液體推進劑加注容器中出液管的清潔裝置設(shè)計

李 慧，孔德斌，朱曉驊

（1.上海空間推進研究所，上海 201112；2.上?？臻g發(fā)動機工程技術(shù)研究中心，上海 201112）

當執(zhí)行航天發(fā)射任務(wù)時，應(yīng)對液體火箭發(fā)動機儲箱進行加注，這勢必會用到大量液體推進劑（氧化劑、燃料）。其中，氧化劑以四氧化二氮為主[1]，燃料以肼類（無水肼、一甲基肼、單推-3 和偏二甲肼等）為主[2]。它們均具有易燃、高毒、易爆的特性，會對生態(tài)環(huán)境造成嚴重污染[3]，需要較大且潔凈度高的容器來盛放。

在對液體火箭發(fā)動機儲箱進行加注前，需要對液體推進劑加注容器進行清洗及擦拭。過程中，加注容器中出液管的清洗及擦拭難度相對較大。由于出液管與容器法蘭焊接在一起，大容器的法蘭尺寸及重量都相對較大，因此不容易平衡放置進行清洗。以體積為1 m3的加注容器為例，其出液管外徑為8～10 mm，內(nèi)徑為6～8 mm，壁厚為1 mm。傳統(tǒng)的清洗方式是將帶有出液管的法蘭放置于平面上，需要通過接入管路，將酒精從一端擠入出液管，進行沖洗。法蘭一端較重，而另一端較輕，兩端不平衡造成傾斜，給清洗帶來困難。擦拭方式是先使用鐵絲捆綁住無塵布，然后將其插入出液管，進行擦拭，以除去出液管內(nèi)壁上附著的多余物。過程中，由于結(jié)構(gòu)兩端的不平衡，導(dǎo)致擦拭難度增大[4]。

鑒于此，本文擬設(shè)計一種能使清洗及擦拭同時進行的液體推進劑加注容器中出液管的清潔裝置，以期提高清潔效率及清潔質(zhì)量。

1 問題分析

在用傳統(tǒng)的方式對液體推進劑加注容器進行清洗及擦拭時，存在著幾個問題。首先，出液管的清洗與擦拭分別進行，清潔過程耗時較長。其次，在出液管與法蘭蓋交叉的位置（圖1），存在焊兩通與出液管的焊接點，在焊接點的位置留存著焊點。當捆綁無塵布的鐵絲進入出液管中時，焊點往往會掛住或鉤住鐵絲。此時，很難將無塵布從出液管中拔出。若強行硬拽鐵絲，不但無塵布易被撕裂，鐵絲也極有可能會被拉斷兩者均會滯留于出液管中。再次，帶有法蘭的出液管不容易平衡放置，給清洗及擦拭增加操作困難。

圖1 出液管與法蘭蓋焊接工藝示意圖

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 清潔桿的設(shè)計

通過優(yōu)化清潔桿的桿體結(jié)構(gòu)，達到清潔用無紡布安裝方便，綁扎固定用鐵絲的接頭毛刺部分不外露，解決容器內(nèi)清潔過程中存在的鉤掛等問題，提高清潔效率。清潔桿兩個不同方向的剖面圖分別如圖2、圖3 所示。

圖2 清潔桿一方向剖面圖

圖3 清潔桿另一方向剖面圖

清潔桿的桿體為圓柱形筒體結(jié)構(gòu)的圓管，桿體端部設(shè)置固定孔及容置槽。固定孔為沿桿體的徑向方向設(shè)置的通孔，用于綁扎用鐵絲等穿過。固定孔可容一根或多根綁扎用鐵絲穿過，其孔徑優(yōu)選為1～3 mm。容置槽與固定孔位于桿體的同一端，容置槽用于提供清潔用無紡布的部分容置空間。容置槽沿桿體的軸向方向設(shè)置，即自桿體的端面沿桿體的軸向方向向下延伸一定距離開設(shè)凹槽形成容置槽，其容置槽為延伸至桿體側(cè)壁而形成兩端具有開口的通槽。因為容置槽具有一定的寬度，所以容置槽的開設(shè)使得圓柱形桿體的端部形成內(nèi)凹的凸臺結(jié)構(gòu)。容置槽的寬度和高度主要根據(jù)所需固定的無紡布而定。容置槽的寬度為1～3 mm，深度為10～20 mm。固定孔穿過容置槽，兩者可為正交方式，也可為斜交方式。

桿體端部固定無紡布的過程是將經(jīng)特殊處理過的無紡布中間部分置入容置槽內(nèi)，將綁扎用鐵絲的一端從固定孔的一端穿入，經(jīng)容置槽時穿過無紡布，之后從固定孔的另一端穿出，細鐵絲兩端交叉擰緊后，將無紡布固定于桿體的端部。

由于固定孔與容置槽的配合，綁扎用鐵絲對無紡布進行固定后，兩端交叉擰緊的接頭毛刺部分置于因開設(shè)容置槽而在桿體的端部形成的內(nèi)凹部分，使得接頭毛刺部分位于桿體的外周面以內(nèi)，解決了現(xiàn)有技術(shù)中綁扎用鐵絲接頭毛刺部分位于桿體外周面以外而導(dǎo)致的與出液管內(nèi)焊點等突出物的鉤掛問題。當然，若其鐵絲擰緊后的接頭毛刺部分較小時，也可容置于固定孔處。因桿體為圓柱體，開設(shè)固定孔后，其桿體端部的外周面上也會形成一定的凹陷部，其凹陷部可容置較小的接頭毛刺部分。

在容置槽開設(shè)后，圓柱形的桿體端部形成凸臺結(jié)構(gòu)，其凸臺結(jié)構(gòu)的內(nèi)凹量還可根據(jù)實際情況加大，滿足接頭毛刺容置的要求。容置槽為沿桿體的中軸線向兩側(cè)延伸一定寬度形成的位于桿體中間的凹槽，其固定孔從容置槽的中間穿過。

2.2 容置槽結(jié)構(gòu)的優(yōu)化及固定孔的設(shè)置

桿體端部的容置槽的結(jié)構(gòu)可為矩形槽、弧形槽或梯形槽中的一種。當容置槽為矩形槽時，開設(shè)方便，工藝簡單。當容置槽為弧形槽時，清潔用無紡布放置于弧形凹槽后，因弧形凹面而受到一定的彎曲預(yù)應(yīng)力，特別適用于桿體旋轉(zhuǎn)過程中的清潔作業(yè)。當容置槽為梯形槽時，可于桿體端部形成有更多容置空間的凸臺結(jié)構(gòu)，使得綁扎固定用鐵絲的接頭毛刺方便地容置于內(nèi)。

桿體的端部能設(shè)置多條容置槽。多條容置槽可平行設(shè)置，也可交叉設(shè)置。結(jié)構(gòu)形狀可相同，也可不同，如可為矩形與弧形兩種結(jié)構(gòu)形成十字交叉設(shè)置。

當有多條容置槽時，無論平行設(shè)置，還是交叉設(shè)置，無紡布均可用一定的方式纏繞包覆于桿體端部之外，鐵絲通過固定孔對無紡布進行固定，進一步提高固定效果。特別是多條容置槽形成十字交叉結(jié)構(gòu)時，無紡布就可通過套設(shè)的方式連接于桿體的端部，鐵絲通過固定孔對無紡布進行固定，安裝方便，固定牢固。

設(shè)置于桿體端部的固定孔可有多個。多個固定孔成排或者成列設(shè)置。多個固定孔也可構(gòu)成一定形狀，如簡單的三角形，也可為不規(guī)則形狀。綁扎用鐵絲綁扎無紡布時，可進出穿插多次，也可沿軸向多道綁扎，提高對無紡布的固定效果。

2.3 液體推進劑加注容器中出液管清潔裝置的研制

液體推進劑加注容器中出液管清潔裝置的整體結(jié)構(gòu)如圖4 所示。該裝置中除了清潔桿，還包括無紡布、法蘭、移動裝置、儲液器、輸送管和回收容器等。無紡布通過容置槽和固定孔固定于桿體的端部。法蘭連接于移動裝置上，用于固定待清潔出液管，其移動裝置可為移動小車等。儲液器儲存清洗液，儲液器通過輸送管與無紡布連通。具體地，桿體為腔體結(jié)構(gòu)，輸送管一端連通儲液器，另一端進入桿體的腔體內(nèi)與無紡布連通。輸送管為金屬軟管，可利用壓力等手段將儲液器內(nèi)的清洗液通過輸送管輸送到無紡布上。

圖4 液體推進劑加注容器中出液管的清潔裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖

調(diào)整桿體的角度，使桿體與待清潔的出液管保持平行，將固定有無紡布的桿體端部伸入待清潔的出液管內(nèi)，驅(qū)動移動裝置帶動法蘭移動，進而帶動出液管做軸線往復(fù)運動，桿體端部固定的無紡布對出液管內(nèi)管壁進行清潔。同時，利用壓力等手段將儲液器內(nèi)的清洗液通過輸送管擠壓到無紡布上，實現(xiàn)清洗及擦拭兩步驟同時進行，使得原本清洗與擦拭分開的步驟合并為一個步驟，減少了清潔工序，提高了清潔效率。

此外，在移動裝置上設(shè)置有回收容器。法蘭將待清潔出液管固定后，回收容器位于待清潔出液管的端部，用于回收從出液管流出的清洗液，節(jié)能環(huán)保。

3 實際使用效果

清潔桿上設(shè)置固定孔與容置槽，綁扎用鐵絲對無紡布進行固定后兩端交叉擰緊的接頭毛刺部分置于桿體端部的內(nèi)凹部分，解決了現(xiàn)有技術(shù)中綁扎用鐵絲接頭毛刺部分位于桿體外周面以外而導(dǎo)致與出液管內(nèi)的焊點等突出物的鉤掛問題。通過對容置槽結(jié)構(gòu)的優(yōu)化以及固定孔的設(shè)置進一步提高了清潔效率。研制出的液體推進劑加注容器中出液管的清潔裝置結(jié)構(gòu)簡單，能夠使清洗及擦拭同時進行。

4 結(jié)論

液體推進劑加注容器中出液管的清潔裝置由清潔桿、無紡布、法蘭、移動裝置、儲液器、輸送管和回收容器等組成。清潔桿上設(shè)置固定孔與容置槽，綁扎用鐵絲對無紡布進行固定后兩端交叉擰緊的接頭毛刺部分置于桿體端部的內(nèi)凹部分，解決了現(xiàn)有技術(shù)中綁扎鐵絲接頭毛刺部分位于桿體外周面以外而導(dǎo)致與出液管內(nèi)的焊點等突出物的鉤掛問題。設(shè)計的液體推進劑加注容器中出液管的清潔裝置結(jié)構(gòu)簡單，可減少清潔工序，提高清潔效率。該裝置適用于航天器發(fā)動機清潔技術(shù)領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。