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[摘 要]为满足未来的卫星在轨服务、深空探测以及月球/行星基地建设等航天发展需求，液氢、液氧等火箭低温推进剂需要长时间在轨储存，这就给低温推进剂的蒸发量控制技术提出了更高的要求。本文从被动热控制和主动热控制两方面对低温推进剂蒸发量控制技术进行了梳理，并重点介绍了仲氢转化制冷和低温推进剂过冷技术这两类低温推进剂蒸发量控制技术的国内外研究进展。
[关键词]低温 液体推进剂 蒸发量控制
中图分类号：S828 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）09-0152-02
Cryogenic propellant on-orbit boil-off reduction approaches
Chen Jing， An Gang
（Beijing Institute of Aerospace Testing Technology， China Aerospace Science and Technology Corporation， Beijing， 100074， China）
[Abstract]To meet the future space exploration requirements， long term orbital storage of cryogenic propellant is needed. This paper provides an overview on cryogenic propellant boil-off reduction approaches and introduces the research development of Para-Ortho conversion cooling technology and cryogenic propellant sub cooling technology.
1、概述
以液氫、液氧为代表的低温推进剂由于其比冲高、无毒无污染、价格相对低廉，在国内外航天发展中得到了广泛的应用。但液氢、液氧的沸点很低（液氢、液氧的沸点分别为-252.7°C和-182.8°C），受热易蒸发，难于长时间贮存，并且液氢、液氧等低温推进剂长期在轨将受到太阳辐射、地球红外辐射、行星反照以及黑背景等空间热环境的影响，如果不能有效地进行推进剂蒸发量的控制，将会造成推进剂的极大浪费，从而增大液体火箭的发射成本和载荷，而低温火箭末级的低温推进剂携带量是有限的，因此必须开展低温推进剂在轨蒸发量控制技术研究，以解决低温推进剂的长期在轨贮存的技术难题。
2、低温液体推进剂在轨蒸发量控制技术
2.1 低温液体推进剂在轨蒸发量控制技术分类
通常，低温液体推进剂在轨蒸发量的控制方式可分为被动热防护和主动热控制两种方式。常规的被动热防护技术主要包括热控涂层技术、多层绝热（MLI）技术、遮挡防护技术、连接隔热技术、蒸汽冷却屏技术（VCS）以及姿态控制技术等。除上述常规的低温推进剂蒸发量控制技术外，近年来国内外相关研究人员还对其它更多类型的控制技术展开了大量研究，本文主要介绍低温液体推进剂过冷技术和仲氢转化制冷技术在液氢蒸发量控制方面的研究情况。
2.2 低温推进剂过冷技术
低温推进剂过冷技术主要通过特定的方法将低温推进剂过冷至三相点以下温度，利用其热容大幅度提高的物理特性来大量吸收储箱漏热，并且在达到正常沸点温度之前都无需排放气体，因此可显著减小低温推进剂的蒸发损失，从而延长航天器的在轨工作周期。图1为GSFC、KSC等机构为发射台的过冷系统提出的TCS系统工作示意图。以液氢介质为例，储罐中液氢温度最初为20.4K，被抽取出来后一部分流经节流阀，温度降低至15K，并形成两相流。与之前其它结构的过冷装置相比，TCS的功耗和占用的空间更小，是一种有效的低温1 前言
随着我国矿山生产建设规模的加大，机械水平的不断提升，要想延长机械设备的使用寿命，就要加强机械设备操作规范性，做好设备故障诊断及维修工作。通过采用合理的矿山设备故障诊断方法，排除机械设备故障，并采取有效的故障修复策略，减少机械设备故障隐患，确保设备的长期安全运行，提升矿山企业经营效益。
2 矿山机械设备故障特点
2.1 潜在性
矿山机械设备主要使用在采集、选择矿石等矿山作业当中，平时的工作量巨大。在使用矿山机械设备当中，非常容易出现损伤。不管是机械设备的任何一部分受到损坏，都将在设备内部参数方面有着显著的表现，如果这个参数出现了改变将超出设备的承受最大值，将直接导致矿山机械设备内部出现潜在故障。
2.2 渐发性特征
机械设备故障能够成为一个不断发展的流程，矿山机械设备不论是价值还是质量要求都非常严格，从而需要机械设备具备非常稳定良好的性能以及相对长的使用周期，一旦机械设备自身具备一定的耐磨和使用稳定性，一般不容易出现故障，可是随着时间的不断流逝，机械磨损日复一日，肯定会构成一系列的故障，那么就直接表现出其渐发性特征。
2.3 耗损性
机械设备使用过程中损耗性不可避免。就是指在使用流程中，会跟随着时间的推移，质量和能量出现比较大的变化，需要全面的维护，也不能恢复到刚刚使用的性能。那么发生机械设备故障的几率会伴随着维修次数的增加而增加，耗损性也会伴随着机械设备使用时间的增多而增长，就是使用机械设备的必然规律，不可逆。
3 露天矿山机电设备故障诊断
3.1 矿山机电设备故障原因
第一，因为零件损伤所导致的配合关系出现变化。针对故障部位进行检测观察，发现很多机电设备故障是因为其零部件受到损伤，其零部件之间原有的配合关系出现了变化。零部件损伤出现的原因主要是因为零部件的尺寸以及形态出现了变化，进而导致设备出现事故，最终影响整个生产的线的有效运行。第二，设备运行负荷较大，在矿山作业过程中，为了提高生产效率，设备往往超负荷运行，导致设备所承担的负荷以及寿命超过设备极限，最终导致设备故障问题的出现。当前有很多矿山机电设备在超负荷状态下运行，实际的操作过程中没有做好相应的吧规划工作，在时间分配方面缺乏科学合理性。第三，矿山作业往往连续进行，机电设备存在有较大的工作强度，需要常吃件持续作业，在这种情况下，会导致机电设备本身受到极大的损伤。另外，因为零部件之间的磨损，导致其很难与元部件实现有效配合，最终影响设备自身的工作性能，长期间工作将导致设备的运行效率持续下降。 3.2 矿山机电设备故障诊断类型
矿山机电设备的故障诊断工作主要可以分为事后的维护检修诊断、定期维修以及计划性状态检修三种类型。事后维护检修顾名思义也就是在故障发生后的检修，这种检修方式属于被动形式的，通常情况下设备已经出现了明显的故障，影响到其功能的发挥，这种故障检修方式并不利于矿山的正常工作，可能会耽误日常的生产，目前许多企业已经认识到了事后维修检修的不足之处，正在积极的改进。定期维修指的是企业的设备维护检修工作人员根据矿山机电设备的实际应用情况以及自身的工作经验制定出设备的检修期限以及检修计划，无论设备是否出现故障都定期进行检修维护，这种检修方式下，检修人员能够比较及时的发现设备运行過程中存在的各种安全隐患，然后予以处理，尽可能延长设备的使用年限，但这种检修方式不宜过分频繁，否则多次拆装反而会在一定程度上损伤设备，另外这种检修方式没有针对设备运行时的各种偶发故障制定对应的预防处理措施。计划性状态检修是一种现代化的检修模式，实际的操作过程中需要利用各种现代化的监测设备及技术，在线监测设备的运行情况、维护检修状态等，将设备的相关参数及时传送到计算机之中，利用对应的软件进行分析处理之后，准确预测设备可能会出现的各种故障，及时予以处理，消除隐患，保证功能正常发挥，延长其使用寿命。
3.3 故障诊断技术原理
首先，建立数字模型，借助数字模型，实现对设备运行参数与故障参数之间的对比分析，实现对故障的实施诊断分析，这种诊断方法速度非常快；其次，信息采集技术，采集设备运行过程中的信息，将不同传感器安装在设备上，可以顺利接收信息传感器传递的信息，将其储存至计算机；再次，分析与识别技术，分析识别信息传感器所采集的数据，以此掌握更多的信息内容，同时还可以实现对设备参数的有效对比，判断设备运行情况；最后，信息处理技术，借助信息处理技术，能够及时对所采集的信息进行分类，转换部分有价值信息，实现对信息的有采集，以此更好的掌握设备运行状态。
4 露天矿机械维修中存在的常见问题
4.1 超期运行故障
针对长期运行于工业生产的机械设备，相关维修人员一定对其设定明确的检查期限，并对其进行及时的检查和维修，以确保机械设备能够持续有效的稳定运行。然而在当今社会的生产活动中，有很多的企业并没有做到这一点，他们担心机械维修会浪费大量的资金，影响企业对成本的控制，进而降低企业生产的利润，所以都不愿对机械设备进行正产的维修。因此，便存在很多企业的生产机械设备都已经超出维修期限，但仍在使用中，为生产活动以及员工生命安全造成一定安全隐患。
4.2 机械保养问题
由于机械设备一般都是具有复杂的内部结构，在经历过长时间的运行和使用后，内部零件难免会有受损和老化的问题，并造成了一定的隐患，因此，相关维修人员要对机械进行定期的保养。在一般情况下，购置机械设备时都会有设备保养年限，因此，相关维修人员可以以这个保养期限为依据，在机械设备进行适度的使用后，在特定的时间内对机械采取保养措施。但是，就目前的情况来看，企业所做的工作更多的是对机械设备所产生多少利润问题的关心，却不注意机械设备的保养问题，从而使得机械在频繁的使用中，由于得不到很好的维护和修养，而导致内部零件产生巨大的损坏，最后企业不得不更换一台新机械设备，然而这种做法对企业的成本控制来说是不利的。另一方面，那些得不到维修而继续“带病”工作的机械设备，对工厂的安全来说，将是一个巨大的潜在威胁。
4.3 设备检测技术不先进
随着社会的发展以及生产活动的需要，出现了许多设备维修技术和检测设备，对企业机械设备的维修有着很大帮助，使当前企业生产中机械设备检测不到位现象得到很大改善，同时也提高机械设备维修的完整性。一般来说，想要对机械设备进行维修，就必须要准确了解机械设备故障出现在哪里，因此，我们可以运用现代化技术来对机械进行故障检测，机省时又省力，又提高检测精确度和效率，对企业的发展有积极的促进作用。但就目前来看，虽然现在很多企业已经入手智能化机械检测设备，可真正将自动化检测措施完全运用成功的企业却不多，大多数企业的检测技术尚不成熟，仍需要改善和发展。因此，当一些较为繁杂的故障出现时，还是无法用自动化技术进行维修和处理，而是用人工操作进行维修，不利于企业的快速发展，所以企业一定致力于新型故障检测设备的发展和运用，以提高企业的生产效率。
5 矿山机械设备故障修复策略
5.1 提前做好预检工作
通常，矿山机械设备预检工作由主修技术人员完成，并应与维修机械设备使用单元的人员以及机械操作工作者互相协作。矿山机械设备预检既能够验证设备劣化位置与程度，又可及时发现设备可能存在的故障问题，更加深入的了解设备运行情况，制定更加有效的维修计划。
5.2 故障维修
故障维修的目标是排除故障，使矿山机械设备处于良好的运行状态。矿山机械设备故障维修包括小修与大中修。小修是针对于设备运行中的局部故障来讲的，以局部换件、调整为主，使设备恢复其原有的机械功能，修复后设备的机械性能与故障前相同，称之为最小维修。大中修是指对矿山机械设备的彻底维修，维修面积较大，维修工序也更加复杂，应根据预防维修方式进行分析研究。
5.3 强化矿山机械设备故障维修处理方法
针对于矿山机械设备的常见故障，一般采取的是专业维修、综合作业的维修方法，包括互换和单机维修两种具体处理措施。单机维修耗费的时间相对较长，而且效果也不是十分理想，目前应用较少。互换修理需要将所有机械零部件拆除，这样既便于修复替换零部件，又便于修复后的零部件检验，大大节约了矿山机械设备故障维修的人力物力，减少了设备维修时间，更能保证设备运行期间的质量。
6 结束语
总之，正确的运用机械设备对企业的生产和发展有着重要作用，但是机械设备的故障维修却是当今企业生产中的重要问题，因此，相关人员要对机械维修中常见的问题进行及时分析，并采取有效措施进行解决，以保证企业在激烈的竞争中能够更好的发展。
参考文献
[1] 王微.关于矿山机械电子设备液压系统故障的思考[J/OL].世界有色金属，2017，（15）：65+67（2017-10-13）.
[2] 夏雪刚.大型机械设备故障的优化挖掘检测模型仿真[J].制造业自动化，2016，38（01）：153-156.
[3] 李小彭.机械设备故障智能诊断系统研究[D].沈阳工业大学，2003.
[关键词]低温 液体推进剂 蒸发量控制
中图分类号：S828 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）09-0152-02
Cryogenic propellant on-orbit boil-off reduction approaches
Chen Jing， An Gang
（Beijing Institute of Aerospace Testing Technology， China Aerospace Science and Technology Corporation， Beijing， 100074， China）
[Abstract]To meet the future space exploration requirements， long term orbital storage of cryogenic propellant is needed. This paper provides an overview on cryogenic propellant boil-off reduction approaches and introduces the research development of Para-Ortho conversion cooling technology and cryogenic propellant sub cooling technology.
1、概述
以液氫、液氧为代表的低温推进剂由于其比冲高、无毒无污染、价格相对低廉，在国内外航天发展中得到了广泛的应用。但液氢、液氧的沸点很低（液氢、液氧的沸点分别为-252.7°C和-182.8°C），受热易蒸发，难于长时间贮存，并且液氢、液氧等低温推进剂长期在轨将受到太阳辐射、地球红外辐射、行星反照以及黑背景等空间热环境的影响，如果不能有效地进行推进剂蒸发量的控制，将会造成推进剂的极大浪费，从而增大液体火箭的发射成本和载荷，而低温火箭末级的低温推进剂携带量是有限的，因此必须开展低温推进剂在轨蒸发量控制技术研究，以解决低温推进剂的长期在轨贮存的技术难题。
2、低温液体推进剂在轨蒸发量控制技术
2.1 低温液体推进剂在轨蒸发量控制技术分类
通常，低温液体推进剂在轨蒸发量的控制方式可分为被动热防护和主动热控制两种方式。常规的被动热防护技术主要包括热控涂层技术、多层绝热（MLI）技术、遮挡防护技术、连接隔热技术、蒸汽冷却屏技术（VCS）以及姿态控制技术等。除上述常规的低温推进剂蒸发量控制技术外，近年来国内外相关研究人员还对其它更多类型的控制技术展开了大量研究，本文主要介绍低温液体推进剂过冷技术和仲氢转化制冷技术在液氢蒸发量控制方面的研究情况。
2.2 低温推进剂过冷技术
低温推进剂过冷技术主要通过特定的方法将低温推进剂过冷至三相点以下温度，利用其热容大幅度提高的物理特性来大量吸收储箱漏热，并且在达到正常沸点温度之前都无需排放气体，因此可显著减小低温推进剂的蒸发损失，从而延长航天器的在轨工作周期。图1为GSFC、KSC等机构为发射台的过冷系统提出的TCS系统工作示意图。以液氢介质为例，储罐中液氢温度最初为20.4K，被抽取出来后一部分流经节流阀，温度降低至15K，并形成两相流。与之前其它结构的过冷装置相比，TCS的功耗和占用的空间更小，是一种有效的低温1 前言
随着我国矿山生产建设规模的加大，机械水平的不断提升，要想延长机械设备的使用寿命，就要加强机械设备操作规范性，做好设备故障诊断及维修工作。通过采用合理的矿山设备故障诊断方法，排除机械设备故障，并采取有效的故障修复策略，减少机械设备故障隐患，确保设备的长期安全运行，提升矿山企业经营效益。
2 矿山机械设备故障特点
2.1 潜在性
矿山机械设备主要使用在采集、选择矿石等矿山作业当中，平时的工作量巨大。在使用矿山机械设备当中，非常容易出现损伤。不管是机械设备的任何一部分受到损坏，都将在设备内部参数方面有着显著的表现，如果这个参数出现了改变将超出设备的承受最大值，将直接导致矿山机械设备内部出现潜在故障。
2.2 渐发性特征
机械设备故障能够成为一个不断发展的流程，矿山机械设备不论是价值还是质量要求都非常严格，从而需要机械设备具备非常稳定良好的性能以及相对长的使用周期，一旦机械设备自身具备一定的耐磨和使用稳定性，一般不容易出现故障，可是随着时间的不断流逝，机械磨损日复一日，肯定会构成一系列的故障，那么就直接表现出其渐发性特征。
2.3 耗损性
机械设备使用过程中损耗性不可避免。就是指在使用流程中，会跟随着时间的推移，质量和能量出现比较大的变化，需要全面的维护，也不能恢复到刚刚使用的性能。那么发生机械设备故障的几率会伴随着维修次数的增加而增加，耗损性也会伴随着机械设备使用时间的增多而增长，就是使用机械设备的必然规律，不可逆。
3 露天矿山机电设备故障诊断
3.1 矿山机电设备故障原因
第一，因为零件损伤所导致的配合关系出现变化。针对故障部位进行检测观察，发现很多机电设备故障是因为其零部件受到损伤，其零部件之间原有的配合关系出现了变化。零部件损伤出现的原因主要是因为零部件的尺寸以及形态出现了变化，进而导致设备出现事故，最终影响整个生产的线的有效运行。第二，设备运行负荷较大，在矿山作业过程中，为了提高生产效率，设备往往超负荷运行，导致设备所承担的负荷以及寿命超过设备极限，最终导致设备故障问题的出现。当前有很多矿山机电设备在超负荷状态下运行，实际的操作过程中没有做好相应的吧规划工作，在时间分配方面缺乏科学合理性。第三，矿山作业往往连续进行，机电设备存在有较大的工作强度，需要常吃件持续作业，在这种情况下，会导致机电设备本身受到极大的损伤。另外，因为零部件之间的磨损，导致其很难与元部件实现有效配合，最终影响设备自身的工作性能，长期间工作将导致设备的运行效率持续下降。 3.2 矿山机电设备故障诊断类型
矿山机电设备的故障诊断工作主要可以分为事后的维护检修诊断、定期维修以及计划性状态检修三种类型。事后维护检修顾名思义也就是在故障发生后的检修，这种检修方式属于被动形式的，通常情况下设备已经出现了明显的故障，影响到其功能的发挥，这种故障检修方式并不利于矿山的正常工作，可能会耽误日常的生产，目前许多企业已经认识到了事后维修检修的不足之处，正在积极的改进。定期维修指的是企业的设备维护检修工作人员根据矿山机电设备的实际应用情况以及自身的工作经验制定出设备的检修期限以及检修计划，无论设备是否出现故障都定期进行检修维护，这种检修方式下，检修人员能够比较及时的发现设备运行過程中存在的各种安全隐患，然后予以处理，尽可能延长设备的使用年限，但这种检修方式不宜过分频繁，否则多次拆装反而会在一定程度上损伤设备，另外这种检修方式没有针对设备运行时的各种偶发故障制定对应的预防处理措施。计划性状态检修是一种现代化的检修模式，实际的操作过程中需要利用各种现代化的监测设备及技术，在线监测设备的运行情况、维护检修状态等，将设备的相关参数及时传送到计算机之中，利用对应的软件进行分析处理之后，准确预测设备可能会出现的各种故障，及时予以处理，消除隐患，保证功能正常发挥，延长其使用寿命。
3.3 故障诊断技术原理
首先，建立数字模型，借助数字模型，实现对设备运行参数与故障参数之间的对比分析，实现对故障的实施诊断分析，这种诊断方法速度非常快；其次，信息采集技术，采集设备运行过程中的信息，将不同传感器安装在设备上，可以顺利接收信息传感器传递的信息，将其储存至计算机；再次，分析与识别技术，分析识别信息传感器所采集的数据，以此掌握更多的信息内容，同时还可以实现对设备参数的有效对比，判断设备运行情况；最后，信息处理技术，借助信息处理技术，能够及时对所采集的信息进行分类，转换部分有价值信息，实现对信息的有采集，以此更好的掌握设备运行状态。
4 露天矿机械维修中存在的常见问题
4.1 超期运行故障
针对长期运行于工业生产的机械设备，相关维修人员一定对其设定明确的检查期限，并对其进行及时的检查和维修，以确保机械设备能够持续有效的稳定运行。然而在当今社会的生产活动中，有很多的企业并没有做到这一点，他们担心机械维修会浪费大量的资金，影响企业对成本的控制，进而降低企业生产的利润，所以都不愿对机械设备进行正产的维修。因此，便存在很多企业的生产机械设备都已经超出维修期限，但仍在使用中，为生产活动以及员工生命安全造成一定安全隐患。
4.2 机械保养问题
由于机械设备一般都是具有复杂的内部结构，在经历过长时间的运行和使用后，内部零件难免会有受损和老化的问题，并造成了一定的隐患，因此，相关维修人员要对机械进行定期的保养。在一般情况下，购置机械设备时都会有设备保养年限，因此，相关维修人员可以以这个保养期限为依据，在机械设备进行适度的使用后，在特定的时间内对机械采取保养措施。但是，就目前的情况来看，企业所做的工作更多的是对机械设备所产生多少利润问题的关心，却不注意机械设备的保养问题，从而使得机械在频繁的使用中，由于得不到很好的维护和修养，而导致内部零件产生巨大的损坏，最后企业不得不更换一台新机械设备，然而这种做法对企业的成本控制来说是不利的。另一方面，那些得不到维修而继续“带病”工作的机械设备，对工厂的安全来说，将是一个巨大的潜在威胁。
4.3 设备检测技术不先进
随着社会的发展以及生产活动的需要，出现了许多设备维修技术和检测设备，对企业机械设备的维修有着很大帮助，使当前企业生产中机械设备检测不到位现象得到很大改善，同时也提高机械设备维修的完整性。一般来说，想要对机械设备进行维修，就必须要准确了解机械设备故障出现在哪里，因此，我们可以运用现代化技术来对机械进行故障检测，机省时又省力，又提高检测精确度和效率，对企业的发展有积极的促进作用。但就目前来看，虽然现在很多企业已经入手智能化机械检测设备，可真正将自动化检测措施完全运用成功的企业却不多，大多数企业的检测技术尚不成熟，仍需要改善和发展。因此，当一些较为繁杂的故障出现时，还是无法用自动化技术进行维修和处理，而是用人工操作进行维修，不利于企业的快速发展，所以企业一定致力于新型故障检测设备的发展和运用，以提高企业的生产效率。
5 矿山机械设备故障修复策略
5.1 提前做好预检工作
通常，矿山机械设备预检工作由主修技术人员完成，并应与维修机械设备使用单元的人员以及机械操作工作者互相协作。矿山机械设备预检既能够验证设备劣化位置与程度，又可及时发现设备可能存在的故障问题，更加深入的了解设备运行情况，制定更加有效的维修计划。
5.2 故障维修
故障维修的目标是排除故障，使矿山机械设备处于良好的运行状态。矿山机械设备故障维修包括小修与大中修。小修是针对于设备运行中的局部故障来讲的，以局部换件、调整为主，使设备恢复其原有的机械功能，修复后设备的机械性能与故障前相同，称之为最小维修。大中修是指对矿山机械设备的彻底维修，维修面积较大，维修工序也更加复杂，应根据预防维修方式进行分析研究。
5.3 强化矿山机械设备故障维修处理方法
针对于矿山机械设备的常见故障，一般采取的是专业维修、综合作业的维修方法，包括互换和单机维修两种具体处理措施。单机维修耗费的时间相对较长，而且效果也不是十分理想，目前应用较少。互换修理需要将所有机械零部件拆除，这样既便于修复替换零部件，又便于修复后的零部件检验，大大节约了矿山机械设备故障维修的人力物力，减少了设备维修时间，更能保证设备运行期间的质量。
6 结束语
总之，正确的运用机械设备对企业的生产和发展有着重要作用，但是机械设备的故障维修却是当今企业生产中的重要问题，因此，相关人员要对机械维修中常见的问题进行及时分析，并采取有效措施进行解决，以保证企业在激烈的竞争中能够更好的发展。
参考文献
[1] 王微.关于矿山机械电子设备液压系统故障的思考[J/OL].世界有色金属，2017，（15）：65+67（2017-10-13）.
[2] 夏雪刚.大型机械设备故障的优化挖掘检测模型仿真[J].制造业自动化，2016，38（01）：153-156.
[3] 李小彭.机械设备故障智能诊断系统研究[D].沈阳工业大学，2003.