某型號在役火箭的三子級采用高能量密度、高比沖率的液氫、液氧為推進劑。由于氦氣的分子量小，在低溫高壓的狀態下密度較大，且與液氧間的換熱量較小，將高壓狀態氦氣存儲在液氫溫區的氣瓶內，利用低溫冷氦增壓技術對液氧貯箱進行增壓，可使液氧貯箱的壓力保持在預定范圍內，以維持發動機渦輪泵的入口壓力[1]。由于冷氦增壓系統直接影響火箭飛行的成敗，該系統中所有閥門、管路均需經過工作溫區（20K）下的測試。
目前，為液氧貯箱增壓的關鍵產品-冷氦電磁閥采用接近液氫溫區的氦氣進行性能試驗，將換熱管浸泡在液氫中，管內流動高壓氦氣，使氦氣降溫，但由于兩者換熱的溫差逐漸縮小，且換熱時間不能無限制延長，故最終高壓氦氣的溫度只能降至30 K左右，這樣與箭上冷氦增壓系統的真實工況不同，無法滿足模擬要求。同時，這種方法需要大量的使用液氫，而氫具有易燃易爆的特性，故在使用過程中具有很大的安全隱患[2]。
根據某運載火箭增壓輸送系統產品研制需求，考慮建設能力、經濟性和可操作性，研究設計了一種液氫溫區試驗系統。深低溫制冷機和高壓低溫換熱貯罐實現高壓氦氣的產生及貯存，并降溫至液氫溫區，流量調節閥將高壓低溫氦氣減壓至所需壓力供給至被測件入口，從而在無液氫介質時實現閥門液氫溫區下的性能考核。
某運載火箭三子級采用冷氦增壓的方式為液氧貯箱增壓。該冷氦增壓系統原理如圖1所示，將氦氣存儲于鈦合金氣瓶中，并將其浸泡在液氫貯箱內，使高壓氦氣的溫度降至20K。系統主要包括電磁閥、孔板和壓力信號器，包含主增壓路、調節路和備保路共3路增壓路[3]。其中主增壓路的電磁閥為常開路，調節路的電磁閥根據壓力信號器反饋的氧箱壓力來關閉或者打開，備保路正常情況下電磁閥不動作[4]。在該系統中冷氦電磁閥能否正常工作決定著增壓系統工作是否正常甚至火箭飛行的成敗，所以對冷氦電磁閥[5]液氫溫區的性能考核至關重要。
1.增壓電磁閥 2.增壓孔板 3.調節電磁閥
4.調節孔板 5.備份電磁閥 6.備份孔板
7.調節壓力信號器 8.備份壓力信號器
圖1 冷氦增壓系統原理圖
為了真實模擬冷氦增壓系統的工作情況，考核調節電磁閥的性能是否滿足技術要求，以冷氦電磁閥液氫溫區性能試驗為切入點，設計了一種液氫溫區試驗系統。該系統由常溫氣源供給系統、制冷機系統、高壓低溫換熱貯罐、出口壓力調節系統、測控系統等組成，具備液氫溫區試驗能力，原理圖見圖2。常溫氦氣經過液氮換熱器降溫至80K后進入高壓低溫換熱貯罐，制冷機產生的20K氦氣進入貯罐的盤管式換熱器，將80K的氦氣繼續冷卻至20K，待貯罐內的壓力達到35MPa、20K時，調節系統下游的流量調節閥，將貯罐內的壓力減壓至21 MPa后開展試驗。
1.常溫氣源 2.液氮換熱器
3.高壓低溫換熱貯罐（2臺）
4.出口壓力調節系統
5.斯特林制冷機（2臺）
6.低溫閥箱 7.被測產品
圖2 液氫溫區試驗系統原理圖
本系統采用常溫高壓氦氣作為氣源，用隔膜壓縮機將氦氣增壓至35MPa，再充入50L條形氣瓶中。
用來冷卻常溫氦氣的20K氦氣，一般由制冷機產生。常用的小型制冷機有兩種，一種是斯特林制冷機，由于它內部沒有閥門，內部不可逆損失小，具有效率高、結構緊湊、體積小、重量輕的特點
[5]；另一種是G-M制冷機，具有工作可靠、壽命長、振動小的特點，但制冷量較低
[6]。考慮到工作效率、換熱時間及可操作性，本系統采用200W@ 20K斯特林制冷機產生的低溫低壓（20K，≤2MPa）氦氣作為冷源，將常溫氦氣降溫至20K液氫溫區，模擬箭上氫箱鈦合金氣瓶內的冷氦氣源。
高壓低溫換熱貯罐用來存儲20K、35MPa的高壓、低溫氦氣，采用真空絕熱方式，由外容器、內容器、盤管式換熱器、溫度測點、壓力測點和安全附件等組成，采用真空絕熱方式，具有液氮預冷夾層。每臺貯罐設計20K氦氣進出口、高壓工作氦氣進出口、液氮進出口、液氮抽空口、安全閥接口等。常溫氦氣經過液氮換熱器降溫到80K后進入高壓低溫換熱貯罐，制冷機產生的冷量通過換熱貯罐的盤管對內容腔的工作氣體繼續降溫至20K。高壓低溫換熱貯罐需要配備分子泵機組，待工作氦氣冷卻至80K、液氮預冷夾層的液氮排空后，對液氮預冷夾層進行抽真空。
箭上增壓電磁閥測試時的壓力點為21~1MPa可調，故該系統需設置壓力調節系統，以滿足不同工況下入口壓力要求。壓力調節系統主要由緩沖容器、流量調節閥、壓力傳感器、真空絕熱管路、孔板和冷氦電磁閥（被測產品）等組成。系統通過流量調節閥調節所需壓力，根據火箭飛行數據中落壓的壓力曲線，通過下游壓力反饋控制流量調節閥的開度，使試驗件的入口即緩沖罐內的壓力滿足試驗要求。
試驗測控系統采用千兆以太網和EtherCAT總線雙網絡設計，通過測控計算機、嵌入式控制器、I/O模塊、繼電器等實現對系統的遠程控制。通過冷氦電磁閥入口壓力實時反饋，控制流量調節閥開度及緩沖容器上排氣閥的啟閉，保證被測產品入口壓力滿足試驗要求。
高壓低溫換熱貯罐總容積140L為系統需滿足的設計指標。考慮冷卻時間和試驗效率，結合火箭實際的飛行數據，對貯箱容積進行分析，計算出經濟實用又符合設計指標要求的貯箱容積及數量。
依據某型號冷氦電磁閥試驗大綱，結合箭上實際飛行時間進行分析，共涉及3種工作模式，對各種模式進行AMESim仿真
[7]，建立仿真模型，模型圖如圖3所示。
在地面試驗中，通過減壓器控制被測件的入口壓力，所以其入口壓力為某一固定值，且一般為等間隔動作。按照恒壓、等間隔模式進行計算，得到冷氦電磁閥入口壓力變化曲線如圖4所示，140 L、35MPa低溫氣源大約200s后出現壓力不足（小于21MPa）的情況，無法維持電磁閥入口恒壓。
冷氦電磁閥在火箭實際飛行中其入口壓力變化是從起始的21MPa逐漸下降的過程，發動機關機時冷氦氣瓶有余壓，而非恒壓啟閉的工況。以運載火箭某次發射出口壓力、溫度數據為基礎，可得孔板流量曲線，如圖5所示，對其進行積分得到總用氣量。按照箭上落壓、箭上時序進行模擬，則需要貯箱的容積為120L。所以盡管是落壓工況，但由于總工作時間及冷氦電磁閥累計開啟時間長，按照箭上時序進行控制的耗氣量并未明顯降低，仍需要120L的氣源容積。
冷氦電磁閥入口壓力模擬箭上落壓曲線，按照試驗要求等間隔模式進行打開和關閉，需要低溫高壓儲罐容積至少應為50L，仿真結果如圖6所示。
在第3種模式中，由于是落壓工況，且電磁閥累計開啟時間短，按照等間隔時間開啟、關閉時總耗氣量顯著降低。按照2個70L低溫、高壓儲罐進行建設，在滿足設計指標要求的情況下，可以用最短時間將最小容積內的氦氣冷卻至初始工作狀態。
在工作模式上，根據試驗壓力、試驗件數量、工作效率等不同試驗需求，可以兩臺制冷機以“2對1”模式同時對1臺高壓低溫貯罐進行換熱，也可以一臺制冷機以“1對1”模式對1臺高壓低溫貯罐進行換熱。此外，貯罐以“1用1備”的模式設計，在待測冷氦電磁閥數量較多時，大大減少20K、35MPa冷氦氣源的生產時間，大幅提高工作效率。
斯特林制冷機將高壓低溫換熱器內的氣體冷卻至35MPa、20K所需的時間是系統的設計關鍵點之一，在滿足試驗條件的情況下換熱時間越短，工作效率越高。換熱的主要形式為對流換熱，分兩個階段進行計算，第一階段為高壓低溫貯罐從真空狀態到80K氦氣進入貯箱，貯箱內部氣體達到80K、35MPa；第二階段為80K工作氦氣與容器一起冷卻到20K，壓力為35MPa。采用MATLAB對換熱時間分階段進行計算，2臺斯特林制冷機同時冷卻1臺高壓低溫換熱貯罐，即“2對1”模式下，需要大約45h將1臺70L高壓低溫貯罐內的氦氣冷卻至初始試驗狀態。
本文以某型號冷氦電磁閥試驗條件為切入點，設計了一種液氫溫區試驗系統，可以相對真實地模擬箭上的工作狀態。系統考慮了操作性、試驗周期、經費、人員等多方面因素，可實現液氫溫區35MPa、20K條件下的單機性能測試和系統級冷氦增壓試驗，且具備一定的擴展性。該系統的優勢如下：
（1） 選擇斯特林制冷機作為系統的冷源，操作簡單；
（2） 通過制冷機將高壓低溫換熱貯罐內的氣體換熱產生20K、35MPa所需氦氣，在無液氫的情況下具備液氫溫區試驗能力，系統安全、可靠；
（3） 以滿足設計指標為前提，將高壓低溫換
熱貯罐設計成2臺70L，可以與兩臺制冷機以“2對1”或“1對1”、“1用1備”模式進行匹配，工作模式靈活多樣，可用最短時間將試驗所需最小氣量氦氣進行冷卻，節省試驗準備時間。
參考文獻
[1
]
Neil T′，Van Dresar. Prediction of Pressurant Mass Requirements for Axisymmetric Liquid Hydrogen Tanks ［J］. Journal of Propulsion and Power, 1997,13(6):135-143.
[2] 張志廣,等.液體火箭冷氦增壓系統低溫試驗研究［J］.低溫工程，2013，(2)：60-63.
[3] 邢力超,等.液氫溫區冷氦增壓試驗系統的設計［J］.液壓與氣動，2015，（4）：94-97，101.
[4] 邢力超,等.液氫溫區冷氦增壓系統試驗研究［J］.低溫工程，2014，（6）：34.
[5] 孫皓,等.小型斯特林制冷機的航空應用與發展趨勢［J］.紅外技術，2015，37（11）：909.
[6] 劉海波，魯雪生，顧安忠.G—M制冷機的研究進展及其應用［J］.能源技術，2004，25（6）：235.
[7] 葉超,等.冷氦增壓電磁閥動力學穩定性分析［J］.液壓與氣動，2015，（6）：98.
