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1、低温加注技术的发展运载火箭研究院第1 5 研究所王瑞铨摘要：文章回顾了我国火箭低温加注技术的发展历史，取得的技术进步。介绍了世界航天大国火箭低温加注技术的状态和现状。在此基础上总结了火箭低温技术创新方面的差距和面临的机遇。主题词：火箭；地面设备；低温技术；J J n 注1 我国火箭低温加注技术的发展火箭低温加注技术的发展在我国已有近4 0 多年的历史。经历了从仿制、自行设计和独立研制自主发展三个阶段。1 9 5 8 年8 月我院翻译了原苏联5 R 1 5 液氧公路加注车，经一年零9 个月南京晨光机器厂于1 9 6 0 年5 月仿制成我国第一辆国产液氧加注车，1 9 6 3 年一季度又生产出9
2、辆液氧车，1 9 6 4 年5 月成功地用于我国首枚火箭D F 一1 的发射加注。该加注车为全拖车型，带牵引杆时总长9 0 6 0mm ，总质量为1 5 5 0 0 k g ，贮罐容积为6 m 3 ，可装载6 5 0 0 k g 液氧。工作压力为2 2 k g f e m 2 。安全膜片爆破压力为3 4 k g f e n d 。内罐与外罩之间用钢链环连结，夹层空间用米泡拉( 译音) 均匀充填。同期，我院在大连机车车辆厂仿制了5 R 5 2 液氧铁路运输车。该车长1 4 3 0 8 m m ，装载重量7 4 0 0 0 k g 。罐容积3 2 1 n d ，可装载3 2 0 0 0 k g 液
3、氧。工作压力不大於2 5 k e m 2 ，夹层绝热材料为米波拉。 1 9 6 6 年7 月在仿制1 0 5 9 导弹用5 R 1 5 和5 R 5 2 两种车辆的基础上，车、液氢为了提高射程，自行设计了液氧自动补加车，代号J z l l 一3 。该车可代替5 R 1 5 车作加注车用，也可作为D F 一2 A 导弹补加液氧用。自动补加系统是加注系统的一个重大改进，它为我国后续型号低温加注槽车的独立研制打下了一个很好的基础。7 0 年代中，我国决定研制C z 一3 运载火箭，三子级采用液氢和液氧作为推进剂，为此研制了一整套低温加注地面设备。它们包括7 0 m 3 液氢铁路加注运输车，1 0 m
4、 3 液氧公路自动卒t , J J n 车，5 4 m 3 液氢公路自动补加车，液氢液氧加注阀门、S 0 7 5 m m 液氢输送真空绝热管路、液氢液氧过滤器、各种低温压力温度传感器、加注控制设备和各种配气设备。上述设备均属于首次研制。这些设备有很大技术难度，尤其是液氢的贮运输送技术在国内尚无先例，实现了跨跃式发展。根据1 9 6 5 年至1 9 6 9 年在研制发动机试车用6 0 n 1 3 液氢槽车前，先研制了3 5 m 3 真空多层绝热中间试验容器，为研制6 0 m 3 液氢铁路运输车打下了基础，中间试验容器由大连光明研究所派人参加，协作单位有浙大等。根据1 9 6 5 年上海“1 4
5、0 ”会议精神，由七机部一院十五所提出6 0 I I l 3 液氢铁路加注车设计任务书。交通部( 7 1 ) 交计字第5 8 0 号文件布置由大连机车车辆厂试制。1 9 7 3 年8 月底完成了液氢铁路车的总装和厂内测试。1 9 7 5 年9 月在涿县召开介质试验工作会，1 9 7 6 年1 月结束介质试验工作并召开了技术鉴定会，该车正式移交1 0 1 站使用。为满足3 3 1 工程地面设备配套需要，在研制6 0 m 3 液氢铁路加注运输车的基础上，1 9 7 5 年1 0 月香山“1 4 0 5 ”会议上决定研制新的液氢铁路加注运输车，由一院十五所提出7 0 m 3 液氢铁路加注运输车的设计
6、任务书和设计方案，西安车辆厂设计制造。1 9 7 8 年6 月完成方案设计，7 月在北京召开了方案审查会，1 9 7 9 年完成了技术设计，1 9 8 0 年投产。1 9 8 2 年9 月完成第一辆出厂介质试验，1 9 8 3 年7 月完成第二辆出厂介质试验。并正式移交1 0 1 站保管和发射场使用。液氢液氧自动脱落加排连接器的研制是C z 一3 地面发射测试设备的另一项攻关项目。该连接器具有手动连接自动脱落、自动打开和自动关闭加注活门，自动发讯等多种功能。在超低温环境下工作6 个小时，负3分钟远控脱落，密封问题是该项目的关键。此外，C z 一3 三子级地面加注设备和系统的研制，标志着我国地面
7、设备在低温技术上有了较大的发展。说明我们在真空多层缠绕绝热技术、低温密封、低温加注控制等方面有了进步。它的研制有三个方面意义：一是2 4 6 为C z 一3 运载火箭的发射提供了一整套性能满足要求，可靠性较好的三子级低温加注设备；- - 是在航天队伍中培养和造就了一支老、中、青相结合的低温设备队伍；三是建成了一批具有一定规模低温设备专业生产厂家 和生产线。为奠定我国运载火箭低温设备的研制展现了美好的前景。8 0 年代中期，我国决定研制跨世纪的大型运载火箭C z 一3 A 系列。C z 一3 A 三子级仍将采用液氧和液氢作为推进剂。但发动机采用Y F 一7 5 ，火箭贮箱容量与c z 一3 相比
8、增加了一倍。且C z 一3 A 火箭各系统采用很多高新技术，重大新技术项目有4 1 项。+ 地面设备，尤其是低温加注系统与C z 一3 相比，无论在规模上和先进性上都有了很大的变化。主要的有5 大项。( 1 ) 液氧固定罐及泵式加注技术；( 2 ) 液氧加注过冷技术；( 3 ) 液氢液氧加注微机控制技术；( 4 ) 高压低温自动脱落冷氦连接器技术； ( 5 ) 氦供气系统换热及纯化技术r在这些技术项目中又有不少支撑技术和项目，先后攻克了2 6 个课题，这些关键课题有：( 1 ) 氢氧加注微机站。( 2 ) 液氧过冷器。( 3 ) 液氢质量流量计。( 4 ) 液氧泵。( 5 ) 大口径真空绝热调
9、节阀。( 6 ) 大容量液氧贮罐。( 7 ) 液氢液氧加泄排气连接器备保装置。( 8 ) 三级动力测试发控台。( 9 ) 中压远控减压器。( 1 0 ) 长时间通电电磁阀。( 1 1 ) 大速比、重负载，小体积减速器。( 1 2 ) 双向电磁阀。( 1 3 ) 高压可逆电磁阀。( 1 4 ) 冷氦热交换器。( 1 5 ) 冷氦输送真空管路。( 1 6 ) 纯化器。( 1 7 ) 高压低温自动脱落冷氦连接器。( 1 8 ) 全卸荷截止阀。( 1 9 ) 液氢液氧低温绝热接头。( 2 0 ) 低温安全阀。( 2 1 ) 液氢质量流量传感器。( 2 2 ) 液氢密度变换器。( 2 3 ) 液氢夹气量
10、密度计。( 2 4 ) 连续式低温液面计。( 2 5 ) 8 5 l I l 3 液氢铁路加注运输车爆破膜片装置。( 2 6 ) 长轴距大尺寸运输车刹滞后研究。这些课题使低温系统自动化水平( 控制、测量) 有了很大的提高，从而为发射场增添了很多新的低温设备。主要的有：( 1 ) 可远控加注的8 5 m 3 液氢铁路加注运输车；( 2 ) 可远控起动1 0 0 0l r a i n 的液氧泵。( 3 ) 流量3 0 0l m i n ，每次过冷液氧3 T 的液氧过冷器。2 4 7 ( 4 ) 使氦气纯度从9 9 9 9 ，可以提高到9 9 9 9 9 的，温度从常温到液氮级的冷氦换热器和纯化器。
11、( 5 ) 可实现远距离控制低温阀门的开和关，加注连接器自动脱落，各种低温参数( 压力、温度、液面) 可实时显示记录的液氢、液氧、液氮和冷氦测控设备。( 6 ) 可远控脱落的高压低温冷氦连接器。( 7 ) 可远控加注的4 5 1 1 1 3 液氧固定加注罐。( 8 ) 可远控加注的1 0 m 3 液氮加注补加车。这些课题的攻克，新设备的研制使低温加注系统级的水平有了很大的提高，低温技术上了一个新的台阶。低温加注新技术可以归纳为6 个方面。( 1 ) 液氢、液氧、液氮微机测控技术液氢、液氧加注实现微机联网自动加注是以往所没有的。微机测控可实现“联机”( 联合控制机) 、“自动”( 控制机单独控制
12、) 和“手动”O J n 注控制台控制) 三种方式全过程控制加注、补加任务，能对液氧压力、温度、流量、液位3 7 个参数和液氢压力、温度、密度、液位、流量1 7 个参数自动检测、显示、存贮和实时打印。该技术对加注、补加流量实行闭环自动调节，使加注补加过程流量稳定，火箭贮箱液面平稳、安全。监测系统对测得的液氢车和液氧贮罐的压力经微机处理后，送入计算机并和流量算法公式进行比较，调节阀门开度，控制进人液氢铁路车汽化器的量，达到罐内压力的平稳。微机测控的全部加注流程及参数，可动态显示在画面上。，( 2 ) 液氧固定罐及泵式加注技术低温液氧泵加注在国内首次应用，加注量是C z 一3 一倍的情况下，用不到
13、1 0 分钟完成大流量加注，缩短了加注时间。泵的设计效率高，并较好地解决了低温介质排气和用普通轴承在低温泵轴上合理布局的两个难点。( 3 ) 液氧过冷技术为提高运载能力和改善液氧品质，C Z 一3 A 首次采用该技术，使液氧过冷后温度达到8 1 5 K ，过冷效果明显，过冷量大，一次过冷3 T ，每小时过冷2 0 5 T o( 4 ) 高压低温自动脱落连接器技术C z 一3 研制了低温加注自动脱落连接器，C Z 一3 A 火箭采用冷氦增压技术，为此新研制的冷氦自动脱落连接器能在2 1 M p a 和8 0 K 低温下配气的连接器，它解决了氦气瓶、氢箱增压、氧箱增压三路不同压力供气的密封 问题和
14、临射前负两分钟自动脱落的技术，该产品系国内首创。( 5 ) 地面冷氦增压及纯化技术该项技术包括冷氦大小增压，大增保时间，小增保精度技术；冷氦高压真空金属管技术，使常温氦气变为低温氦气8 0 - I - 3 K ，纯度从9 9 9 9 提高到9 9 9 9 9 的一整套设备和纯化技术。( 6 ) 大容量液氢贮送、输送技术C z 一3 研制了7 0 I I l 3 液氢铁路车，由于C z 一3 A 火箭液氢加注量达4 0 m 3 以上。而且实现微机自动地远控加注。所以原来7 0 m 3 液氢铁路车满足不了要求，新研制的8 5 m 3 液氢铁路车在内外罐安全性设计，液位和压力监测等方面作了改进。(
15、7 ) 远控供配气技术在C Z 一3 A 火箭地面测试发射设备中，由于增加了冷氦系统、液氢液氧加注自动备保脱落，备保锁紧系统使三级配气技术大为复杂，为此采用了远控减压器技术，研制了高压可逆电磁阀，长时间工作电磁阀、二位三通电磁阀。系统通过动力测试发控台实现一、二、三级供气和氦气瓶库供气实现远距离自动控制和调节。可实现远控贮箱置换、增压、卸压、补压；气瓶置换、充气、放气；发动机预冷、吹除；一级，二级常温、冷氦及空调连接器脱落；卫星脱落插头脱落；氦气瓶库高低压供配气；尾段加温速度、吹除压力调节。能实时显示1 9 个压力，5 个温度参数的测量。对氢箱压力、冷氦气瓶压力、氧箱压力等值超过预定值予以自动
16、报警。能与计算机联合完成自动控制、自动查询、采集和传输各种数据，接受控制系统、低温加注系统、常规加注系统、推进剂利用系统、卫星系统、遥测系统的信号和有关数据。从仿制到独立研制C z 一3 火箭低温加注设备，使我们上了一个台阶，而C z 一3 A 系列火箭低温设备的研制又使我国低温技术有了一个跨越式的发展，一方面保障了火箭发射，另外某种程度上刺激了国家基础工业的发2 4 8 展，特别在液氢使用、贮运和输送方面航天走在全国的最前面。但是随着改革开放，又使我们感到与国外尚有较大差距。2 国外火箭低温加注技术的现状2 1E l 本航天低温技术日本H 一1 、H 一2 火箭，以及H 一2 改进型H 一2 A 火箭均采用液氢和液氧。为此研制了L E 一5 ( 推力1 0 吨 级) 和L E 一7 ( 推力1 0 0 吨级) 两种发动机。H I 火箭采用固定贮罐，H H A 火箭采用3 个5 4 0 m 3 球罐。L E 一5发动机试车每年用量为1 5 0 0 m 3 。1 9 7 5 年以前日本尚无液氢工业。表l 是日本航天工业领
