俄罗斯未来航天运载器贮箱低温静强度试验研究

引言

俄罗斯中央机械研究院（ЦНИИМАШ即TSNIIMASH）为俄联邦航天产品地面试验验证的行业领军单位，在俄航天业的技术基础领域占据主导地位。除了利用自身大型试验场开展强度、动力学、寿命及气动力等各类试验之外，有时针对某一具体大型产品，还会组织各设计局下属试验场、及其他独立试验单位开展联合研究，并负责评估产品的地面试验结果，给出容许产品开展飞行试验、实际应用和延寿的最终结论。

中央机械研究院下属的强度中心为俄航天局强度、动力学研究方面的领头羊式科研机构，负责解决各类航天产品的全频谱力学问题。从设计文件鉴定、开展包括结构静强度、温度（含高低温）静强度、振动、冲击和寿命等在内的理论/试验研究开始，伴随产品的整个研制和使用周期。

随着俄罗斯低温推进（液氢、液氧、甲烷）航天运输系统的发展，贮箱低温静强度试验的意义日益显著。含低温贮箱（主要是氢箱）的全部火箭子级都应该做低温静强度试验，试验过程中需模拟试验件的应用温度，温度状态直接影响结构的强度和刚度，在开展氢箱试验时需将贮箱冷却至液氢沸腾温度（20K）。贮箱低温静强度试验是一次性运载火箭经典铝合金低温贮箱修正完善、未来可重复使用运载器及上面级低温复合材料和金属复合材料贮箱结构材料及设计优化选择的重要依据。60多年来，中央机械研究院在贮箱结构低温静强度试验方面进行了大量的计算/试验研究和不懈的探索，从经济性和效果的角度研究了从液氮、气氮到氦气的各种低温贮箱冷却方法。

经典液氮低温静强度试验

与美国不同，当前俄罗斯没有能够使大型结构冷却到20K温度的强度试验台,低温氢箱试验一般采用液氮作为冷却剂，可实现77K的介质环境，避免了建造大型液氢试验场的巨额花费及使用液氢的危险。自能源号火箭开始，液氮模拟方法成为俄火箭氢箱强度试验的传统方法。能源号火箭芯级贮箱的低温静力强度试验首先用模拟件做，之后用真实贮箱做，利用液氮对全尺寸低温氢箱进行试验。

中央机械研究院的综合温度强度试验场

针对能源号大直径贮箱、干舱段等壳段及发动机部件结构，中央机械研究院于20世纪70年代末80年代初建立了综合温度强度试验场（见图1和表1 ），可开展热强度试验及低温强度试验，包括能源号火箭（见图2）、天顶号火箭、暴风雪号空天飞机及安加拉号火箭在内的苏联/俄罗斯所有代表性运载器贮箱结构都在此处进行了高低温静强度试验。

直径8m、高34m的能源号液氢贮箱是选择综合温度强度试验场尺寸的决定性部件。

图1 中央机械研究院综合温度强度试验场示意图

1-РМ-1试验间；2-РМ-2试验间；3-РМ-3试验间；4-辅助型架；5-低温助推试验台；6-高温助推台；7-循环热强度试验台；8-承力板；9-桥式起重机；10-铁轨路基；11-大门

图2  安装于试验承力间之前（左边）的能源号火箭芯级箱间段

（中央机械研究院的综合温度强度试验场）

综合温度静强度试验场的主要构成部分是3个独特的工位，为大型钢筋混凝土液压气动承力试验间。试验间的最大厚度达1.5m，可保障试验件加载内压直至破坏。试验间受到液体工质射流、内部余压及破坏碎片的作用，主要性能如表2所示。

进步工厂的低温静强度试验台

开展能源号火箭的试验研究时，中央机械研究院联合能源科研生产联合体（现能源航天集团公司）在其沃日斯基分部萨马拉进步工厂建立了低温静强度试验台系统，采用液氮作为介质。

进步工厂的低温静强度试验台系统（见图3）包括：

——常温下8m直径贮箱冷压液压试验台；

——常温水和空气介质中液压静强度试验台，用于开展贮箱和其他试验件的应力和压力加载试验；

——低温静强度试验台。

其中，低温静强度试验台用于进行8m直径贮箱的额定试验和-196℃温度（液氮介质中）下贮箱及舱段的力学和压力加载强度试验。做贮箱低温静强度试验时，贮箱用液氮加注，骨架舱段（或箱间段、尾段等）加热到300℃。

图3  萨马拉进步工厂的低温静强度试验台系统（将装配件装到低温试验台上）

氦气低温静强度试验研究

对静强度试验台的主要要求是能够复现真实全尺寸结构件全部工作范围内的力学和温度条件。较高温度（包括液氮温度）不能保障材料强度属性的变化。液氮温度（77K）下显现的贮箱材料属性甚至不能达到液氢温度下的50%，在液氮介质中不能实现20~77K温度段上焊缝弱化系数的急剧下降，这使得利用液氮模拟铝合金氢箱结构应用属性（主材料基底焊缝的特点）的做法受到质疑。

理想的低温运载器和上面级的氢箱静强度试验应该在20K温度下进行，采用氦气作为冷却剂是建设大型液氢试验场的有效替代，因为氦的沸腾温度（4K）低于氢的沸腾温度，在冷却结构时可以使用气态氦。利用氦气可以模拟低温氢箱的任何应用温度，但是不能研究液氢对材料和焊缝属性的影响，这方面可以通过利用液氢介质对样件和小比例贮箱模型开展一系列专门试验来研究。近年俄中央机械研究院强度中心对采用氦气冷却低温贮箱的技术开展了计算论证。

20K冷却温度下贮箱的热量损失计算

俄强度人以未来运载火箭演示型氢箱的防爆冷却工艺为例（见图4），尝试通过计算途径论证将大型贮箱冷却到20K的可行性。目前虽然这种工艺在世界范围内都使用，但针对的只是小型结构。

取容积约100m²、质量为1200kg的铝合金贮箱模型作为范例，筒段外壳直径为3.8m、长度为8m，两个球形底的曲率半径为3m。假设该贮箱模型与某个并联式未来火箭一子级的氢箱尺寸相符，且通常采用煤油或者液体甲烷作为燃料。这种尺寸的氢箱适用于当前的主力运载火箭，例如美国德尔它、日本的H-2A/H-2B等系列火箭。从试验的意义讲，该贮箱模型指定了未来氢箱低温静强度试验台的尺寸。通常，设计类似贮箱需要考虑的工作压力不小于5atm，因此计算时取贮箱氦气的容许压力等于5atm。

图4 氢箱氦气冷却示意图

为维持低温，试验过程中必须保证贮箱的隔热。当代隔热材料，首先是泡沫塑料的导热率（闭合多孔结构的充气树脂基复合材料）大概为0.03W/(m·K)。为进行后续计算，采取在贮箱上安装导热率λ=0.03W/(m·K)、厚度h=0.15m的隔热层。假设隔热层的密度常数为ρ=90kg/m³，热熔为c=600J/(kg·K)。在指定的几何尺寸下，贮箱表面面积为F=122m²，则隔热层质量为m=1650kg。

假定贮箱冷却的计算过程分为两个阶段。第一阶段评估将贮箱和隔热层从正常温度（20℃）冷却到液氮温度时从二者身上“剥夺”的热量。

在平衡状态下确定隔热层中温度的分布，接近于线性，因为隔热层的厚度比贮箱半径小。因此可以认为，隔热层温度等于箱壁温度和周围空气温度之和的一半。

那么，隔热层温度按照下列关系式变化：

铝的热熔随着温度的下降而减小。因此，为了获得热量Q的上限评估，取贮箱材料在整个温度区间的热熔等于其在正常温度下的热熔960J/(kg·K)，由此：

现在评估将贮箱从77K冷却到20K的所需热量。利用77K下铝的热熔值360J/(kg·K)，那么：

可知，为了使贮箱从正常温度冷却到20K必需“剥夺”其400MJ量级的热量。

氦气冷却研究

预计利用氦气降低贮箱温度，氦气冷却在专门的制冷机内。冷却装置应该保证氦气的循环和贮存，能够降低气体总流量以备后续使用。决定冷却装置能力的主要参数是冷却生产率和氦气流量。冷却生产率在工作过程中主要体现在箱壁和隔热层的冷却、及周围介质和试验装备进热量的补偿上。因此，为简化计算，整个装置的工作可以构建成：产生若干冷却结构的冷却生产率常量及中和周围介质进热量的变量。后续计算时取箱壁和隔热层的冷却功率q_冷却等于2kW。

依据经过隔热层的进热量评估结构的热负载：

考虑到进热量和冷却，贮箱的总热负载为：

表3中给出箱壁温度不同和冷却功率恒定条件下贮箱受到的总热载荷。

评估计算表明，产生总功率所必需的氦气循环流量是G=1.5kg/s。在利用恒定压力下的氦气热熔值时，贮箱入口和出口的氦气温差计算方程是：

此时热熔值对应箱壁温度，因此还必须要解释清楚气体温度。如计算所示，贮箱入口和出口的氦气温差范围为0.3~1K。

贮箱壁的放热主要由内部氦气的自由对流决定。此时气体的运动状态由格拉肖夫数和普朗特数的乘积确定。氦气对应的普朗特数在整个温度范围内近似恒定为0.7。格拉肖夫数则按照下列公式确定：

式中，g-自由加速度；β=1/Tг-气体体积膨胀的温度系数；θ-温度位差；l-特有尺寸；v-氦气的运动粘性。

取第一个近似式中的θ≈1K，l≈8m，得到氦气温度范围20~293K下Gr·Pr的值为2·10¹⁰~1.9·10¹⁵。如果氦气温度低于230K，在Gr·Pr≥6·10¹⁰时进入紊流状态。过渡流动状态对应较高温度，在计算中被紊流替换。

紊流流动状态下的局部放热系数为：

线性尺寸为Nu和G_r数的组成部分，因此放热系数与其无关。放热系数可以表示为：

根据热平衡方程法可以确定温度位差：

由此，

温度位差可以近似写为：

以气体温度的已知变化值（T_出口-T_入口）为基础，可以确定贮箱入口出口的气体温度，针对箱壁的每一温度值（见表1）。

在所选状态中贮箱冷却时间为56h，约7个工作班，状态本身可以表现为柔性的、渐进的。氦气制冷机以最大功率运行，以获取最低温度，在较高温度时利用的则只是部分功率。也可以实现比较剧烈的贮箱冷却状态，继而减少达到指定温度的时间。例如，如果假定热载荷为常量，且q=9.5kBm(所研究装置的极限参数)，则可以将贮箱冷却方程写为：

由以上方程可知，能够达到的最小温度为：

贮箱冷却的特定时间：

为得到τ的上限评估，将铝在正常温度下的热熔值代入该式，那么τ为18h。

假设贮箱的初始温度等于周围空气温度，求出贮箱温度与时间的关系式：

贮箱自温度T_周围到某一温度T的冷却时间：

其中包括贮箱到20K温度的冷却时间为22h（约为3个工作班）。表4中给出这种冷却状态对应的氦气温度和放热系数。

在选择贮箱主要冷却状态和冷却参数时，产生了确定低温氦气系统工作循环和工作原理方式的问题。低温氦气系统由两个主要要素构成：低温氦气装置的冷气生产者和冷气用户（载荷）。根据布局方案低温氦气系统可以是单回路的也可以是双回路的。压缩机为单回路低温氦气系统中流经载荷的氦气循环源。双回路布局低温氦气系统的特点是低温试剂在主要制冷机和低温稳定对象中实现工艺分流，并且利用附加设备作为经过载荷的氦气循环源，附加设备包括低温泵、“冷”或者“热”压缩机。氦气的绝热膨胀为最简单最有效的氦气冷却方法，同时完成制冷发动机的外部工作或者实现气流节流。通过节流方式冷却气体和液体时采用林德机；在气体膨胀并完成外部工作时采用制冷发动机（克罗特循环）；在气体自恒定容积流出时采用吉福勒德-马克-马戈恩机。取决于载荷所需的功率q，在q>300W时适宜在制冷机系统中采用带紊流制冷发动机的克罗特循环；q<300W时适宜用斯基尔棱克循环；q<10W时则用马克-马戈恩循环。

当前市场上提供的众多氦气制冷机系列类型主要是按照斯季尔棱克或者吉福勒德-马克-马戈恩制冷循环工作。该类型装置的一大缺点是制冷生产率不高，在温度4.2K下不超过200W，在80K温度下不超过8000W。但冷却大型结构需要的冷却生产率在18~20K温度下为10kW左右。

即使冷循环方式不同，但全部低温氦气系统都具备一定数量的同一类型部件或者部段：压缩机段，外部冷却段，节流器或者气液制冷发动机气体膨胀段。为使20K 温度下产生10kW的冷却生产率，在直流氮气预冷却且氦气制冷机与气体液化器相比可以排除这种冷却时，普遍采用带有制冷发动机的低温氦气装置。

图5中给出低温氦气装置原理图，中央机械研究院预计在温度强度试验大厅开展未来运载器和上面级的贮箱低温静强度试验，采用图5装置冷却贮箱。该装置的主要部件是压缩机、涡轮制冷发动机、热交换器和喷射器。可以利用喷射器选择冷却氦气的温度。该装置的主要特点是拥有闭合冷却系统，该系统工作时工质没有流量消耗，即可以节省高价氦气，也可以节约冷却后续气体所消耗的能源，因为从冷却容器流出的氦气所具备的温度不是远远高于流入气体的温度，这可以加速流入氦气的随后冷却。

图5  低温氦气装置原理图

1-蓄储器；2-压缩机；3-热交换器；4-涡轮制冷发动机；5-气流喷射器；

6-带隔热层的冷却容器；7-氮气槽；8-吸附器

低温氦气装置的作用原理如下。氦气从蓄储器1流出，在压缩机2内压缩（点A），依次在热交换器T1、T2和氮气槽7里冷却到80K温度（点Б）。之后，氦气直流在经过热交换器T3、T4后分成两部分（点B）。一部分流向涡轮制冷发动机4，在此处膨胀至反向流压力（点Г），并冷却至温度T4。第二部分氦气流在热交换器T5内冷却到20K温度，并经过喷射器5进入冷却容器6。

中央机械研究院开展的计算表明，利用氦气将大尺寸产品冷却至20K温度是可以实现的，这可使运载器的低温推进剂贮箱试验提高到一个全新的水平。

小结

氦气试验台作为一次性和重复使用大型贮箱结构件全尺寸液氢试验（含寿命试验）台的低价替代品，能够保障使用温度状态和受力状态的充分模拟，符合当前航天温度强度试验场的发展趋势。

当前俄罗斯中央机械研究院正在实施冷循环运行的无流量低温氦气试验系统建设，计划在现有综合温度强度试验大厅的基础上建设新型行业温度强度试验中心，全面系统升级软硬件设施，如对加载系统、加热系统、冷却系统和测量系统等，在试验中应用更为先进的信息计算技术，以满足新一代低温运载器的研制需求。

预计俄强度人将最大化使用已有的技术设备和试验经验，如氢箱静强度试验采用液氮+氦气的两级冷却方法，首先用液氮进行预冷却，冷却到196℃，同时监测液氮柱和内压之和不超过下底的应用值，之后泄出液氮，利用气氦制冷机对贮箱进行冷却，这种两级冷却法可以降低制冷机功率进而减小低温系统尺寸和降低成本，还可以压缩贮箱冷却的总时间，因为液氮温度的冷却显著快于气氦，进而降低冷却工作量。虽然建设氦气装置需要很大的资金投入，但是如果考虑到该冷却技术是无流量的，且采用这种技术能够利用低温硬化等措施实现贮箱质量的最大优化，则建氦气装置的花费就可以通过增大入轨有效载荷来补偿。