发射场低温推进剂加注训练系统

低温液体推进剂火箭优势明显，在我国航天事业中有着十分重要的地位。航天发射场低温推进剂加注系统的可靠性、安全性是确保航天发射任务成功的重要基础。本书着重介绍了发射场低温推进剂加注训练系统的设计与实现，本书具有以下特色： （1）本书是对我国航天发射场低温推进剂加注训练实践活动的理论总结，紧贴工程应用实际，系统阐述了低温推进剂加注所涉及的基本概念、基本原理、相关技术、典型问题、故障处置及训练系统设计，具有普遍性和实用性。 （2）本书在介绍理论知识的同时引入了大量应用工程实例，对实际应用具有现实的指导意义。

推进剂加注系统是航天发射场地面设施设备的重要组成部分，推进剂加注是运载火箭发射任务流程中的重要和关键环节，“安全、可靠、精确、快速”是对加注系统的基本要求，也是对加注专业人员训练水平的实际检验。近年来，发射场按照从理论学习到实践应用、从专业基础到岗位技能的步骤，区分人员类别层次强化训练，有效提升了专业人员技术水平，确保了高密度航天发射任务的顺利实施。本书贴近训练实际需求，旨在系统阐述低温推进剂加注专业人员开展基础知识训练所涉及的知识体系和开展基本技能训练所需的模拟操控平台体系，兼顾知识体系的全面性、模拟操控平台体系的先进性和实用性。
本书共9 章：第1 章绪论，主要阐述了低温推进剂加注系统基本组成、基本特点和基本工作内容，加注训练意义及主要训练内容；第2 章低温加注系统基础理论，主要介绍了低温液体管流特性、低温绝热理论、深冷处理理论、低温推进剂过冷理论、空气分离理论等与低温加注系统直接相关的基础理论；第3 章低温加注系统基本知识，介绍了液氧、液氢等低温推进剂的理化性质以及生产、运输等，液氧、液氢等低温推进剂加注系统的功能组成、工艺流程以及加注工序等；第4 章低温加注系统基本原理，介绍了低温加注基本原理，以及低温贮罐、液氧泵、低温管路、低温阀门等典型工艺设备的工作原理等相关内容；第5 章低温加注系统设计技术，介绍了系统总体设计、工序流程设计、工艺系统设计、控制系统设计、加注过程设计计算等相关设计知识；第6 章低温加注系统安全要求，主要从设计、操作、管理等方面介绍了低温加注系统相关的安全要求；第7 章低温加注系统典型问题分析，介绍了液氧加注系统间歇泉问题、低温推进剂加注管路水击问题、液氢加注过程中的静电防护问题、液氢输送过程中的管道振动问题等典型问题的现象、机理和预防措施等；第8 章低温加注系统典型故障应急处置，介绍了低温贮罐、液氧泵、低温管路、低温阀门等典型工艺设备出现故障的处置措施，以及推进剂加注过程中出现各类故障的应急处置措施；第9 章低温加注模拟训练系统设计与实现，介绍了模拟训练系统总体架构、系统硬件和软件设计，以及系统开发相关技术。
在本书编著过程中，得到了太原卫星发射中心各级领导以及李红林、张有龙等同志的大力帮助和指导，在此表示衷心感谢。此外，北京航天发射技术研究所王明富，上海宇航系统工程研究所张亮、张浩、常娟、锐等，对全书进行了审阅并提出了许多宝贵意见，在此对他们表示由衷的感谢!
由于作者水平有限，书中的疏漏和不妥之处在所难免，恳请读者批评指正。

编著者

相有桓，太原卫星发射中心技术部，室副主任、工程师，长期从事发射场推进剂加注、测发地面总体等领域工作，在此领域获专利3项，编写加注专业技术手册3部，发表论文10余篇，其中EI检索论文5篇。

本书以航天发射场低温推进剂加注系统为背景,结合系统专业人员学习训练实际需求,全面介绍了低温推进剂加注系统基础理论、基本知识、基本原理、设计技术、安全要求、典型问题分析、典型故障应急处置以及低温加注模拟训练系统设计与实现等内容。
本书可供航天发射场从事低温推进剂加注领域的专业技术人员阅读,也可供航天发射系统各级管理人员和技术人员参考。

第1 章 绪论001
1.1　引言001
1.2　低温加注系统概述002
　1.2.1　基本组成002
　1.2.2　基本特点002
　1.2.3　基本工作内容003
1.3　加注训练意义004
1.4　加注训练主要内容004

第2 章 低温加注系统基础理论006
2.1　低温液体管流特性006
　2.1.1　低温推进剂管路流动温升006
　2.1.2　低温推进剂加注流量调节007
　2.1.3　不产生两相流的条件007
　2.1.4　两相流流阻压降计算008
　2.1.5　两相流含气系数计算011
　2.1.6　防止形成两相流的方法011
2.2　低温绝热理论013
　2.2.1　低温绝热机理013
　2.2.2　非真空绝热014
　2.2.3　高真空绝热015
　2.2.4　真空粉末绝热016
　2.2.5　真空多层绝热016
　2.2.6　低温抽气机理017
2.3　深冷处理理论018
　2.3.1　奥氏体019
　2.3.2　马氏体020
　2.3.3　深冷处理工艺021
　2.3.4　深冷处理机理022
　2.3.5　深冷处理优点及应用023
2.4　低温推进剂过冷理论023
　2.4.1　低温推进剂过冷加注024
　2.4.2　换热过冷025
　2.4.3　抽空减压过冷026
　2.4.4　冷氦气鼓泡过冷027
2.5　空气分离理论028
　2.5.1　空气分离基本原理028
　2.5.2　空气的净化030
　2.5.3　空气的液化030
　2.5.4　空气的分离032

第3 章 低温加注系统基本知识033
3.1　低温推进剂033
　3.1.1　概述033
　3.1.2　液氧034
　3.1.3　液氢036
　3.1.4　煤油038
　3.1.5　甲烷041
　3.1.6　液氮042
3.2　液氧加注系统043
　3.2.1　功能组成043
　3.2.2　工艺流程051
　3.2.3　加注工序051
　3.2.4　氧排放与处理052
3.3　液氢加注系统052
　3.3.1　功能组成052
　3.3.2　工艺流程053
　3.3.3　加注工序054
　3.3.4　氢排放及处理054
3.4　煤油加注系统055
　3.4.1　功能组成055
　3.4.2　工艺流程057
　3.4.3　加注工序057
　3.4.4　三废处理058
3.5　甲烷加注系统058
　3.5.1　功能组成058
　3.5.2　工艺流程058
　3.5.3　三废处理058
3.6　液氮辅助加注系统059
　3.6.1　功能组成059
　3.6.2　加注工序060
3.7　国外典型低温加注系统060
　3.7.1　液氧加注系统060
　3.7.2　液氢加注系统061

第4 章 低温加注系统基本原理063
4.1　低温加注基本原理063
　4.1.1　加注原理063
　4.1.2　加注方式064
　4.1.3　定量方式064
　4.1.4　泄回方式064
　4.1.5　控制和监测064
　4.1.6　预冷及其控制065
4.2　低温贮罐065
　4.2.1　低温贮罐结构065
　4.2.2　工作原理066
4.3　液氧泵067
　4.3.1　液氧泵结构067
　4.3.2　工作原理068
4.4　低温管路069
　4.4.1　加注硬管069
　4.4.2　加注软管070
　4.4.3　管路连接形式071
4.5　低温阀门071
　4.5.1　低温球阀071
　4.5.2　低温截止阀073
　4.5.3　低温调节阀074
4.6　流量计075
　4.6.1　涡街流量计075
　4.6.2　涡轮流量计076
　4.6.3　差压式流量计077
　4.6.4　质量流量计078
4.7　增压气化器078
4.8　过冷器080
4.9　盘管式换热器081
4.10　系统净化置换082
　4.10.1　液氧、液氮系统净化置换082
　4.10.2　液氢系统净化置换083

第5 章 低温加注系统设计技术085
5.1　低温加注系统总体设计085
　5.1.1　设计技术要求085
　5.1.2　系统布局设计086
　5.1.3　系统布置设计086
　5.1.4　系统调试设计087
5.2　低温加注系统工序流程设计087
　5.2.1　推进剂总贮量设计087
　5.2.2　加注方式设计088
　5.2.3　定量方法设计089
　5.2.4　流量调节设计089
　5.2.5　工序流程设计090
5.3　低温加注工艺系统设计091
　5.3.1　总体技术要求091
　5.3.2　低温贮罐设计093
　5.3.3　液氧泵设计096
　5.3.4　低温管路设计098
　5.3.5　低温阀门设计100
　5.3.6　增压气化器设计102
5.4　低温加注控制系统设计104
　5.4.1　控制系统设计要求104
　5.4.2　控制系统功能设计105
　5.4.3　控制系统设计实例107
5.5　加注过程设计计算108
　5.5.1　置换过程设计计算108
　5.5.2　预冷过程设计计算109
　5.5.3　挤压压力计算和加注流量调节算法111
　5.5.4　挤压加注用气量算法112
　5.5.5　射前补加过程算法113
　5.5.6　加注管路漏热计算114

第6 章 低温加注系统安全要求117
6.1　危险及危害117
　6.1.1　火灾危险性117
　6.1.2　爆炸危险性117
　6.1.3　低温伤害及冻伤118
　6.1.4　氮气窒息118
　6.1.5　氧中毒118
6.2　设计安全要求118
　6.2.1　安全距离118
　6.2.2　建筑120
　6.2.3　避雷装置121
　6.2.4　接地系统121
　6.2.5　通风121
　6.2.6　消防121
6.3　操作安全要求122
　6.3.1　液氧生产122
　6.3.2　液氧贮存122
　6.3.3　运输123
　6.3.4　转注123
　6.3.5　加注准备123
　6.3.6　加注124
　6.3.7　泄回124
　6.3.8　人员防护124
6.4　管理安全要求125
　6.4.1　人员管理125
　6.4.2　用电管理125
　6.4.3　用气管理125
　6.4.4　接地管理125
　6.4.5　标志管理126
6.5　警示案例126
　案例一126
　案例二126
　案例三126
　案例四127

第7 章 低温加注系统典型问题分析128
7.1　液氧加注系统间歇泉问题128
　7.1.1　问题情况128
　7.1.2　建立仿真模型129
　7.1.3　试验结果分析132
　7.1.4　抑制间歇泉措施134
7.2　低温推进剂加注管路水击问题135
　7.2.1　问题情况135
　7.2.2　建立仿真模型136
　7.2.3　试验结果分析138
　7.2.4　预防水击措施140
7.3　液氢加注过程中的静电防护问题141
　7.3.1　问题情况141
　7.3.2　机理分析141
　7.3.3　流体静电积聚的理论计算142
　7.3.4　贮罐内的静电电位分布144
　7.3.5　静电防护措施146
7.4　液氢输送过程中的管道振动问题147
　7.4.1　问题情况147
　7.4.2　建立仿真模型147
　7.4.3　试验结果分析150

第8 章 低温加注系统典型故障应急处置154
8.1　紧急事件处置原则154
　8.1.1　泄漏处置原则154
　8.1.2　氢火灾处置原则154
　8.1.3　氧火灾处置原则155
8.2　工艺设备典型故障处置155
　8.2.1　低温贮罐故障处置155
　8.2.2　液氧泵故障处置156
　8.2.3　低温管路故障处置157
　8.2.4　低温阀门故障处置158
　8.2.5　低温流量计故障处置159
　8.2.6　增压气化器故障处置160
　8.2.7　过冷器故障处置161
　8.2.8　配气台故障处置161
　8.2.9　传感器和仪表故障处置162
8.3　低温推进剂加注过程应急处置162
　8.3.1　火箭液位信号故障处置162
　8.3.2　地面加注管路泄漏处置162
　8.3.3　加注过程贮箱压力升高处置162
　8.3.4　箭上加注阀无法关闭处置163
　8.3.5　加注排气阀故障处置163
　8.3.6　加注过程中过冷器故障处置163
　8.3.7　库房故障处置164
8.4　煤油加注过程应急处置164
　8.4.1　火箭液位信号故障处置164
　8.4.2　加注管路泄漏处置164
　8.4.3　加注、安溢阀控制气压力异常处置164
　8.4.4　煤油加注阀打开信号未收到处置165
　8.4.5　箭上加注阀无法关紧处置165
　8.4.6　加注活门箱故障处置165
　8.4.7　库房故障处置165

第9 章 低温加注模拟训练系统设计与实现166
9.1　系统总体架构166
　9.1.1　系统逻辑架构166
　9.1.2　系统功能组成167
　9.1.3　工序流程设计167
9.2　系统硬件169
　9.2.1　模拟低温加注控制台设计169
　9.2.2　后台处理微机界面设计170
　9.2.3　硬件设备主要参数170
9.3　系统软件170
　9.3.1　物理模型构建170
　9.3.2　系统用户管理171
　9.3.3　系统任务管理171
　9.3.4　加注指挥训练173
　9.3.5　加注操作训练175
　9.3.6　软件开发工具176
9.4　系统开发技术177
　9.4.1　三维建模技术177
　9.4.2　视景生成技术179
　9.4.3　模型优化技术180
　9.4.4　三维动画技术181
　9.4.5　数据管理与交互控制技术181
　9.4.6　多线程技术182
　9.4.7　数学模型构建183

参考文献190