航天阀门运动副卡滞故障分析及对策

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1、第29卷第l期航天器环境工程20l2年2月SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING7航天阀门运动副卡滞故障分析及对策魏国俭，陶瑞峰，许健，刘博(北京航天动力研究所，北京100076)摘要：阀门运动副的卡滞卡死现象是超低温液氢液氧火箭发动机阀门的常见故障，防止卡滞卡死是阀门可靠性设计的重要内容之一，因为卡滞卡死往往是在阀门动作若干次以后才发生的，不易被人们所发现，因而构成阀门可靠性设计的最大威胁。特别是在低温环境试验中，阀门更容易发生卡滞卡死故障。文章叙述了国内外有关低温阀门卡滞卡死故障的统计数据、

2、故障机理、可靠性设计和防卡滞设计准则、防卡滞设计措施，并配合实际案例进行说明，可供航天发动机和航天器低温阀门设计人员参考。关键词：低温阀门运动副；卡滞卡死；故障案例；可靠性设计中图分类号：THl34文献标识码：A文章编号：1673—1379(2012)01—0007一07DoI：10．3969／j．issn．1673．1379．2012．01．002液氢液氧火箭发动机是发射和运载各种航天器的重要动力工具，而液氢液氧火箭发动机阀门是控制发动机各种功能的重要执行组合件。氢氧发动机的控制功能是靠阀门内部运动副的相对运动实现的，

3、因此运动副的可靠性设计对氢氧火箭发动机阀门设计至关重要，对各种航天器上阀门设计也是非常重要的。实践表明，液体火箭发动机低温阀门在发动机试车、试验以及火箭飞行中，常常出现阀门泄漏、减压阀振动呜叫、阀门运动副卡滞卡死等故障。阀门泄漏和振动呜叫故障，比较容易在发动机热试车前和火箭上天前的各种测试中被直接检测出来，可以通过更换新品等快捷方法进行故障处置。而卡滞卡死故障往往是在阀门的运动副动作若干次以后才会发生，不容易被发现，因此卡滞卡死故障是阀门可靠动作的潜在威胁，是火箭发动机可靠工作的“定时炸弹”，尤其在低温环境中，阀门更容易

4、发生卡滞卡死故障。在航天各种火箭发动机、各种航天器中的阀门设计、装配、试验、试车、发射、飞行中，要格外注意这一点。1阀门卡滞卡死故障统计1．1国内液体火箭发动机阀门卡滞卡死故障统计根据国内在1967—1997年期间对4个型号液体火箭发动机发生故障的初步统计[1]，阀门故障占发动机故障总数的34％(见表1)，而阀门卡滞卡死故障又占阀门故障总数的48．2％(见表2)。表1国内液体火箭发动机故障统计表TablelFailurestatisticsofliquidrocketenginesinChina故障部位故障次数故障百分L

5、L／％发动机系统2327推力室1517．5涡轮泵1517．5阀门2934其他34表2国内液体火箭发动机阀门故障比例Table2FailurepercentageofliquidrocketenginevalvesinChina故障类别故障百分bk／％卡滞卡死48．2密封泄漏24强度破坏13．8爆炸7装配失误3．5振动呜叫3．51．2国外液体火箭发动机阀门卡滞卡死故障统计据1994年张宗美编写的航天故障手册【21，其中美国“土星”系列运载火箭发动机阀门故障占发动机故障总数的28．1％，见表3；而阀门其他故障(含卡滞故障)又

6、占阀门故障总数的35％，见表4。收稿日期：2011-09—19；修回日期：2012-02—20作者简介：魏国俭(1942一)，男，研究员，硕士生导师，获国家政府津贴，长期从事火箭发动机阀门设计、研制工作。E—mail：tww5888@163．tom。8航天器环境工程第29卷表3美国土星系列运载火箭发动机故障统计表Table3FailurestatisticsofUSSaturnseriesoflaunchvehicles运载火箭发动机土星1土星1B土星5故障数故障百分比／％故障模式H1J2F．1阀门故障557825158

7、28．1接头泄漏13496520836．9涡轮泵泄漏2915246叶片轴承管路断裂392506411．9冷却通道破裂3806447．85润滑油压力异常37O4417．2螺栓松弛03030．05共计332130102564100表4美国土星系列运载火箭发动机阀门故障统计表Table4FailurestatisticsofthevalvesofUSSaturnseriesoflaunchvehicles土星1土星lB土星5阀门故障模式故障总数故障百分Lt／％H1J2F．1内部泄漏故障29591510365其他故障(含卡滞)2

8、619105535从表1～表4可以看出，在国内外液体火箭发动机研制过程中，阀门故障约占发动机故障的30％左右，而阀门卡滞卡死故障要占阀门故障相当大的比例(不小于35％)。这说明阀门卡滞卡死故障是发动机可靠工作的一大潜在威胁。2阀门卡滞卡死故障案例及其故障原因2．1国内液体火箭发动机阀门故障案例及原因国内液体火箭发动机