液氧煤油并行加注安全性试验论证

doi:10.7527/S1000-6893.2023.28750

流体力学与飞行器总体设计

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液氧煤油并行加注安全性试验论证

晏政¹(), 薄兵², 罗天培³, 朱良平¹, 常祥威¹

^1.西昌卫星发射中心，西昌　615000
^2.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥　230026
^3.北京航天试验技术研究所，北京　100074

收稿日期:2023-03-28 修回日期:2023-04-11 接受日期:2023-05-04 出版日期:2023-05-19 发布日期:2023-05-18
通讯作者: 晏政 E-mail:yznudt@qq.com
基金资助:
省部级项目

Safety experimental demonstration of propellant parallel loading for LOX/kerosene rocket

Zheng YAN¹(), Bing BO², Tianpei LUO³, Liangping ZHU¹, Xiangwei CHANG¹

^1.Xichang Satellite Launch Center，Xichang 　615000，China
^2.State Key Laboratory of Fire Science，University of Science and Technology of China，Hefei 　230026，China
^3.Beijing Institute of Aerospace Testing Technology，Beijing 　100074，China

Received:2023-03-28 Revised:2023-04-11 Accepted:2023-05-04 Online:2023-05-19 Published:2023-05-18
Contact: Zheng YAN E-mail:yznudt@qq.com
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Provincial and Ministerial Level Project

摘要/Abstract

摘要：

液氧（LOX）煤油因推力大、密度比冲高、经济性好，是目前主流的液体火箭推进剂组合。但目前仍广泛采用的串行加注流程存在加注发射流程长、煤油加注后温升显著等不足。为实现液氧煤油并行加注的工程应用，通过氧气煤油封闭试验、液氧煤油泄漏试验和安全边界试验迭代开展了安全性试验论证。结果表明液氧煤油并行加注的安全性控制指标为煤油蒸气浓度小于1.80%，可通过控制煤油温度低于62.2 ℃或蒸气温度低于41.8 ℃实现。对发射场液氧煤油的典型泄漏工况，即使在气温为40.0 ℃、密闭等极端环境条件下煤油蒸气最大浓度仅为0.53%，因此并行加注仍是绝对安全的。研究成果已在某中型液氧煤油运载火箭2022年以来的发射服务中应用，实现了加注流程优化64%，发射日流程优化33%。

关键词: 液氧煤油火箭, 推进剂加注, 试验论证, 安全性指标, 发射流程

Abstract:

Liquid Oxygen （LOX）/kerosene is currently the mainstream liquid rocket propellant combination because of its high thrust， high density specific impulse， and low cost. However， the propellant serial loading procedure is still widely used at present， with the shortcomings such as tediously long countdown timeline， and significant temperature rise of kerosene after loading. For engineering application of LOX/kerosene parallel loading， safety experimental demonstration was conducted iteratively through oxygen/kerosene sealing experiments， LOX/kerosene leakage experiments， and safety boundary experiments. The results show that the safety indicators of LOX/kerosene parallel loading are that the kerosene vapor concentration is less than 1.80%， which can be achieved by controlling the kerosene temperature to be less than 62.2 ℃ or the vapor temperature to be less than 41.8 ℃. Under the typical condition of leakage at the launch complex， even under extreme environmental conditions such as 40 ℃ temperature and airtightness， the maximum concentration of kerosene vapor is only 0.53%， hence LOX/kerosene parallel loading is still absolutely safe. The research results have been applied in the launch service of a medium LOX/kerosene launch vehicle since 2022， decreasing the propellant loading procedure by 64% and the countdown procedure by 33%.

Key words: LOX/kerosene rocket, propellant loading, experimental demonstration, safety indicator, countdown procedure

中图分类号:

V553.2

晏政, 薄兵, 罗天培, 朱良平, 常祥威. 液氧煤油并行加注安全性试验论证[J]. 航空学报, 2023, 44(15): 528750-528750.

Zheng YAN, Bing BO, Tianpei LUO, Liangping ZHU, Xiangwei CHANG. Safety experimental demonstration of propellant parallel loading for LOX/kerosene rocket[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2023, 44(15): 528750-528750.

图/表 13

表1

图1

表2

图2

表3

表4

图3

图4

图5

图6

图7

图8

图9

参考文献 21

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

工况类型	具体工况	发射服务应用场景	研究初始和边界条件
泄漏	液氧泄漏	通常为漏气，典型故障情况为滴漏	液氧以3.4 kg/s（单管路最大工作流量）泄漏30 s（含人员指令、阀门动作）
	煤油泄漏	通常为渗漏，典型故障情况为小漏	煤油泄漏形成∅1.0 m×0.1 m的油池
	泄漏位置	各个箭地接口均可能发生泄漏	选择煤油加注口、液氧加注口距离最近的模块

点火源	点火形式	偶发、单次的金属撞击、静电释放（15 mJ）^［5］等	间隔0.1 s、连续点火不低于100次的电火花
点火源	点火能量	参考航空煤油，最小点火能<0.1 J量级	取5 J（假定扳手从2 m掉落，并全部转化为热能）

环境因素	是否封闭	回转平台半封闭	回转平台封闭
	温度	统计历史温度最低为6.1 ℃、最高为36.5 ℃；回转平台内不受太阳直射，认为与大气温度平衡	向上取整为40 ℃
	湿度	统计湿度最高为100%，最低为33%	向下取整为0
	风速	地面风平均为1.6~2.7 m/s，浅层风（50 m）平均为5.2~6.2 m/s	向下取整为0

试验类型	加热对象	工况	煤油温度/℃	氧气浓度/%	点火能/J
设计试验	煤油	工况4	25.0	60	5.0
		工况5	36.5	60	5.0
		︙	︙	︙	︙
		工况9	64.0	60	5.0
		︙	︙	︙	︙
		工况12	70.0	60	5.0
		工况13	25.0	80	5.0
		︙	︙	︙	︙
		工况21	70.0	80	5.0
		工况22	25.0	100	5.0
		︙	︙	︙	︙
		工况30	70.0	100	5.0
加严试验	煤油	工况31	25.0	100	10.9
		︙	︙	︙	︙
		工况36	64.0	100	10.9
		︙	︙	︙	︙
		工况39	70.0	100	10.9
	混合气	工况40	48.0	100	5.0
		工况41	52.0	100	5.0
		工况42	58.0	100	5.0
		工况43	64.0	100	5.0

工况	煤油量/m³	初始温度/℃	泄漏流量/（kg·s^-1）	泄漏时长/s	点火能/J
工况53	0.123	80	≤3.4	3.6	0（不点火）
工况54	0.123	80	≤3.4	36.0	0（不点火）
工况55	0.123	80	≤3.4	360.0	0（不点火）
工况56	0.123	40	≤3.4	30.0	5.9
工况57	0.123	50	≤3.4	30.0	5.9
工况58	0.123	65			5.9
工况59	0.123	65	≤3.4	30.0	5.9
工况60	0.123	80	≤3.4	30.0	5.9

工况	煤油温度/℃	氧气浓度/%	加热对象	点火能/J	点火时间/s
工况44	70.0	100	煤油	5.0	10
工况45	70.0	100		5.0	20
工况46	70.0	100		5.0	30
工况47	48.0	100	煤油、混合气	10.9	10
工况48	52.0	100		10.9	10
工况49	58.0	100		10.9	10
工况50	64.0	100		10.9	10
工况51		21		明火	持续
工况52	57.2	100		电气起火	持续

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