摘要：低温推进剂液体火箭发动机供应管道系统输送过程中低温液体必须处于满流状态，同时需要根据终端工作状态随时调整管道流量，经过多年发动机试验发现，管道增压输送是最经济、最可靠地流量调节方式，本文通过对比分析多种管道增压方式，择优筛选出最适合火箭发动机地面试验台应用的管道(贮箱)增压模式。
关键词：低温推进剂输送；管道；增压；试验台
引言：管道输送过程中对输送流体进行启闭、回路转换以及压力、流量调节是常规操作，其中压力、流量调节可以通过调节阀、减压阀或者管道增压实现等方式实现，但是通过阀门调节流道存在扩张、收缩，低温推进剂输送过程中管道扩张、收缩会引起低温推进剂气化、空泡、压力急剧波动等现象，此类现象对发动机试验会造成严重破坏，因此在发动机地面试车过程中，低温推进剂输送管道常采用管道增压的方式实现管道压力、流量调节，本文通过对比分析多种管道增压方式，择优选出最适于地面试车台应用的管道增压方式。
正文：运载火箭为适应不同轨道空间研制出多型推力不同的发动机，随着任务类型不断细化，发动机类型不断增加。不同的发动机对推进剂的瞬时流量、压力等要求不同，低温推进剂尤甚。发动机地面试车是发动机研制、校核过程中的必不可少的程序，试车台建造成本巨大，周期长，大量建造试车台不现实，为每型发动机进行适应性改造不仅拖慢发送机研制周期而且过程中重复建设、反复建设现象严重。建造性能可调的低温推进剂输送管路是以上问题的完美解决方案，其中压力、流量可调是最基本的要求，实现方式主要有管道元器件实现、管道增压输送实现，经过多年发动机试验发现，管道增压输送是最经济、最可靠的低温推进剂输送方式。
一、增压方式的研究现状
增压系统在液体火箭发动机中是非常复杂的装置，一般来说包括气体供应(增压气体库、气体发生器或气体加热器)、加注管路、阀门和输气系统。增压气体通常采用氮气、推进剂蒸汽、燃气和氦气等等．火箭运载器推进剂贮箱必须带有增压系统，除了前面所提到的满足泵的净正抽吸压头或燃烧室喷嘴前压力要求，避免泵的气缚之外；还有是为排出贮箱中的推进剂，要求贮箱中保持一定的压力；维持薄壁贮箱承载所需的内压要求，保证火箭动力装置系统正常，箭体结构有足够的强度和刚度。提供增压气体的增压系统的质量一般约占液体推进刹火箭结构质量的5-10％。选择正确的增压方式可以大大减轻火箭的死重，同时还可以简化现有的增压系统，使得运载进一步提高运载能力。
二、气瓶贮气增压
该增压方式的优点是非常简单。它由合金钢高压气瓶、一个开关活门和一个调压器组成，高压气瓶中的气体经过调节后直接进入推进剂贮箱进行增压．这种贮气式增压系统广泛用于各种型号的运载火箭和航天器。能被火箭采用来完成增压任务的气体要求具有以下性能：贮存时密度高、工作能力大(其中包括小的摩尔质量)、在推进剂组元中溶解度小、对推进剂组元及材料不起化学反应、无压缩性、成本低、容易处理。完全满足这些条件的气体是没有的。氮气、氢气、氮气是广泛使用的增压气体。氦气作为理想的增压气体，已经广泛应用于运载火箭和航天器的增压系统，如美国的可贮存推进剂上面级火箭：“阿金纳”、“大力神”过渡级；低温推进剂火箭；“宇宙神”、“土星V”；长征三号三级火箭采用全程常温氦气定压力值增压。但是，由于高压贮存，气瓶结构质量比较大，因而增压系统的结构质量比较大。
据美国统计，一般贮存Ikg常温氦气需要约lO kg的结构质量。
三、气瓶贮气加温增压
相对于上面所说的气瓶贮气增压，该增压方式的气瓶中贮存为压力高而温度低的气体，而且系统中多了一个热交换器。由于压力高、温度低的气体密度比较高，因此可以大大减小增压气体贮气瓶的数量或体积，增加了火箭的有效载荷；而且对于低温推进剂还可以提高推进剂的品质，使低温推进剂的温升基本为零，使不可利用的过热推进剂量减少，滑行段贮箱压力变化减小。但是增压气瓶中的增压气体温度可能低于推进剂，如果不进行加温，则增压气体通过推进剂贮箱时，可能会使推进剂温度低于凝结点，这样涡轮或者燃烧器将不能正常工作，火箭发射将可能失败。所以一般冷气体经减压后先进入加温器，用引入加温器的发动机涡轮废气将气体加热至与推进剂相同的温度，然后通过增压管道送入贮箱增压。例如长征一号一级便采用氮气加温增压；长征三号甲采用冷氦增压系统。随着火箭低温推进剂的应用，发展了一种低温气体高压贮存技术。它利用推进剂箱里低温推进剂作为冷源，将高压冷氦气瓶贮存在低温推进剂箱里，以提高氦气的贮存密度，减少气瓶数量，从而减小增压系统的结构质量。
四、液体贮存气化增压
这种增压方式中增压气体为低压液态贮存，并使增压气体的状态处于临界压力和温度，而获得相对高的密度和低于高压气体贮存工作压力。这种方法使得贮存容器的体积大为减小，结构质量大为降低，同时避免较高的工作压力而提高火箭和航天器的安全性。低压液态贮存有两种热力学条件：超临界与亚临界。在这些条件下，气体可以作为低温液态贮存。超临界流体是在其高于临界压力与临界温度状态下贮存的，在整个飞行任务工作期间，流体处于单相热力学状态。发动机工作时，液化流体从低压贮箱里排出，经换热汽化为气体后给推进剂增压。亚临界流体是在稍低于临界压力与I临界温度的状态下贮存，其流体呈液体一蒸汽两相处于饱和平衡状态．与亚临界贮存相比，超临界贮存要求设计压力较高，漏热较低，因而要求较厚的容器壁，更高的绝热质量。因此，超临界贮存容器的质量稍大于亚临界贮存容器的质量。但是，在低重力或失重环境状态下，亚临界贮存却带来更加复杂的两相分离问题，造成其可靠性不能很好确定。
五、总结
液体推进剂火箭在地面试车过程中，瞬时需要大量低温推进剂，同时对推进剂泵前的压力稳定性有极高要求，因此需要管道增压气源必须由极大的气体储备裕度以及压力释放能力，上述三种增压方式中，只有液体贮存气化增压可以满足以上要求，因此在发动机地面试车管道建设过程中，宜同时建设液体气化增压设施，以满足发动机试车过程中管道增压输送的要求。
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