.1 外加熱

外加熱方式是通過對管路外壁進行加熱來提供管路熱環(huán)境，熱源來自于管路外部。目前常用的有石英燈輻射、電熱絲纏繞等加熱方式模擬管路壁面溫度。同時管內(nèi)充入固定壓力的氣體，以達到模擬內(nèi)部壓力的目的。

外加熱方式的優(yōu)點是易于實現(xiàn)，對于管徑的適應(yīng)性較好；缺點是無法模擬某些管路內(nèi)部高溫氣體的對流加熱工況，內(nèi)部高溫氣體的對流加熱的管路熱源為內(nèi)部氣流，同時受外表面輻射散熱的影響，內(nèi)壁溫度高于外壁溫度，而外加熱方式管路外壁溫度高于內(nèi)壁溫度。對于實際工況中熱源不是管路內(nèi)氣體，而是周圍環(huán)境熱，外加熱方式的有效性會大大提高。

圖3為某型號發(fā)動機前封頭測壓管熱振聯(lián)合試驗。

試驗中由于管路很?。▋?nèi)徑約5 mm），只能采用外加熱方式，采用石英燈進行輻射加熱，管路內(nèi)用高壓氮氣瓶進行加壓模擬管路內(nèi)壓環(huán)境，確保管路內(nèi)壓與實際工況相同。

該測壓管在試車試驗中，由于發(fā)動機參數(shù)的變化，發(fā)現(xiàn)其溫度達到了500 ℃左右，遠高于以往的測量數(shù)據(jù)，是型號成功發(fā)射的重大隱患。通過管路高溫振動復(fù)合環(huán)境試驗，對管路的環(huán)境適應(yīng)性進行了充分考核，排除了發(fā)射安全隱患，確保型號的成功發(fā)射。

2.2 內(nèi)加熱

管路的內(nèi)加熱采用空氣加熱器和空氣壓縮機實現(xiàn)。空氣首先通過空氣壓縮機加壓，后進入空氣電加熱器加熱，最后高溫高壓氣流流經(jīng)管路對其加熱。

內(nèi)加熱方式的優(yōu)點是管路內(nèi)部是高溫氣體對流加熱，且可以控制氣體壓力，與真實情況相近；缺點是壓力范圍有限，對于壓力要求比較高的工況難以滿足，而且只適用于一定直徑范圍的管路，對于過粗或過細的管路均不適用。溫度受限于空氣加熱器的功率，目前內(nèi)加熱方式管路內(nèi)溫度最高只能達到800 ℃，對于更高溫度的熱環(huán)境只能采用其他方式。

另外由于采用內(nèi)加熱方式使內(nèi)部氣體產(chǎn)生對流以及溫度傳感器的誤差等因素的影響使得管路內(nèi)部的氣體壓力不可能保持恒定值，需要通過壓力調(diào)節(jié)閥實時控制內(nèi)部空氣壓力以達到試驗要求，壓力控制精度較低。

某型號一級排焰管高溫振動復(fù)合環(huán)境試驗如圖 4所示。

按照實際使用工況，試驗管路的溫度需要達到700 ℃高溫，同時進行內(nèi)壓、振動復(fù)合環(huán)境考核。為確保管路內(nèi)溫度達到700 ℃，盡量縮短加注管路長度，并對加注管路進行防散熱處理；管路通過轉(zhuǎn)接工裝與振動臺固支，轉(zhuǎn)接工裝實現(xiàn)管路復(fù)雜空間角度的安裝；采用準(zhǔn)閉環(huán)控制方式進行振動控制。

3 管路低溫振動環(huán)境試驗

美國、法國等國家很早就開始重視推進劑的毒性與污染問題，限制甚至禁止使用偏二甲肼。采用新型燃料的大推力火箭發(fā)動機是目前火箭發(fā)展的趨勢。中國也開始對火箭的新型燃料進行研究與使用，液氧/煤油推進劑發(fā)動機已在 CZ-7上使用，液氧/液氫推進劑發(fā)動機已在CZ-5上使用。

由于新型燃料的使用，CZ-7/CZ-5的液氧輸送管路、氧預(yù)冷回流管路等均為低溫管路，使用工況為低溫、內(nèi)壓、振動復(fù)合環(huán)境，對管路的設(shè)計、地面試驗的實施提出新的要求。

這類管路系統(tǒng)環(huán)境試驗的關(guān)鍵是管內(nèi)低溫介質(zhì)的模擬、壓力的加載、振動環(huán)境的模擬等。

由于液氧具有危險性，普通實驗室中嚴(yán)禁使用，試驗中采用密度、溫度相當(dāng)?shù)囊旱嬉貉?。液氮加注設(shè)備如圖5所示。液氮加注設(shè)備主要由液氮罐、加注管路、平衡罐、加壓氣瓶及配套閥門組成。試驗前，將試驗管路與整個系統(tǒng)連接；然后液氮罐通過液氮汽化自增壓向試驗系統(tǒng)內(nèi)加注液氮，直至平衡罐內(nèi)加滿為止；通過加壓氣瓶、自動閥門調(diào)節(jié)整個系統(tǒng)內(nèi)的壓力，試驗管路系統(tǒng)內(nèi)壓的模擬。試驗過程中，管路內(nèi)液氮會因吸熱汽化，平衡罐內(nèi)液氮由于重力作用補充到管路內(nèi)，確保管路內(nèi)介質(zhì)始終為液氮，實現(xiàn)管路低溫內(nèi)介質(zhì)的模擬。

管路系統(tǒng)的低溫振動復(fù)合環(huán)境試驗是一個系統(tǒng)工程，不僅涉及到溫度的模擬，同時涉及壓力保持、振動加載等各個環(huán)節(jié)，同時因為低溫、壓力等環(huán)境的影響，對振動設(shè)備產(chǎn)生了許多新的影響。

由于液氮溫度為-193 ℃，低溫會灼傷振動設(shè)備，為防止低溫影響振動設(shè)備的使用，采用振動設(shè)備低溫防護系統(tǒng)[8]，通過隔熱裝置阻斷低溫的傳導(dǎo)，確保振動臺正常工作。對于直徑超過300 mm的管路，在增壓過程中，因壓力引起的內(nèi)力直接作用到振動臺上，會嚴(yán)重損失振動臺的推力，采用管路內(nèi)力平衡系統(tǒng)[9]，通過彈力繩平衡到管路內(nèi)力，同時又不影響管路振動應(yīng)力的加載，確保振動臺不因管路內(nèi)力影響正常工作。管路增壓過程中，由于內(nèi)壓增加，易產(chǎn)生“壓桿穩(wěn)定問題”失穩(wěn)破壞，采用管路試驗防失穩(wěn)系統(tǒng)[10]，通過導(dǎo)向桿等裝置，確保增壓過程中管路不會失穩(wěn)破壞。

4 結(jié)束語

管路問題受到各型號重視，管路系統(tǒng)的地面環(huán)境試驗對于管路的設(shè)計缺陷的暴露，可靠性的驗證具有重要意義，各個型號都加大了管路試驗的重視與投入。

管路系統(tǒng)環(huán)境試驗最關(guān)鍵的是地面環(huán)境與工作環(huán)境的等效。為了更準(zhǔn)確地模擬管路系統(tǒng)工作環(huán)境，更有效的對管路系統(tǒng)進行考核，發(fā)展了各類管路系統(tǒng)環(huán)境試驗技術(shù)。

管路系統(tǒng)常溫振動環(huán)境試驗設(shè)計了一套氣液復(fù)合加載裝置，準(zhǔn)確模擬管路內(nèi)介質(zhì)、內(nèi)壓等參數(shù)；分析實際使用環(huán)境并考慮工程實現(xiàn)情況確定管路地面試驗最優(yōu)邊界，包括管路各個端口及支架連接、綁扎點等，根據(jù)分析結(jié)果進行有效模擬。

管路系統(tǒng)高溫振動環(huán)境試驗中，通過對真實工況的研究，合理選擇內(nèi)加熱、外加熱方式，同時合理選擇振動控制方法，設(shè)計加工有效的試驗夾具進行管路系統(tǒng)高溫振動環(huán)境試驗。

管路系統(tǒng)低溫振動環(huán)境試驗，通過液氮加載設(shè)備對試驗管路進行低溫加載，并通過振動設(shè)備的低溫防護系統(tǒng)確保振動臺能在管路產(chǎn)品進行低溫加注后正常工作；通過內(nèi)力平衡技術(shù)、防失穩(wěn)技術(shù)等的應(yīng)用確保運載火箭的液氧輸送管、氧預(yù)冷回流管路等的順利完成。

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Environmental Testing Technology of Pipeline System

Wei Guo, Yu Shao-ming, Lu Tian, Hu Yan-ping
(Beijing Institute of Structure and Environment Engineering, Beijing, 100076）

It is important to carry out full ground environment tests for pipeline system. According to the tests’ requirement, the normal temperature vibration, thermal-vibration and cryogenic- vibration environment test technology are developed to achieve all kinds of pipeline tests. The environment of the pipeline’s ground test is basically the same as that of the spacecraft. Through the evaluation of a series of pipeline ground test, it exposes the design and process defects, and contributes to the successful launch.

Pipeline; Environmental test; Thermal-vibration; Cryogenic-vibration

V416.2

A

1004-7182(2017)05-0093-04

10.7654/j.issn.1004-7182.20170523

2017-02-07；

2017-05-01

衛(wèi) 國（1965-），男，研究員，主要研究方向為環(huán)境工程