遠程傳輸型共底安全監(jiān)測系統(tǒng)是為滿足當前火箭發(fā)射場自動化、高可靠性和縮短發(fā)射周期的需求，在原有火箭低溫貯箱用共底安全監(jiān)測系統(tǒng)基礎上進行改進設計而研制的新一代安全監(jiān)測系統(tǒng)。本文主要介紹了共底安全監(jiān)測系統(tǒng)的歷次設計變化情況，新一代遠程傳輸型共底安全監(jiān)測系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)及單元設計、性能與技術指標測試結(jié)果。

　　以液氫和液氧作為推進劑的低溫運載火箭，由于液氫(沸點-253 ℃)、液氧(沸點-183 ℃)易蒸發(fā)，且兩種介質(zhì)的沸點相差特別大，在火箭結(jié)構(gòu)設計上常采用蜂窩狀真空絕熱的共底貯箱結(jié)構(gòu)存放液氫和液氧介質(zhì)，這種貯箱結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性已被各國宇航界所認可，國內(nèi)外多種型號的低溫運載火箭都有應用，但液氫、液氧的低溫特性和高泄漏能力又會使這類型火箭的發(fā)射過程充滿較高風險。為避免氫、氧在共底腔內(nèi)形成混合，要求共底腔兩側(cè)不能有氫、氧的泄漏發(fā)生，同時也要避免外部空氣進入到共底腔內(nèi)部。因此，在低溫液體推進劑加注過程中，必須對共底腔內(nèi)壓力和氫、氧濃度進行實時監(jiān)測，確保發(fā)射安全�；鸺�共底安全監(jiān)測系統(tǒng)是為實現(xiàn)上述功能、確保火箭發(fā)射過程中的人身安全和產(chǎn)品安全而研發(fā)的專用危險氣體泄漏監(jiān)測設備。

1、歷次設計變化情況分析

　　火箭共底安全監(jiān)測系統(tǒng)自從1980 年提出論證和概念設計以來，在服務火箭發(fā)射任務的30多年時間里，隨著任務需求變化、真空技術和計算機技術的發(fā)展，先后共進行了4 次系統(tǒng)更新和設計改造，具體概況見表1。由表1 可以看出，共底安全監(jiān)測系統(tǒng)的設計在歷史上發(fā)生多次變化，且每次設計變化都反映了當時的真空技術和計算機發(fā)展水平，但是基本的測量原理沒有發(fā)生變化，一直采用四極質(zhì)譜分析的方法實現(xiàn)微量氫、氧氣體泄漏監(jiān)測。

表1 共底安全監(jiān)測系統(tǒng)歷次變化情況統(tǒng)計表

2、遠程傳輸型共底安全監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　2.1、整機結(jié)構(gòu)

　　遠程傳輸共底安全監(jiān)測系統(tǒng)在硬件上由抽空裝置和氣體成份分析裝置兩大部分組成，結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。其中，共底抽空裝置用于共底真空的獲得與維持，包括抽空泵、抽空閥、抽空管道(從共底箱閥至抽空管道閥門之間的管路，長度約為40 m)、泵口真空規(guī)和其他相應閥門等幾部分。共底氣體成份分析裝置用于實現(xiàn)共底腔體內(nèi)殘余氣體濃度含量的測量，監(jiān)測氫氣、氧氣等氣體濃度是否超標，在結(jié)構(gòu)上由質(zhì)譜室、質(zhì)譜計、質(zhì)譜室壓力規(guī)、氣體進樣微調(diào)閥、主抽泵和前級泵等組成。在軟件上，研發(fā)的專用測試數(shù)據(jù)傳輸軟件，能實現(xiàn)共底氫氣、氧氣等氣體濃度的自動測量、顯示、存貯和傳輸。

圖1 遠程傳輸共底安全監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

　　2.2、工作原理

　　共底抽空裝置的工作原理是：用40 m 抽空管道將共底箱閥和抽空泵連接，打開火箭箭體上的箱閥及主管路上相應的閥門后，抽空泵對共底抽氣，共底壓力測量由安裝在共底上的壓力傳感器，通過與壓力傳感器配套的真空計連接的測量電纜線來完成。壓力值在共底監(jiān)測期間予以顯示并通過遠距離信號傳輸系統(tǒng)傳送至指控中心。同時，設置在抽空裝置內(nèi)部的真空規(guī)可以間接反映共底內(nèi)的壓力變化情況。

　　共底氣體成份分析裝置的工作原理是：共底腔體內(nèi)的氣體通過抽氣管道、取樣閥，經(jīng)微調(diào)閥調(diào)節(jié)后，部分引入氣體成份分析裝置的質(zhì)譜室，四極質(zhì)譜計可根據(jù)不同氣體分子量的不同，進行質(zhì)量分離而形成質(zhì)譜峰，再根據(jù)質(zhì)譜峰的強度大小換算成相應濃度值。濃度測量過程由測試數(shù)據(jù)傳輸軟件來完成，最終在計算機顯示屏上顯示出氫、氦、氧、水、氮等氣體濃度數(shù)值隨時間變化趨勢，并根據(jù)需要實時將共底主要成份濃度數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡遠距離傳輸?shù)街缚刂行摹?/p>

　　2.3、抽空裝置

　　考慮到互換性、可移動性和減震的設計要求，本次設計的抽空裝置除了滿足共底抽空要求外，還設置了2 個氣體成份分析裝置平臺，使用過程中可以將2 臺氣體成份分析裝置同時放置在平臺上，形成一個整體操作平臺，共底監(jiān)測時可以同時啟動兩臺設備，一臺使用，一臺備份，當需要使用備份裝置時，通過開啟和關閉取樣閥組，在1 min 內(nèi)實現(xiàn)主備份的切換，切換流程簡單、迅速。圖2 給出了抽空裝置內(nèi)部布局示意圖。

圖2 抽空裝置內(nèi)部布局示意圖

4、結(jié)論

　　遠程傳輸共底安全監(jiān)測系統(tǒng)采用熱備份技術，解決了主、備份之間的切換流程復雜、耗時長的缺點，實現(xiàn)了僅需切換幾個閥門，在1 min 內(nèi)完成主、備份切換。采用全無油真空系統(tǒng)，解決了質(zhì)譜計污染的問題，提高了系統(tǒng)的可靠性。采用金屬密封結(jié)構(gòu)設計，降低了質(zhì)譜室的漏放氣速率，將系統(tǒng)啟動時間由20 min 縮短到3 min。開發(fā)的專業(yè)測試數(shù)據(jù)傳輸軟件，實現(xiàn)了共底危險氣體濃度數(shù)據(jù)的自動測量、采集、存貯和傳輸。綜上所述，新一代共底安全監(jiān)測系統(tǒng)與原監(jiān)測系統(tǒng)相比，有效抽速更大、可靠性更高、操作更簡單，可以滿足未來高密度發(fā)射任務需要而提出的縮短共底抽空時間、簡化操作流程的需求。