危險氣體監測系統設計及特性
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長(cháng)征三號運載火箭三子級推進(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)獨立部分。共底在結構上既要承受液氫、液氧箱同時(shí)工作的載荷，又要承受可能出現的各自獨立工作的載荷。此外，共底還需提供有效的絕熱，使兩箱之間的熱傳導最小。由于氫、氧在一定條件下有爆燃危險，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)現的。在真空條件下，空氣的熱傳導數值可以忽略。在常溫條件下，共底的真空度可達到133Pa。低溫燃料加注時(shí)，在液氫溫度下，共底的真空度可達到1×10-2 Pa。但如果共底出現泄漏，可能造成危險氣體在共底腔內混合而引起爆燃。為了確?；鸺陌踩?，在低溫燃料加注過(guò)程中對共底的壓力和氫濃度應進(jìn)行實(shí)時(shí)監測。
2 系統設計及結構
2.1 系統結構及原理
危險氣體監測系統的主要功能包括：a) 共底抽空、檢漏和真空性能測試；b) 燃料加注時(shí)對共底壓力和氫濃度實(shí)時(shí)監測和報警。系統結構見(jiàn)圖1。
圖1 危險氣體監測系統結構示意圖
1-β規；2-共底；3-抽空泵；4-前級泵；5-擴散泵；6-閘板閥；7-真空室； 8-質(zhì)譜計探頭；9-質(zhì)譜計；
10-計算機；11-壓力控制儀；12-β計；13-高真空閥； 14-電離真空規；15-壓電晶體閥
2.2 設計和計算
2.2.1主要技術(shù)指標
a) 系統抽空泵和共底之間距離約為18 m，抽氣管道長(cháng)度不小于20 m，從大氣壓條件下開(kāi)始，抽氣時(shí)間累計12 h后，共底壓力小于266 Pa；
b) 共底壓力測量范圍1×10-1Pa～1×103Pa，測量誤差小于15%；
c) 高真空系統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，壓力穩定度為10%；
d) 質(zhì)譜計測量的質(zhì)量范圍為1.66×10-27kg～8.3×10-26kg，分辨本領(lǐng)按10%谷計算為單位分辨，對氫檢測的濃度靈敏度小于1×10-4，測量誤差小于10%。
2.2.2 系統主要部件設計
共底極限壓力P可按下式計算
P=Q/S
式中Q--共底漏放氣率，Pa·m3/s；
S--對共底的抽速，m3/s。
通常，共底漏放氣率是由低溫貯箱的設計和制造工藝決定的，抽空泵對共底的抽速受抽空管道流導的限制。管道長(cháng)度由火箭的抽空距離所決定，因此在設計中只能利用改變管道直徑方法來(lái)改變流導。在分子流狀態(tài)下長(cháng)管道流導可根據文獻［1］ 的公式計算。長(cháng)度為20 m、直徑1 cm管道的流導約為6×10-6m3/s。如果設定共底的漏放氣率為1×10-3Pa·m3/s，可以計算出共底的極限壓力為166 Pa。
質(zhì)譜計選用QMS064小型四極質(zhì)譜計，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，儀器的檢測濃度靈敏度為10-5。采用計算機控制和數據處理，儀器可對共底中幾種氣體的濃度進(jìn)行同時(shí)檢測，各種氣體濃度的變化趨勢可動(dòng)態(tài)地顯示出來(lái)。從而實(shí)現對全過(guò)程的實(shí)時(shí)監測。
高真空系統的設計應考慮系統的極限真空的獲得、進(jìn)樣和工作壓力的穩定和減小系統對質(zhì)譜計的污染。為了獲得對氫氣高的有效抽速，采用擴散泵作為主抽泵，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的真空度和減小油的污染。在真空室和質(zhì)譜計探頭之間安裝高真空閥，合理選擇操作規程可以有效地防止油對質(zhì)譜計探頭的污染。
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、電離真空規和壓電晶體閥構成閉合的壓力控制回路。電離真空規為壓力傳感元件，真空室壓力變化可使規產(chǎn)生變化的離子流信號，壓力控制儀將變化離子流信號和設定值比較并給出信號控制壓電晶體閥，改變閥的流導，從而實(shí)現氣體進(jìn)樣量的控制。
共底的壓力測量首先考慮測量的安全性，為在原位置測量，壓力規和共底箱直接連接。在氫、氧危險氣體混合的條件下，壓力規不能有任何熱源而引起混合氣體爆燃。本設計選用β型放射電離規作為壓力規，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，確保了測量的安全。信號通過(guò)30 m電纜傳輸給測量?jì)x器，測量?jì)x器進(jìn)行信號放大和數據處理，壓力值及變化趨勢可同時(shí)顯示，實(shí)現對共底壓力的實(shí)時(shí)監測。
3 試驗及性能測試
3.1 試驗系統
1-4＃閥；2-機械泵；3-3＃閥；4-2＃閥；5-1＃閥；6-β規；7-HLP-03規
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