小型液體火箭常規(guī)推進(jìn)劑機(jī)動應(yīng)急保障模式及方案探討

楊潞鋒　軒志勇　楊曉靜　董薇　徐元元

摘? 要：該文分析了現(xiàn)有航天發(fā)射場加注系統(tǒng)的現(xiàn)狀，考慮到今后小型商業(yè)火箭的發(fā)展需要，提出了小型液體火箭常規(guī)推進(jìn)劑機(jī)動應(yīng)急保障模式。通過分析小型液體火箭常規(guī)推進(jìn)劑機(jī)動應(yīng)急保障模式的優(yōu)點(diǎn)，同時研究了機(jī)動應(yīng)急保障總體方案，通過研制模塊集成化的加注裝備，可適應(yīng)小型液體火箭的推進(jìn)劑機(jī)動保障，應(yīng)該具有廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：小型液體火箭? 機(jī)動應(yīng)急保障? 方案探討

中圖分類號：V434.3 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2020）02（c）-0070-02

推進(jìn)劑加注系統(tǒng)是航天發(fā)射場地面設(shè)備的重要組成部分，主要承擔(dān)火箭臨射前推進(jìn)劑的加注工作。目前，各發(fā)射場在發(fā)射區(qū)，均建有相對成熟的固定式的常規(guī)推進(jìn)劑保障系統(tǒng)，具備推進(jìn)劑貯存、調(diào)溫、流量計在線校驗(yàn)、庫房回流和塔上回流、加注等多種功能。固定式加注系統(tǒng)這種保障方式，雖然已經(jīng)非常成熟、可靠和穩(wěn)定，但保障模式卻相對單一，特別是在戰(zhàn)場等特殊環(huán)境下，固定目標(biāo)一旦受到打擊，或者發(fā)生突發(fā)爆炸事故，就會失去保障能力。

1? 機(jī)動應(yīng)急保障模式的提出

隨著航天技術(shù)的進(jìn)步成熟，發(fā)射塔架簡易化和火箭燃料低溫化是發(fā)展趨勢，簡易化后的發(fā)射塔架需要與之配套的加注系統(tǒng)相適應(yīng)，目前各基地只建有庫房固定式推進(jìn)劑保障系統(tǒng)，沒有配套的機(jī)動保障和應(yīng)急保障等其他輔助保障手段。

另外，隨著小型商業(yè)火箭的快速發(fā)展，小型火箭需要機(jī)動、快速發(fā)射，因此也需要與之相匹配的機(jī)動、快速加注系統(tǒng)。

針對上述情況，該文提出了航天發(fā)射場“小型火箭常規(guī)推進(jìn)劑機(jī)動應(yīng)急保障模式”。推進(jìn)劑機(jī)動應(yīng)急保障具有以下幾個特點(diǎn)。

（1）機(jī)動、靈活、快速展開、快速撤收。

（2）保障范圍大。

（3）保養(yǎng)維修便利。

（4）提高發(fā)射區(qū)的安全系數(shù)。

（5）簡化發(fā)射區(qū)固定設(shè)施。

2? 推進(jìn)劑機(jī)動應(yīng)急保障初步方案

2.1 小型火箭轉(zhuǎn)場就位

小型火箭一般是靠車載式“起豎發(fā)射車”完成火箭的轉(zhuǎn)場運(yùn)輸，將火箭從技術(shù)區(qū)平穩(wěn)可靠地轉(zhuǎn)運(yùn)到發(fā)射區(qū)，然后進(jìn)入待加注狀態(tài)。起豎發(fā)射車主要由車體、起豎機(jī)構(gòu)、發(fā)射臺、火焰導(dǎo)流裝置、擺桿、車載動力源和配套系統(tǒng)這7個部分組成。

火箭完成技術(shù)區(qū)全部工作后，通過起豎發(fā)射車從技術(shù)區(qū)經(jīng)公路轉(zhuǎn)運(yùn)至發(fā)射區(qū)指定位置，發(fā)射車按指定方位停靠并鎖定，進(jìn)入待加注狀態(tài)。

2.2 小型火箭加注系統(tǒng)配置及加注參數(shù)

小型火箭加注供氣系統(tǒng)采用移動式設(shè)備組成，分為5個車載式模塊：貯存模塊、動力計量模塊、控制指揮模塊、供氣模塊、廢氣模塊。具備完成加注管路吹除、氣密性檢查、推進(jìn)劑加注信號聯(lián)試、推進(jìn)劑加注及泄回、廢氣廢液處理等功能。加注系統(tǒng)配置及主要參數(shù)如下。

（1）系統(tǒng)配置。

系統(tǒng)主要由四氧化二氮（簡稱Y）加注槽車2臺（有效容積50m3）、偏二甲肼（簡稱R）加注槽車2臺（有效容積50m3）、氮?dú)馄寇?臺（車輛尺寸為40英尺）、動力計量車1臺、控制指揮車1臺、Y廢氣處理車（1臺）、R廢氣處理車（1臺）、加注管路等組成。

（2）加注順序。

加注順序?yàn)椋合燃覴，后加Y。采用單貯箱順序加注模式：R1級→R2級→Y1級→Y2級。

（3）加注速度。

加注速度：一級大流量加注速度約1500L/min，二級大流量加注速度為400～600L/min，一、二級小流量加注速度為400～600L/min，定量補(bǔ)加注保持流量約

300L/min。

（4）加注方式。

開始以小流量充填管道，當(dāng)?shù)竭_(dá)0液位時，加注轉(zhuǎn)入大流量加注狀態(tài)，加注至定量補(bǔ)加液位時，進(jìn)行小流量定量補(bǔ)加。

2.3 加注方案

火箭加注推進(jìn)劑來源于發(fā)射場區(qū)推進(jìn)劑庫房。加注前，推進(jìn)劑庫房根據(jù)調(diào)溫要求，對推進(jìn)劑進(jìn)行調(diào)溫，然后將氧化劑/燃料分別轉(zhuǎn)注至推進(jìn)劑加注槽車，再通過公路運(yùn)輸至發(fā)射工位。在發(fā)射工位將推進(jìn)劑槽車與貯箱、氣瓶車、廢氣處理車通過管路可靠連接。在完成全系統(tǒng)氣檢、置換、氣電聯(lián)試等工作后進(jìn)行加注。

（1）燃燒劑加注。

偏二甲肼加注槽車配屏蔽泵2臺，每臺流量1500L/min，揚(yáng)程50m;配電動隔膜泵1臺，用于加注軟管抽吸，流量3.5m3/h;配大、小流量計各1臺，流量計精度優(yōu)于0.5%;槽車有效容積50m3，最高工作壓力0.3MPa，貯罐外壁做保溫處理。

（2）氧化劑加注。

氧化劑加注槽車配屏蔽泵2臺，每臺流量1500L/min，揚(yáng)程50m;配電動隔膜泵1臺，用于加注軟管抽吸，流量3.5m3/h;配大、小流量計各1臺，流量計精度優(yōu)于0.5%;推進(jìn)劑槽車有效容積50m3，最高工作壓力0.3MPa，貯罐外壁作保溫處理。

2.4 供氣方案

（1）用氣需求。

加注系統(tǒng)：考慮置換、管線檢測等，燃燒劑用氣按400Nm3，氧化劑用氣按400Nm3，控制用氣按100Nm3，合計約900Nm3。

箭上用氣：貯箱置換、氣瓶充氣等按在技術(shù)區(qū)進(jìn)行考慮，箭上考慮貯箱增壓、泄回補(bǔ)壓用氣等（約400Nm3），控制及其他用氣約100Nm3。兩項總計用氣約為1400Nm3。供氣壓力暫按15MPa考慮。

（2）氣瓶車配置。

擬考慮采用16m3/35MPa集裝箱配備平板運(yùn)輸車進(jìn)行保障（具體數(shù)量待用氣需求明確后確定），供應(yīng)15MPa以上氮?dú)饧s1600Nm3。平板車長為40英尺，氣體集裝箱約30英尺，配氣方艙10英尺，設(shè)置配氣臺（板），將集裝箱的氮?dú)鉁p壓分配后輸送給發(fā)射臺及加注系統(tǒng)使用。集裝箱的氮?dú)獬錃庖劳邪l(fā)射場保障條件。

2.5 廢氣處理方案

（1）偏二甲肼廢氣處理。

偏二甲肼與空氣中O2發(fā)生反應(yīng)，生成無害的CO2、N2和H2O，從而消除了偏二甲肼對環(huán)境的污染。其反應(yīng)機(jī)理為：

4O2+（CH3）2N2H2====4H2O+2CO2+N2

37O2+2C12H26====26H2O+24CO2

在燃燒爐膛內(nèi)還可以進(jìn)行高溫分解反應(yīng)：

（CH3）2N2H2====2CH4+N2

CH4+2O2====CO2+2H2O

試驗(yàn)結(jié)果表明，燃燒過程平穩(wěn)，偏二甲肼去除率達(dá)99.9%以上，尾氣中其他物質(zhì)的含量均達(dá)到國家規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)。

偏二甲肼廢氣處理車主要由工藝部分、控制部分和車輛載體3個部分組成。車輛載體提供運(yùn)輸和操作平臺，工藝和控制是處理的核心單元，工藝和控制部分設(shè)備放置于8m長的方艙內(nèi)。

（2）四氧化二氮廢氣處理。

四氧化二氮具有強(qiáng)氧化性，將四氧化二氮廢氣通入己達(dá)到一定溫度的柴油燃燒爐中與助燃燃料進(jìn)行燃燒反應(yīng)，生成無害的CO2、N2和H2O，從而消除了四氧化二氮對環(huán)境的污染。其反應(yīng)機(jī)理為：

37N2O4+4C12H26====52H2O+48CO2+37N2

37O2+2C12H26====26H2O+24CO2

在燃燒爐膛內(nèi)還可以進(jìn)行高溫分解反應(yīng)：

2NO2====2NO+O2

2NO====N2+O2

試驗(yàn)結(jié)果表明，燃燒過程平穩(wěn)，四氧化二氮去除率達(dá)99.9%以上，尾氣中其他物質(zhì)的含量均達(dá)到國家規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)。

四氧化二氮廢氣處理車主要由工藝部分、控制部分和車輛載體三部分組成。車輛載體提供運(yùn)輸和操作平臺，工藝和控制是處理的核心單元，工藝和控制部分設(shè)備放置于8m長的方艙內(nèi)。

3? 結(jié)語

該文分析了現(xiàn)有航天發(fā)射場加注系統(tǒng)的現(xiàn)狀，考慮到今后小型商業(yè)火箭的發(fā)展需要，提出了小型火箭常規(guī)推進(jìn)劑機(jī)動應(yīng)急保障模式。通過分析小型火箭常規(guī)推進(jìn)劑機(jī)動應(yīng)急保障模式的優(yōu)點(diǎn)，同時設(shè)計了機(jī)動應(yīng)急保障初步方案，通過研制模塊集成化的加注裝備，可適應(yīng)小型火箭的推進(jìn)劑機(jī)動保障，應(yīng)該具有廣泛的前景，并能產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)和軍事效益。

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