中央機械研究院下屬的強度中心為俄航天局強度,、動力學研究方面的領頭羊式科研機構(gòu),，負責解決各類航天產(chǎn)品的全頻譜力學問題。從設計文件鑒定,、開展包括結(jié)構(gòu)靜強度,、溫度（含高低溫）靜強度、振動,、沖擊和壽命等在內(nèi)的理論/試驗研究開始,，伴隨產(chǎn)品的整個研制和使用周期。

經(jīng)典液氮低溫靜強度試驗

與美國不同，當前俄羅斯沒有能夠使大型結(jié)構(gòu)冷卻到20K溫度的強度試驗臺,低溫氫箱試驗一般采用液氮作為冷卻劑,，可實現(xiàn)77K的介質(zhì)環(huán)境,，避免了建造大型液氫試驗場的巨額花費及使用液氫的危險,。自能源號火箭開始，液氮模擬方法成為俄火箭氫箱強度試驗的傳統(tǒng)方法,。能源號火箭芯級貯箱的低溫靜力強度試驗首先用模擬件做,，之后用真實貯箱做，利用液氮對全尺寸低溫氫箱進行試驗,。

中央機械研究院的綜合溫度強度試驗場

針對能源號大直徑貯箱,、干艙段等殼段及發(fā)動機部件結(jié)構(gòu)，中央機械研究院于20世紀70年代末80年代初建立了綜合溫度強度試驗場（見圖1和表1 ）,，可開展熱強度試驗及低溫強度試驗,，包括能源號火箭（見圖2）、天頂號火箭,、暴風雪號空天飛機及安加拉號火箭在內(nèi)的蘇聯(lián)/俄羅斯所有代表性運載器貯箱結(jié)構(gòu)都在此處進行了高低溫靜強度試驗,。

直徑8m、高34m的能源號液氫貯箱是選擇綜合溫度強度試驗場尺寸的決定性部件,。

圖1 中央機械研究院綜合溫度強度試驗場示意圖

1-РМ-1試驗間,；2-РМ-2試驗間；3-РМ-3試驗間,；4-輔助型架,；5-低溫助推試驗臺；6-高溫助推臺,；7-循環(huán)熱強度試驗臺,；8-承力板；9-橋式起重機,；10-鐵軌路基,；11-大門

圖2  安裝于試驗承力間之前（左邊）的能源號火箭芯級箱間段

（中央機械研究院的綜合溫度強度試驗場）

綜合溫度靜強度試驗場的主要構(gòu)成部分是3個獨特的工位，為大型鋼筋混凝土液壓氣動承力試驗間,。試驗間的最大厚度達1.5m,，可保障試驗件加載內(nèi)壓直至破壞。試驗間受到液體工質(zhì)射流,、內(nèi)部余壓及破壞碎片的作用,，主要性能如表2所示。

其中,，低溫靜強度試驗臺用于進行8m直徑貯箱的額定試驗和-196℃溫度（液氮介質(zhì)中）下貯箱及艙段的力學和壓力加載強度試驗。做貯箱低溫靜強度試驗時,，貯箱用液氮加注,，骨架艙段（或箱間段、尾段等）加熱到300℃,。

圖3  薩馬拉進步工廠的低溫靜強度試驗臺系統(tǒng)（將裝配件裝到低溫試驗臺上）

氦氣低溫靜強度試驗研究

對靜強度試驗臺的主要要求是能夠復現(xiàn)真實全尺寸結(jié)構(gòu)件全部工作范圍內(nèi)的力學和溫度條件,。較高溫度（包括液氮溫度）不能保障材料強度屬性的變化。液氮溫度（77K）下顯現(xiàn)的貯箱材料屬性甚至不能達到液氫溫度下的50%,，在液氮介質(zhì)中不能實現(xiàn)20~77K溫度段上焊縫弱化系數(shù)的急劇下降,，這使得利用液氮模擬鋁合金氫箱結(jié)構(gòu)應用屬性（主材料基底焊縫的特點）的做法受到質(zhì)疑。

理想的低溫運載器和上面級的氫箱靜強度試驗應該在20K溫度下進行,，采用氦氣作為冷卻劑是建設大型液氫試驗場的有效替代,，因為氦的沸騰溫度（4K）低于氫的沸騰溫度，在冷卻結(jié)構(gòu)時可以使用氣態(tài)氦,。利用氦氣可以模擬低溫氫箱的任何應用溫度,，但是不能研究液氫對材料和焊縫屬性的影響，這方面可以通過利用液氫介質(zhì)對樣件和小比例貯箱模型開展一系列專門試驗來研究,。近年俄中央機械研究院強度中心對采用氦氣冷卻低溫貯箱的技術開展了計算論證,。

俄強度人以未來運載火箭演示型氫箱的防爆冷卻工藝為例（見圖4），嘗試通過計算途徑論證將大型貯箱冷卻到20K的可行性,。目前雖然這種工藝在世界范圍內(nèi)都使用,，但針對的只是小型結(jié)構(gòu)。

取容積約100m²,、質(zhì)量為1200kg的鋁合金貯箱模型作為范例,，筒段外殼直徑為3.8m、長度為8m,，兩個球形底的曲率半徑為3m,。假設該貯箱模型與某個并聯(lián)式未來火箭一子級的氫箱尺寸相符，且通常采用煤油或者液體甲烷作為燃料,。這種尺寸的氫箱適用于當前的主力運載火箭,，例如美國德爾它、日本的H-2A/H-2B等系列火箭,。從試驗的意義講,，該貯箱模型指定了未來氫箱低溫靜強度試驗臺的尺寸。通常,，設計類似貯箱需要考慮的工作壓力不小于5atm,，因此計算時取貯箱氦氣的容許壓力等于5atm。

圖4 氫箱氦氣冷卻示意圖

假定貯箱冷卻的計算過程分為兩個階段。第一階段評估將貯箱和隔熱層從正常溫度（20℃）冷卻到液氮溫度時從二者身上“剝奪”的熱量,。

鋁的熱熔隨著溫度的下降而減小,。因此，為了獲得熱量Q的上限評估,，取貯箱材料在整個溫度區(qū)間的熱熔等于其在正常溫度下的熱熔960J/(kg·K),，由此：

現(xiàn)在評估將貯箱從77K冷卻到20K的所需熱量。利用77K下鋁的熱熔值360J/(kg·K),，那么：

可知,，為了使貯箱從正常溫度冷卻到20K必需“剝奪”其400MJ量級的熱量。

預計利用氦氣降低貯箱溫度,，氦氣冷卻在專門的制冷機內(nèi),。冷卻裝置應該保證氦氣的循環(huán)和貯存，能夠降低氣體總流量以備后續(xù)使用,。決定冷卻裝置能力的主要參數(shù)是冷卻生產(chǎn)率和氦氣流量,。冷卻生產(chǎn)率在工作過程中主要體現(xiàn)在箱壁和隔熱層的冷卻、及周圍介質(zhì)和試驗裝備進熱量的補償上,。因此,，為簡化計算，整個裝置的工作可以構(gòu)建成：產(chǎn)生若干冷卻結(jié)構(gòu)的冷卻生產(chǎn)率常量及中和周圍介質(zhì)進熱量的變量,。后續(xù)計算時取箱壁和隔熱層的冷卻功率q_冷卻等于2kW,。

依據(jù)經(jīng)過隔熱層的進熱量評估結(jié)構(gòu)的熱負載：

考慮到進熱量和冷卻,，貯箱的總熱負載為：

表3中給出箱壁溫度不同和冷卻功率恒定條件下貯箱受到的總熱載荷。

評估計算表明,，產(chǎn)生總功率所必需的氦氣循環(huán)流量是G=1.5kg/s,。在利用恒定壓力下的氦氣熱熔值時，貯箱入口和出口的氦氣溫差計算方程是：

          

式中，g-自由加速度,；β=1/Tг-氣體體積膨脹的溫度系數(shù),；θ-溫度位差；l-特有尺寸,；v-氦氣的運動粘性,。

取第一個近似式中的θ≈1K，l≈8m,，得到氦氣溫度范圍20~293K下Gr·Pr的值為2·10¹⁰~1.9·10¹⁵,。如果氦氣溫度低于230K，在Gr·Pr≥6·10¹⁰時進入紊流狀態(tài),。過渡流動狀態(tài)對應較高溫度,，在計算中被紊流替換。

紊流流動狀態(tài)下的局部放熱系數(shù)為：

線性尺寸為Nu和G_r數(shù)的組成部分,，因此放熱系數(shù)與其無關,。放熱系數(shù)可以表示為：

根據(jù)熱平衡方程法可以確定溫度位差：

由此，

溫度位差可以近似寫為：

以氣體溫度的已知變化值（T_出口-T_入口）為基礎,，可以確定貯箱入口出口的氣體溫度,，針對箱壁的每一溫度值（見表1）。

在所選狀態(tài)中貯箱冷卻時間為56h,，約7個工作班,，狀態(tài)本身可以表現(xiàn)為柔性的、漸進的,。氦氣制冷機以最大功率運行,，以獲取最低溫度，在較高溫度時利用的則只是部分功率,。也可以實現(xiàn)比較劇烈的貯箱冷卻狀態(tài),，繼而減少達到指定溫度的時間。例如，如果假定熱載荷為常量,，且q=9.5kBm(所研究裝置的極限參數(shù)),，則可以將貯箱冷卻方程寫為：

由以上方程可知，能夠達到的最小溫度為：

貯箱冷卻的特定時間：

為得到τ的上限評估,，將鋁在正常溫度下的熱熔值代入該式,，那么τ為18h。

假設貯箱的初始溫度等于周圍空氣溫度,，求出貯箱溫度與時間的關系式：

貯箱自溫度T_周圍到某一溫度T的冷卻時間：

在選擇貯箱主要冷卻狀態(tài)和冷卻參數(shù)時,，產(chǎn)生了確定低溫氦氣系統(tǒng)工作循環(huán)和工作原理方式的問題,。低溫氦氣系統(tǒng)由兩個主要要素構(gòu)成：低溫氦氣裝置的冷氣生產(chǎn)者和冷氣用戶（載荷）。根據(jù)布局方案低溫氦氣系統(tǒng)可以是單回路的也可以是雙回路的,。壓縮機為單回路低溫氦氣系統(tǒng)中流經(jīng)載荷的氦氣循環(huán)源,。雙回路布局低溫氦氣系統(tǒng)的特點是低溫試劑在主要制冷機和低溫穩(wěn)定對象中實現(xiàn)工藝分流，并且利用附加設備作為經(jīng)過載荷的氦氣循環(huán)源,，附加設備包括低溫泵,、“冷”或者“熱”壓縮機。氦氣的絕熱膨脹為最簡單最有效的氦氣冷卻方法,，同時完成制冷發(fā)動機的外部工作或者實現(xiàn)氣流節(jié)流,。通過節(jié)流方式冷卻氣體和液體時采用林德機；在氣體膨脹并完成外部工作時采用制冷發(fā)動機（克羅特循環(huán)）,；在氣體自恒定容積流出時采用吉福勒德-馬克-馬戈恩機,。取決于載荷所需的功率q，在q>300W時適宜在制冷機系統(tǒng)中采用帶紊流制冷發(fā)動機的克羅特循環(huán),；q<300W時適宜用斯基爾棱克循環(huán),；q<10W時則用馬克-馬戈恩循環(huán)。

圖5  低溫氦氣裝置原理圖

1-蓄儲器；2-壓縮機,；3-熱交換器,；4-渦輪制冷發(fā)動機；5-氣流噴射器,；

6-帶隔熱層的冷卻容器,；7-氮氣槽；8-吸附器

小結(jié)

預計俄強度人將最大化使用已有的技術設備和試驗經(jīng)驗，如氫箱靜強度試驗采用液氮+氦氣的兩級冷卻方法,，首先用液氮進行預冷卻,，冷卻到196℃，同時監(jiān)測液氮柱和內(nèi)壓之和不超過下底的應用值,，之后泄出液氮,，利用氣氦制冷機對貯箱進行冷卻，這種兩級冷卻法可以降低制冷機功率進而減小低溫系統(tǒng)尺寸和降低成本,，還可以壓縮貯箱冷卻的總時間,，因為液氮溫度的冷卻顯著快于氣氦，進而降低冷卻工作量,。雖然建設氦氣裝置需要很大的資金投入,，但是如果考慮到該冷卻技術是無流量的，且采用這種技術能夠利用低溫硬化等措施實現(xiàn)貯箱質(zhì)量的最大優(yōu)化,，則建氦氣裝置的花費就可以通過增大入軌有效載荷來補償,。