液氧煤油并行加注安全性试验论证

doi:10.7527/S1000-6893.2023.28750

Abstract

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

CLC Number:

V553.2

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.

Figures/Tables 13

Table 1

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Table 2

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References 21

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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

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

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