氢氧火箭发动机试验台液氢供应系统可靠性设计研究

郭敬 郑然 王海峰 孔凡超 胡旭坤 赵宏

北京航天试验技术研究所北京100074

摘要：本文依据氢氧发动机试验台液氢供应系统设计和试验经验，在分析液氢供应系统特点的基础上，首次系统总结了液氢供应系统可靠性分析和设计的步骤、设计方法、设计依据和设计重点问题，为进行大推力氢氧发动机试验台推进剂供应系统的可靠性设计提供实践经验和参考。

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关键词 ：氢氧火箭发动机试验台；液氢；可靠性

1 概述

发展大推力重型运载火箭是21 世纪各个航天大国规划的航天目标之一。我国将大推力运载火箭的研究重心确定为研发220 吨级重型运载火箭。其中大推力氢氧火箭发动机设计和试验是实现这个研究目标的关键。作为进行氢氧火箭发动机试验的重要单位，我所已展开大流量低温推进剂，特别是大流量液氢供应系统的研究工作。预计未来试验台液氢流量将增大为现有试验台的4 倍。为保证系统的可靠性，必须对液氢供应系统的可靠性设计过程进行研究。本文研究液氢供应系统可靠性设计的重点问题，为未来试验台液氢供应系统可靠性设计提供参考。

2 液氢供应系统组成及特点

试验台液氢供应系统主要由液氢加注系统、液氢贮箱组、配气板、主管道、阀门、流量计、过滤器、补偿器、增压调节装置、排放系统及控制系统等组成。液氢供应系统具有如下特点：①作为火箭发动机地面试验设备，发动机试验台可多次重复使用，甚至可以经过改造以满足更高发动机型号的试验要求。因此，试验台液氢供应系统具有设计寿命长、可维修性的特点。②由于液氢供应系统结构复杂，且大量设备均为串联结构，使得系统的可靠性相对较低，对决定试验成功的功能件选用冗余的设计。③对于氢氧火箭发动机试验台来说，试验只有成败两种结果，因此系统级的可靠性评估应按成败型评价方法，但对于分系统中的设备，仍然可以用指数寿命型、威布尔寿命型、压力-强度型等评价方法。

3 液氢供应系统可靠性设计

3.1 可靠性设计步骤。液氢供应系统的可靠性设计目标就是以最低的寿命周期费用使系统具有最佳的使用效能，可靠性设计应当从系统研制初期就开始，贯穿于系统研制、使用的整个周期。

3.2 确定寿命剖面和任务剖面。液氢供应系统的寿命剖面和任务剖面在进行系统可靠性要求论证时就应提出。在系统设计初期，就应当精确和尽量完整的确定寿命、任务事件以及预期的使用环境。①寿命剖面。液氢供应系统的寿命剖面为液氢供应系统从调试成功并交付到寿命终结或退出使用这段时间内所经历的全部事件和环境时序的描述，包括采购、运输、贮存、检测、维修、试验、保养、报废等全部事件。对发动机地面试验系统来说，试验期间的产品可靠性固然最重要，但是由于系统大部分时间处于非任务状态（贮存、保养、检测、维修），这期间的状态直接影响着试验时系统的状态，因此必须把非任务状态下的特殊状况也转化为设计要求。比如液氢供应系统试验结束后，系统内的贮箱组、管道等设备需要进行正压保护，温度传感器、压力传感器、流量计等相关测试元件必须定期进行检验校对以及过滤器定期检查、清洗或更换等要求。②任务剖面。液氢供应系统的任务剖面为系统在完成规定任务期间所经历的事件和环境的时序描述，分为单元测试、综合测试、试验、试验后处理四个阶段。由于在上述四个阶段内工作内容不同，失效判据不同，系统的可靠性框图也不同。需要确立的液氢供应系统的任务剖面内容包括系统的工作状态、维修方案、根据不同试验任务确定的工艺系统功能、系统的工作时间与顺序、系统功能指标及失效判据、各个部件接口或边界条件等。

3.3 可靠性指标分配及模型建立。液氢供应系统根据建台任务书获得自身的可靠性指标之后，选用合适的分配方法将各阶段的可靠性参数的目标值分配给各个分系统。可靠性参数分配宜选择10%的余量,应掌握如下分配原则：

液氢主管道及其部件分配较高的可靠性指标，增压配气系统分配较低的指标；

液氢主管道、气路系统上的应急阀、断流阀分配较高的可靠性；

真空绝热管道的内管上焊接有温度补偿器，其可靠性按内管波纹管的可靠性选取。真空绝热管道的内、外管均焊接温度补偿器，内、外管补偿器按串联进行可靠性选取；

真空波纹管的可靠性按内、外波纹管串联模型进行可靠性选取；

贮箱组顶部的放气阀分配较高的可靠性；

增压配气系统中气体管道、气瓶可靠性一般选择为100%；

气体管道中的蒯形补偿器压缩安装时等同于同参数的波纹管补偿器可靠性；

控制气减压器、阀门分配较高的可靠性；

增压气体开关阀门分配较高的可靠性；

进发动机的吹除气过滤器比其它过滤器分配较高的可靠性。液氢供应系统常用的可靠性指标分配方法为比例组合法和专家分配法。由于液氢供应系统已在不同型号的试验台获得充足的试验数据和经验，因此在研制新的液氢供应系统时，优先采用比例组合法，可节省大量研究费用。

液氢供应系统的可靠性模型主要为串联模型。但是对关键部件和功能采用并联冗余设计，在绘制系统可靠性框图时，须采用并联模型。例如，液氢流量对发动机试验来说是最重要的参数，为了确保测量的可靠性，在主管路上采用两个流量计串联测量的方式。液氢贮箱组的增压系统选用薄膜调节阀和孔板增压并联，试验过程中，若薄膜调节阀突然失灵，可采用孔板增压方式继续增压。

3.4 可靠性预计。建立液氢可靠性模型之后，就可进行可靠性预计。预计结果可以给出影响可靠性的因素，发现薄弱环节，以便对设计方案进行优选和调整。在进行液氢供应系统可靠性预计时，考虑到系统的特点，新建系统往往具有较好的继承性，一般应根据已有试验台的液氢供应系统信息、试验信息以及国外相似工艺系统信息等进行可靠性预计。

4 结论

本文总结了液氢供应系统可靠性设计的步骤、方案以及与其它航天产品在可靠性设计方面的异同点。该可靠性设计方法不仅是我所氢氧火箭发动机试验台设计经验的总结，也结合了我所几十年来在氢氧火箭发动机试验和系统改造方面的实践经验，因此对大推力发动机试验台液氢供应系统的可靠性设计具有重要的指导意义。

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参考文献：

[1]曾声奎.可靠性设计与分析[M].国防工业出版社，2011.

[2]周正伐.航天可靠性工程[M].中国宇航出版社，2007.

[3]陈春富.大推力氢氧发动机试验推进剂供应技术研究[D].国防科学技术大学，2007.