危險(xiǎn)氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及特性
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時(shí)間：2013-09-09
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長(zhǎng)征三號(hào)運(yùn)載火箭三子級(jí)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(gè)獨(dú)立部分。共底在結(jié)構(gòu)上既要承受液氫、液氧箱同時(shí)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(xiǎn)，因此共底又是兩個(gè)箱體的安全屏障。
共底的絕熱功能主要是通過(guò)維持共底腔的真空來(lái)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(shí)，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(xiǎn)氣體在共底腔內(nèi)混合而引起爆燃。為了確?；鸺陌踩?，在低溫燃料加注過(guò)程中對(duì)共底的壓力和氫濃度應(yīng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)
2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理
危險(xiǎn)氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要功能包括：a) 共底抽空、檢漏和真空性能測(cè)試；b) 燃料加注時(shí)對(duì)共底壓力和氫濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和報(bào)警。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。
圖1 危險(xiǎn)氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
1-β規(guī)；2-共底；3-抽空泵；4-前級(jí)泵；5-擴(kuò)散泵；6-閘板閥；7-真空室； 8-質(zhì)譜計(jì)探頭；9-質(zhì)譜計(jì)；
10-計(jì)算機(jī)；11-壓力控制儀；12-β計(jì)；13-高真空閥； 14-電離真空規(guī)；15-壓電晶體閥
2.2 設(shè)計(jì)和計(jì)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(zhǎng)度不小于20 m，從大氣壓條件下開(kāi)始，抽氣時(shí)間累計(jì)12 h后，共底壓力小于266 Pa；
b) 共底壓力測(cè)量范圍1×10-1Pa～1×103Pa，測(cè)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(dòng)控制，維持在1×10-3 Pa，壓力穩(wěn)定度為10%；
d) 質(zhì)譜計(jì)測(cè)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(jì)算為單位分辨，對(duì)氫檢測(cè)的濃度靈敏度小于1×10-4，測(cè)量誤差小于10%。
2.2.2 系統(tǒng)主要部件設(shè)計(jì)
共底極限壓力P可按下式計(jì)算
P=Q/S
式中Q--共底漏放氣率，Pa·m3/s；
S--對(duì)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(jì)和制造工藝決定的，抽空泵對(duì)共底的抽速受抽空管道流導(dǎo)的限制。管道長(zhǎng)度由火箭的抽空距離所決定，因此在設(shè)計(jì)中只能利用改變管道直徑方法來(lái)改變流導(dǎo)。在分子流狀態(tài)下長(zhǎng)管道流導(dǎo)可根據(jù)文獻(xiàn)［1］ 的公式計(jì)算。長(zhǎng)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(jì)算出共底的極限壓力為166 Pa。
質(zhì)譜計(jì)選用QMS064小型四極質(zhì)譜計(jì)，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(cè)濃度靈敏度為10-5。采用計(jì)算機(jī)控制和數(shù)據(jù)處理，儀器可對(duì)共底中幾種氣體的濃度進(jìn)行同時(shí)檢測(cè)，各種氣體濃度的變化趨勢(shì)可動(dòng)態(tài)地顯示出來(lái)。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)全過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
高真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(duì)質(zhì)譜計(jì)的污染。為了獲得對(duì)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(jì)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(duì)質(zhì)譜計(jì)探頭的污染。
氣體進(jìn)樣是利用自動(dòng)壓力控制回路進(jìn)行的。自動(dòng)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(hào)，壓力控制儀將變化離子流信號(hào)和設(shè)定值比較并給出信號(hào)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(cè)量首先考慮測(cè)量的安全性，為在原位置測(cè)量，壓力規(guī)和共底箱直接連接。在氫、氧危險(xiǎn)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(jì)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(hào)，確保了測(cè)量的安全。信號(hào)通過(guò)30 m電纜傳輸給測(cè)量?jī)x器，測(cè)量?jī)x器進(jìn)行信號(hào)放大和數(shù)據(jù)處理，壓力值及變化趨勢(shì)可同時(shí)顯示，實(shí)現(xiàn)對(duì)共底壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
3 試驗(yàn)及性能測(cè)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)
評(píng)論