消氢装置安全护航我国新一代液氢液氧运载火箭发射

邓康清，庞爱民，王相宇，刘 学，尹华丽，朱雯娟

(湖北航天化学技术研究所，襄阳 441003)

低温推进剂液氢/液氧因能量高、比冲大、燃气清洁而在火箭领域具有广阔的应用前景[1]。但在4%～8%体积分数的较低的氢气浓度下，液氢具有爆燃的危害，此时燃烧产生的压力波以亚音速传播[2]；在氢气体积分数18.3%～59%情况下，可产生严重的以超音速传播的爆轰的危害[3-4]，液氢的这种易燃、易爆和易渗漏等特性，给贮存、保管、加注和发射带来诸多不便[1]。由液氢泄漏等导致的事故有很多[5]，为此开展了液氢扩散、蒸发和泄漏的规律性研究[6-7]和航天器发射场安全保障技术措施研究[8]，以保证航天发射任务的安全性。以CZ-5为代表的运载火箭是我国全新研制的推力最大、直径最大的新一代重型运载火箭，也是我国第一次采用液氢液氧发动机的运载火箭。这种运载火箭在发射前喷管会直接向发射平台周围环境排放大量的低温氢气，这些低温氢气是火箭发射的最大危险源，与空气混合，形成可燃气团，遇静电或明火，可发生燃烧和爆炸，损坏发射场的设备和设施，甚至影响火箭推进剂贮箱的安全，导致星箭俱毁。针对这一背景，湖北航天化学技术研究所开展了液氢液氧运载火箭用消氢装置的研制。图1为运载火箭发射时消氢装置引燃低温氢气的情况。

(a) Fired hydrogen-eliminated device

(b) Hydrogen-eliminated device ignited LH2

消氢装置是一种特种固体火箭发动机。它在液氢液氧主发动机工作前一定时间点火，利用发动机中推进剂燃烧产生的高温、高速金属粒子流点燃运载火箭发射前从大喷管排出的低温氢气，从而避免大量聚集的氢气成为运载火箭发射的危险源，保证运载火箭发射的安全。因此，消氢装置是采用液氢液氧发动机的运载火箭的保护神。

消氢装置采用双层保护设计，由发动机和安全附件组件两部分组成，发动机和安全附件组成内外两层壳体，内层壳体实际是一种火箭发动机，可实现喷射高温金属粒子羽流的特殊功能；外层壳体为安全附件，起到防爆隔热的功能：一方面，为发动机工作提供更加稳定的工作环境，避免运载火箭点火时产生的高热流冲击；另一方面，也提供了安全防爆功能，防止点火装置在工作过程中出现爆炸，而损毁火箭和设备。因此,消氢装置具有高安全性、高可靠性的特点。

据报道，世界上美国航天飞机的发射也采用了该类消氢安全防护技术。

1 消氢装置研制关键技术

由于消氢装置是通过高温金属粒子流点燃液氢液氧发动机喷管排放的低温氢气来消除消氢的，因此消氢装置必须能产生足够高温度的金属粒子以点燃氢气，足够大的高温金属粒子范围以可靠点燃氢气，足够高的高温金属粒子喷射速度以抵御大风环境，足够好的安全性以防止爆炸对火箭本身和地面设施的破坏。

消氢装置国内没有现成的产品，需要全新研制。其技术难点在于：无现成的推进剂配方，需要研究；无现成安全可靠的装置，需要设计；不清楚低压下推进剂稳定点火燃烧的条件，需要研究；不知道产生高温金属粒子的条件，需要摸索。研制中经过两个方案数百次实验，攻克了高温金属粒子流发生技术、发动机点火及稳定燃烧控制技术、金属粒子流喷射点氢技术、金属粒子流喷射轨迹控制技术、明火时间控制技术、粒子流抗风技术、装置安全可靠性技术等多项技术难关，研制出了满足火箭发射时要求消氢的产品。

消氢装置主要技术创新点包括：

(1)高温金属粒子流发生技术

常规固体火箭发动机尾焰中的金属粒子在离开发动机喷口时已基本燃烧完毕，无高温金属粒子。本项目在流场分析基础上，设计出了一种亚音速流场的特种发动机，并研制了一种新型金属基富燃料推进剂，实现了喷射高温金属粒子流的要求。

(2)发动机点火及稳定燃烧控制技术

在低压下燃烧不稳定、点火延迟时间长是采用低燃速推进剂的低压发动机研制中普遍存在的技术难题。消氢装置是一个既采用低燃速推进剂又在低压下工作的发动机，点火延迟时间长，并有喘振现象。研制中通过采用高燃速引燃药环持续点火引燃金属基富燃料推进剂，并设计定向器等方法，成功消除了喘振，缩短了点火延迟时间。

(3)金属粒子流喷射点氢技术

研制初期测得点火装置粒子流温度仅为850 K，不能点燃氢气。为此，通过调节推进剂配方，选用合适的金属粒子种类、含量和配比，提高推进剂配方燃温，研制出能产生金属粒子的新型金属基富燃料推进剂，大幅度提高了粒子温度，成功点燃氢气。

(4)金属粒子流喷射轨迹控制技术

常规固体发动机工作时尾焰中的金属粒子存在散射直径大、存在时间短、粒子分布难以控制的难题。本装置的尾流场为亚音速流动，流场中粒子轨迹更加难以控制。通过设计一种特殊的亚音速直型喷管，成功解决了金属粒子流轨迹控制、飞行距离控制的难题。

(5)明火时间控制技术

固体推进剂燃烧完后，发动机内非金属材料分解出的可燃气体与空气中的氧气结合燃烧会产生明火，明火燃烧时间长短一般很难控制。本装置中通过选用耐烧蚀降温层的方法，成功缩短了明火时间。

(6)粒子流抗风技术

在能够产生金属粒子的前提下，通过调整喷管喉径和推进剂燃速，提高了金属粒子的喷射速度和喷射距离，从而提高了粒子流的抗风性能，满足了大风环境对金属粒子的抗风要求。

(7)装置安全可靠性技术

由于消氢装置是液氢液氧火箭发射前的最后一道安全关卡，这就要求装置既具有本质安全性，又具有低易损性。本消氢装置通过设置燃烧室薄弱环节和设计安全附件，提高了装置的安全性，达到了本体安全问题不会影响到周边设备设施，周边危险也难以影响到装置本身安全的要求。

此外，消氢装置还通过采用一种加长特型喷管，提高了燃气在喷管中的燃烧完全性，有效降低了消氢装置黑色烟雾含量。

2 消氢装置研制进展及应用

为考察消氢装置的环境适应性，消氢装置通过了温度冲击试验、点火裕度试验、湿热试验、2 m跌落试验、烤燃试验、金属粒子流抗风试验、振动及运输试验等多种环境试验的考核，并随总体进行了低温液氢点燃试验、芯一级动力试车试验和发射场合练试验，这些试验均成功点燃低温氢气。

消氢装置可靠性得到多次发射验证。

2016年11月3日，研制的消氢装置首次应用在液氢液氧运载火箭上，在海南文昌发射中心 “准确、准时”点燃了火箭发射的“第一把火”，消除了火箭发射前大喷管排放的大量低温氢气的危险，安全护航火箭首飞。

2020年5月5日，消氢装置参加液氢液氧运载火箭发射空间站舱段首飞成功。

2019年12月27日、2020年7月23日和2020年11月24日，消氢装置又分别安全护航我国液氢液氧火箭成功发射实践二十号卫星、“天问一号”火星探测器和“嫦娥五号”月球探测器。