危險氣體監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計及特性
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長征三號運(yùn)載火箭三子級推進(jìn)劑箱體是具有共底的低溫貯箱，共底將貯箱分成液氧箱和液氫箱兩個獨(dú)立部分。共底在結(jié)構(gòu)上既要承受液氫、液氧箱同時工作的載荷，又要承受可能出現(xiàn)的各自獨(dú)立工作的載荷。此外，共底還需提供有效的絕熱，使兩箱之間的熱傳導(dǎo)最小。由于氫、氧在一定條件下有爆燃危險，因此共底又是兩個箱體的安全屏障。
共底的絕熱功能主要是通過維持共底腔的真空來實(shí)現(xiàn)的。在真空條件下，空氣的熱傳導(dǎo)數(shù)值可以忽略。在常溫條件下，共底的真空度可達(dá)到133Pa。低溫燃料加注時，在液氫溫度下，共底的真空度可達(dá)到1×10-2 Pa。但如果共底出現(xiàn)泄漏，可能造成危險氣體在共底腔內(nèi)混合而引起爆燃。為了確保火箭的安全，在低溫燃料加注過程中對共底的壓力和氫濃度應(yīng)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。
2 系統(tǒng)設(shè)計及結(jié)構(gòu)
2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理
危險氣體監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能包括：a) 共底抽空、檢漏和真空性能測試；b) 燃料加注時對共底壓力和氫濃度實(shí)時監(jiān)測和報警。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。
圖1 危險氣體監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
1-β規(guī)；2-共底；3-抽空泵；4-前級泵；5-擴(kuò)散泵；6-閘板閥；7-真空室； 8-質(zhì)譜計探頭；9-質(zhì)譜計；
10-計算機(jī)；11-壓力控制儀；12-β計；13-高真空閥； 14-電離真空規(guī)；15-壓電晶體閥
2.2 設(shè)計和計算
2.2.1主要技術(shù)指標(biāo)
a) 系統(tǒng)抽空泵和共底之間距離約為18 m，抽氣管道長度不小于20 m，從大氣壓條件下開始，抽氣時間累計12 h后，共底壓力小于266 Pa；
b) 共底壓力測量范圍1×10-1Pa～1×103Pa，測量誤差小于15%；
c) 高真空系統(tǒng)真空室的極限壓力為1×10-5Pa，工作壓力可自動控制，維持在1×10-3 Pa，壓力穩(wěn)定度為10%；
d) 質(zhì)譜計測量的質(zhì)量范圍為1.66×10-27kg～8.3×10-26kg，分辨本領(lǐng)按10%谷計算為單位分辨，對氫檢測的濃度靈敏度小于1×10-4，測量誤差小于10%。
2.2.2 系統(tǒng)主要部件設(shè)計
共底極限壓力P可按下式計算
P=Q/S
式中Q--共底漏放氣率，Pa·m3/s；
S--對共底的抽速，m3/s。
通常，共底漏放氣率是由低溫貯箱的設(shè)計和制造工藝決定的，抽空泵對共底的抽速受抽空管道流導(dǎo)的限制。管道長度由火箭的抽空距離所決定，因此在設(shè)計中只能利用改變管道直徑方法來改變流導(dǎo)。在分子流狀態(tài)下長管道流導(dǎo)可根據(jù)文獻(xiàn)［1］ 的公式計算。長度為20 m、直徑1 cm管道的流導(dǎo)約為6×10-6m3/s。如果設(shè)定共底的漏放氣率為1×10-3Pa·m3/s，可以計算出共底的極限壓力為166 Pa。
質(zhì)譜計選用QMS064小型四極質(zhì)譜計，儀器的質(zhì)量范圍1.66×10-27kg～1.06×10-25kg。采用法拉第筒為離子收集極，儀器的檢測濃度靈敏度為10-5。采用計算機(jī)控制和數(shù)據(jù)處理，儀器可對共底中幾種氣體的濃度進(jìn)行同時檢測，各種氣體濃度的變化趨勢可動態(tài)地顯示出來。從而實(shí)現(xiàn)對全過程的實(shí)時監(jiān)測。
高真空系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)考慮系統(tǒng)的極限真空的獲得、進(jìn)樣和工作壓力的穩(wěn)定和減小系統(tǒng)對質(zhì)譜計的污染。為了獲得對氫氣高的有效抽速，采用擴(kuò)散泵作為主抽泵，泵的抽速大于0.1 m3/s，極限壓力小于1×10-6Pa。液氮冷阱可以提高系統(tǒng)的真空度和減小油的污染。在真空室和質(zhì)譜計探頭之間安裝高真空閥，合理選擇操作規(guī)程可以有效地防止油對質(zhì)譜計探頭的污染。
氣體進(jìn)樣是利用自動壓力控制回路進(jìn)行的。自動壓力控制儀、電離真空規(guī)和壓電晶體閥構(gòu)成閉合的壓力控制回路。電離真空規(guī)為壓力傳感元件，真空室壓力變化可使規(guī)產(chǎn)生變化的離子流信號，壓力控制儀將變化離子流信號和設(shè)定值比較并給出信號控制壓電晶體閥，改變閥的流導(dǎo)，從而實(shí)現(xiàn)氣體進(jìn)樣量的控制。
共底的壓力測量首先考慮測量的安全性，為在原位置測量，壓力規(guī)和共底箱直接連接。在氫、氧危險氣體混合的條件下，壓力規(guī)不能有任何熱源而引起混合氣體爆燃。本設(shè)計選用β型放射電離規(guī)作為壓力規(guī)，微量的放射氚源發(fā)射電子將氣體電離產(chǎn)生1×10-10A弱離子流信號，確保了測量的安全。信號通過30 m電纜傳輸給測量儀器，測量儀器進(jìn)行信號放大和數(shù)據(jù)處理，壓力值及變化趨勢可同時顯示，實(shí)現(xiàn)對共底壓力的實(shí)時監(jiān)測。
3 試驗(yàn)及性能測試
3.1 試驗(yàn)系統(tǒng)
1-4＃閥；2-機(jī)械泵；3-3＃閥；4-2＃閥；5-1＃閥；6-β規(guī)；7-HLP-03規(guī)
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