液氫加注系統(tǒng)（液氫泵快速分離式加注槍）安全技術(shù)現(xiàn)狀研究

1 引言

航天發(fā)射場(chǎng)液氫加注系統(tǒng)的主要作用是按一定程序向火箭液氫貯箱進(jìn)行加注、補(bǔ)加及泄回液氫；完成液氫的貯存及運(yùn)輸；完成推進(jìn)劑加注過(guò)程中氫氣燃燒處理等。低溫液氫的管路傳輸貫穿在整個(gè)加注過(guò)程中，在傳輸前管路中的氣體置換，管路預(yù)冷、液氫的穩(wěn)態(tài)傳輸及射前補(bǔ)加過(guò)程中，豎直管路中間歇泉現(xiàn)象、盲支管填充時(shí)和閥門啟閉時(shí)的不穩(wěn)定現(xiàn)象等都可能存在。這些現(xiàn)象會(huì)引起加注系統(tǒng)的強(qiáng)振動(dòng)、壓力劇變和沖擊破壞，給低溫液氫的管路傳輸帶來(lái)很大的風(fēng)險(xiǎn)，系統(tǒng)設(shè)備一旦失效就可能造成災(zāi)難性后果。因此，保證低溫液氫管路傳輸?shù)陌踩种匾?/p>

液氫泵快速分離式加注槍

2 國(guó)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外航天發(fā)射場(chǎng)非常重視系統(tǒng)安全性技術(shù)研究，在提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)安全、測(cè)試安全、發(fā)射安全等方面，堅(jiān)持預(yù)防為主的理念，廣泛研究、應(yīng)用智能技術(shù)、信息技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)，加大集成化、自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化裝備的研發(fā)，信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)先進(jìn)，監(jiān)測(cè)信息全面，技術(shù)手段完善，增強(qiáng)了故障和風(fēng)險(xiǎn)檢測(cè)能力，提高了自動(dòng)化水平和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警能力，也制定了許多有關(guān)液氫安全生產(chǎn)、運(yùn)輸和存貯的標(biāo)準(zhǔn)文件及有關(guān)報(bào)告。美國(guó)、俄羅斯、日本和歐空局所屬大部分航天發(fā)射場(chǎng)均實(shí)現(xiàn)了加泄連接器自動(dòng)對(duì)接、遠(yuǎn)距離加注自動(dòng)控制等先進(jìn)技術(shù)。為改善低溫推進(jìn)劑品質(zhì)，抑制兩相流狀況，美、俄等國(guó)均運(yùn)用了液氫或液氧過(guò)冷技術(shù)。美國(guó)肯尼迪發(fā)射中心土星I發(fā)射場(chǎng)為了避免液氫加注時(shí)兩相流的出現(xiàn)，在液氫加注系統(tǒng)管路中設(shè)有一個(gè)液氫過(guò)冷器，這種過(guò)冷器使輸往火箭液氫箱的液氫過(guò)冷到-254.5℃，從而使補(bǔ)加的液氫成為單向流。D.Robert Hay等對(duì)氫的安全，訓(xùn)練及危險(xiǎn)評(píng)估系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。A.J.C.M.Matthijsen[4]等用實(shí)驗(yàn)方法得到了不同風(fēng)速下的氫擴(kuò)散安全距離。

另外，美國(guó)建立了專門穩(wěn)定的低溫推進(jìn)劑安全管理機(jī)構(gòu)，由安全主任負(fù)責(zé)全面的安全管理工作，歐空局則分別建立了地面安全與飛行安全管理組織機(jī)構(gòu)。美國(guó)還整合東西靶場(chǎng)安全標(biāo)準(zhǔn)，頒布了通用的靶場(chǎng)安全規(guī)范，對(duì)靶場(chǎng)安全實(shí)施制度化管理，引入風(fēng)險(xiǎn)管理方法，確保以合理的成本最大限度地降低航天發(fā)射對(duì)公共安全帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。

液氫泵快速分離式加注槍

從美國(guó)國(guó)防部到海、陸、空三軍都有自己的爆炸物安全標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)宇航局針對(duì)自己的工作特點(diǎn)，也制定了自己的爆炸物、推進(jìn)劑和煙火安全標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)海、陸、空三軍和宇航局4個(gè)部門近年來(lái)每年都聯(lián)合召開推進(jìn)委員會(huì)安全與環(huán)保小組委員會(huì)年會(huì)，在會(huì)上討論推進(jìn)劑的安全問題，有些安全標(biāo)準(zhǔn)就是在這樣的學(xué)術(shù)會(huì)議上醞釀產(chǎn)生的。美國(guó)現(xiàn)行液體推進(jìn)劑安全標(biāo)準(zhǔn)有以下特點(diǎn)。

（1）形成了體系。美國(guó)有關(guān)液體推進(jìn)劑的安全標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范性文件是一個(gè)由不同級(jí)別（國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、聯(lián)邦規(guī)范、軍用標(biāo)準(zhǔn)、航天標(biāo)準(zhǔn)、團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)）、不同專業(yè)和類別（綜合性、安全性能測(cè)試方法、檢測(cè)方法、危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)、包裝、貯存、運(yùn)輸、防火、防護(hù)、應(yīng)急處理）、針對(duì)不同品種、標(biāo)準(zhǔn)和手冊(cè)所組成的標(biāo)準(zhǔn)體系。（2）比較完善。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，美國(guó)的液體推進(jìn)劑安全標(biāo)準(zhǔn)體系已很完善，包括液體推進(jìn)劑安全性能測(cè)試方法，液體推進(jìn)劑危險(xiǎn)性分類，液體推進(jìn)劑的包裝、貯存（包括安全距離和選址）、運(yùn)輸，液體推進(jìn)劑的生產(chǎn)廠房的布局和選址等，在美國(guó)液體推進(jìn)劑安全標(biāo)準(zhǔn)體系中都有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)作出明確規(guī)定。（3）分工合作。美國(guó)各部門對(duì)于建立液體推進(jìn)劑安全標(biāo)準(zhǔn)體系采取分工合作的方式。美國(guó)陸、海、空三軍和宇航局聯(lián)合設(shè)立推進(jìn)委員會(huì)，下設(shè)安全和環(huán)保小組委員會(huì)，每?jī)赡暾匍_一次全國(guó)性學(xué)術(shù)會(huì)議互通信息。（4）高度一致性。美國(guó)有關(guān)液體推進(jìn)劑的各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)具有高度的一致性，例如：關(guān)于安全距離，無(wú)論是DoD標(biāo)準(zhǔn)、NASA標(biāo)準(zhǔn)還是手冊(cè)，數(shù)值都是一樣的。（5）更新比較快。美國(guó)有關(guān)液體推進(jìn)劑安全標(biāo)準(zhǔn)更新速度比較快，適應(yīng)技術(shù)和社會(huì)發(fā)展需要。

        液氫泵快速分離式加注槍

3 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)理論研究方面，章吉平[5]提出：在低溫推進(jìn)劑加注管路中增加流量調(diào)節(jié)閥來(lái)抑制兩相流。具體方法為：由原來(lái)的單一擠壓壓力調(diào)節(jié)改為擠壓壓力調(diào)節(jié)與節(jié)流閥調(diào)節(jié)相結(jié)合的組合調(diào)節(jié)方式。大流量加注時(shí)，采用單純擠壓方式使液氫在單相流狀態(tài)下正常加注；小流量加注時(shí)，采用同時(shí)改變液氫車擠壓壓力和調(diào)節(jié)管路末端節(jié)流閥開度的方法來(lái)調(diào)節(jié)流量，使加注流量穩(wěn)定并使節(jié)流閥前的管路處于單相流狀態(tài)下工作，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證此方法效果良好。針對(duì)目前我國(guó)運(yùn)載火箭推進(jìn)劑加注過(guò)程中，加泄連接器與箭體活門對(duì)接與脫離工作仍采用傳統(tǒng)人工方式的現(xiàn)狀，黃小妮[6]等結(jié)合俄羅斯的“架棲”和美國(guó)的“箭棲”技術(shù)，針對(duì)我國(guó)火箭箭體的自身結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種用于加泄連接器與箭體活門對(duì)接與脫離工作的機(jī)器人，并從仿真角度進(jìn)行了驗(yàn)證。許多專家學(xué)者對(duì)液氫在低溫管路傳輸過(guò)程中存在多種危險(xiǎn)因素如：間歇泉、液氫傳輸過(guò)程中的動(dòng)態(tài)沖擊及液氫加注流量的變化對(duì)火箭貯箱造成壓力波動(dòng)等進(jìn)行了研究，指出了液氫加注時(shí)的危險(xiǎn)因素。

液氫泵快速分離式加注槍

4 存在的不足

我國(guó)發(fā)射場(chǎng)火箭推進(jìn)劑加注系統(tǒng)自動(dòng)化程度相對(duì)偏低，某些操作仍需手動(dòng)，存在許多安全隱患。現(xiàn)有系統(tǒng)主要存在以下安全方面的不足：（1）系統(tǒng)中關(guān)鍵設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置不夠完善；（2）地面貯罐汽化器等關(guān)鍵設(shè)備無(wú)備份，一旦失效無(wú)法彌補(bǔ)；（3）系統(tǒng)傳感器，特別是流量傳感器數(shù)量不夠，出現(xiàn)液氫泄漏后無(wú)法快速準(zhǔn)確定位泄漏點(diǎn)具體位置。