氢气置换用量及用时计算

　　1 引 言

　　1.1 氢系统置换的目的

　　新一代大运载火箭一、二级采用液氢液氧推进剂。液氢是强还原剂不能与氧气、空气、氯气等有氧化作用的气体介质接触，而且温度极低(-253℃) 。

　　在这个温度下常规惰性气体如氮气也会凝结成固态，这些固体气体在液氢中相当于机械杂质，会堵塞阀门、过滤器、流量计和密度计等，堵塞火箭发动机喷嘴，从而引起液氢加注系统或火箭动力装置系统故障。此外液氢中的固态氧或固态空气( 液氢中的固态空气通常是富氧的) 遇到摩擦或冲击极易引起爆炸。因而液氢使用的环境条件要求极高，颗粒物不能大于14μm，介质气体纯度≥99.9%，氧含量<30×10^-6(体积分数)，氮含量<800×10^-6，水含量<30×10^-6，其它成分含量<50×10^-6。在推进剂加注前，为使氢系统达到所要求的环境条件，必须选用一种低冰点、氧化活性差的气体对氢系统进行置换使O₂、H₂O、N₂等杂质气体的含量降低到技术要求规定的指标内。

　　1.2 氢系统置换用气选择

　　由于液氢特殊的物化性质，氢系统的置换只能采用氦气和氢气两种介质。目前某型火箭氢系统采用氦气作为置换介质，氦气沸点为-268℃在液氢环境下不会凝固或液化，氦气还是惰性气体，不会与氢发生化学反应，并且氦气的是分子量最接近氢气的气体，其渗透性和扩散性与氢气接近便于氢系统检漏。但氦气是一种战略物资，且是稀有气体在空气中含量仅有4.6×10^-4-5.3×10^-4，现在中国国内氦气的生产主要从天然气里提取，产量低。而新一代运载火箭的一级贮箱容积是现有某型火箭氢箱容积的7倍多，液氢加注管路也比现在的系统长将近1倍，如使用氦气进行置换，氦气使用量将是目前使用量的7倍多。并且如采用现在使用氦气的模式，从生产厂将氦气装瓶后运到发射场，高压气体运输的安全性不易保证，运输成本也将使用氦气的成本大大增加，故采用大量氦气置换保障困难。

　　在某新型靶场由于液氢的用量大，采取目前这种异地生产液氢的方式，其运输成本和安全性都无法接受。要解决这个问题，只能在发射场附近建厂生产。而氢气是液氢生产过程中的副产品，产量上有保障，只需兴建一个气瓶库，用氢压机将生产过程中产生的氢气压缩到气瓶库中，以备所需时使用。采用氢气置换是变“废”为用，避免了生产过程中的浪费，有利于资源的全面利用。

　　1.3 氢系统置换的方法

　　目前加注系统的置换方法主要有抽真空、增压置换和吹除3种方法。抽真空的方法就是先用抽空的手段抽出系统内的气体，再用纯净气体来填充，反复进行。吹除就是用纯净气体连续吹除一定的时间。增压置换的方法就是用纯净气体增压，然后保留一段时间，再排除平衡后的气体。