危险气体监测系统设计及特性
长征三号运载火箭三子级推进剂箱体是具有共底的低温贮箱，共底将贮箱分成液氧箱和液氢箱两个独立部分。共底在结构上既要承受液氢、液氧箱同时工作的载荷，又要承受可能出现的各自独立工作的载荷。此外，共底还需提供有效的绝热，使两箱之间的热传导最小。由于氢、氧在一定条件下有爆燃危险，因此共底又是两个箱体的安全屏障。
共底的绝热功能主要是通过维持共底腔的真空来实现的。在真空条件下，空气的热传导数值可以忽略。在常温条件下，共底的真空度可达到133Pa。低温燃料加注时，在液氢温度下，共底的真空度可达到1×10-2 Pa。但如果共底出现泄漏，可能造成危险气体在共底腔内混合而引起爆燃。为了确保火箭的安全，在低温燃料加注过程中对共底的压力和氢浓度应进行实时监测。
2 系统设计及结构
2.1 系统结构及原理
危险气体监测系统的主要功能包括：a) 共底抽空、检漏和真空性能测试；b) 燃料加注时对共底压力和氢浓度实时监测和报警。系统结构见图1。
图1 危险气体监测系统结构示意图
1-β规；2-共底；3-抽空泵；4-前级泵；5-扩散泵；6-闸板阀；7-真空室； 8-质谱计探头；9-质谱计；
10-计算机；11-压力控制仪；12-β计；13-高真空阀； 14-电离真空规；15-压电晶体阀
2.2 设计和计算
2.2.1主要技术指标
a) 系统抽空泵和共底之间距离约为18 m，抽气管道长度不小于20 m，从大气压条件下开始，抽气时间累计12 h后，共底压力小于266 Pa；
b) 共底压力测量范围1×10-1Pa～1×103Pa，测量误差小于15%；
c) 高真空系统真空室的极限压力为1×10-5Pa，工作压力可自动控制，维持在1×10-3 Pa，压力稳定度为10%；
d) 质谱计测量的质量范围为1.66×10-27kg～8.3×10-26kg，分辨本领按10%谷计算为单位分辨，对氢检测的浓度灵敏度小于1×10-4，测量误差小于10%。
2.2.2 系统主要部件设计
共底极限压力P可按下式计算
P=Q/S
式中Q--共底漏放气率，Pa·m3/s；
S--对共底的抽速，m3/s。
通常，共底漏放气率是由低温贮箱的设计和制造工艺决定的，抽空泵对共底的抽速受抽空管道流导的限制。管道长度由火箭的抽空距离所决定，因此在设计中只能利用改变管道直径方法来改变流导。在分子流状态下长管道流导可根据文献［1］ 的公式计算。长度为20 m、直径1 cm管道的流导约为6×10-6m3/s。如果设定共底的漏放气率为1×10-3Pa·m3/s，可以计算出共底的极限压力为166 Pa。
质谱计选用QMS064小型四极质谱计，仪器的质量范围1.66×10-27kg～1.06×10-25kg。采用法拉第筒为离子收集极，仪器的检测浓度灵敏度为10-5。采用计算机控制和数据处理，仪器可对共底中几种气体的浓度进行同时检测，各种气体浓度的变化趋势可动态地显示出来。从而实现对全过程的实时监测。
高真空系统的设计应考虑系统的极限真空的获得、进样和工作压力的稳定和减小系统对质谱计的污染。为了获得对氢气高的有效抽速，采用扩散泵作为主抽泵，泵的抽速大于0.1 m3/s，极限压力小于1×10-6Pa。液氮冷阱可以提高系统的真空度和减小油的污染。在真空室和质谱计探头之间安装高真空阀，合理选择操作规程可以有效地防止油对质谱计探头的污染。
气体进样是利用自动压力控制回路进行的。自动压力控制仪、电离真空规和压电晶体阀构成闭合的压力控制回路。电离真空规为压力传感元件，真空室压力变化可使规产生变化的离子流信号，压力控制仪将变化离子流信号和设定值比较并给出信号控制压电晶体阀，改变阀的流导，从而实现气体进样量的控制。
共底的压力测量首先考虑测量的安全性，为在原位置测量，压力规和共底箱直接连接。在氢、氧危险气体混合的条件下，压力规不能有任何热源而引起混合气体爆燃。本设计选用β型放射电离规作为压力规，微量的放射氚源发射电子将气体电离产生1×10-10A弱离子流信号，确保了测量的安全。信号通过30 m电缆传输给测量仪器，测量仪器进行信号放大和数据处理，压力值及变化趋势可同时显示，实现对共底压力的实时监测。
3 试验及性能测试
3.1 试验系统
1-4＃阀；2-机械泵；3-3＃阀；4-2＃阀；5-1＃阀；6-β规；7-HLP-03规
评论