低温推进剂深度过冷加注技术研究及对运载火箭性能影响分析

介绍了运载火箭深度过冷加注技术国内外研究现状,分析了深度过冷加注对火箭性能影响。经分析显示,深度过冷加注在降低增压系统规模、减小贮箱容积需求、降低贮箱壁厚、提高发动机预冷适应性、提高推进剂整体品质及发射适应性、缩短加注发射流程等方面均有明显作用。提出了实现深度过冷加注的关键技术及主要技术方案设计。     

氢氧推进剂在轨加注若干关键问题研究进展

为了实现深空探测和大型空间站的建设,有必要对氢氧推进剂的在轨加注技术进行研究。通过文献调研和对比,重点分析氢氧推进剂在轨加注遇到的若干热力学和流体力学问题。首先介绍了可以用于氢氧贮箱蒸发量控制的被动热防护技术,目的是实现推进剂的长期在轨贮存。其次,对9种常用的常规推进剂在轨测量技术进行比较,得出适用于氢氧贮箱内剩余推进剂的测量方法。最后,针对在轨低温推进剂的气液分离问题,分析了正推法和表面张力贮箱在氢氧贮箱气液分离中的适用性。通过对氢氧推进剂在轨加注关键问题的调研和论证,为我国氢氧推进剂在空间环境下的长期在轨使用和再加注提供技术参考。     

推进剂加注后末修贮箱压力变化机理

利用推进剂加注前、后及发动机待机过程中末修贮箱的温度、压力参数,结合国外资料给出的15℃时N2O4推进剂中氮气溶解度曲线,确定了加注过程中的氮气溶解量,给出了氮气分压初值,用迭代方法计算出推进剂贮箱在任一温度下的压力,为判断贮箱泄漏提供了有效手段.     

一种新型的橡塑复合半膜贮箱

橡塑复合半膜贮箱是为延长姿控发动机加注贮存期而研制的单组元推进剂贮箱。壳体采用钛合金材料,半膜采用双层复合形式,内层的氟塑料半膜与推进剂接触,外层的橡胶半膜对氟塑料半膜起保护作用。该贮箱利用钛合金及氟塑料对DT-3推进剂催化分解速率小的特性来实现长期加注贮存,加注贮存期可达5～10年。研制中,主要解决了橡塑复合半膜的粘合、复合半膜与推进剂的长期相容、赤道圆焊缝焊接时对复合半膜的热影响等关键技术问题,在液、气腔防堵防漏方面采取了独到的措施。三台试制贮箱已通过了各种力学环境试验及性能试验的考核。该贮箱可大大提高导弹的机动性、降低使用维护要求和全寿命周期成本。     

贮箱容积偏差及测量精度分析

贮箱一般采用称重法进行容积测量,但测量值与理论设计值偏差较大。分析了贮箱在生产制造、液压试验、介质加注、称重、容积计算和变形等环节出现偏差的原因。通过贮箱计算实例分析了各环节偏差大小,提出了减小偏差的对策,并对贮箱容积测量提出了改进方案。     

变频泵在地面煤油加注系统中的应用

煤油加注系统是大推力运载火箭动力系统试验台的重要组成部分,其主要功能是连续、可靠、准确地向箭上贮箱加注煤油。按照系统要求对大流量煤油加注工艺进行了分析,提出了根据管路特性曲线进行离心泵选型的依据。通过对节流控制、旁路调节及变频调速调节等几种流量控制方法进行比较,指出采用变频调速方法进行煤油加注的优点及可行性。在地面试验系统中使用变频泵已完成数次动力系统煤油加注试验,各次加注状态正常,加注流量稳定,满足各项技术要求。采用变频泵进行煤油加注具有流量跨度大,控制精度高,流量切换灵活及调节响应快的优点,是确保煤油加注系统安全、稳定、长期运行的有效途径。     

动力系统大气垫容积启动充填仿真及试验研究

应用AMESim系统建模和仿真软件并考虑减压阀出口不同节流孔板孔径节流能力,建立了贮箱加注仅为满载加注量40％条件下的系统启动充填过程仿真模型。计算了电爆阀打开后贮箱出口压力变化曲线,获得系统初始充填时间。依据仿真结果结合系统实际情况完成系统冷试验证试验,试验结果与仿真计算数据基本一致。     

低温推进剂加注液位信号智能处理技术研究

低温加注系统是运载火箭发射场地面支持设备的重要组成部分,包括低温介质的储存、运输、供给、控制以及安全等内容。由于低温推进剂本身存在低温沸腾、易挥发的特性,其加注过程十分复杂,为满足新一代运载火箭推进剂精准的加注要求,需要实时准确监测加注过程中贮箱内的液位高度。本文针对火箭地面加注过程的液位信号数据,对其三角波电压和线性波电压的特征进行分析、提取,基于BP（Back Propagation,反向传播）神经网络算法完成对不同加注状态的识别检测,并应用于传感器节数判别,优化了液位计算算法,降低了节数人为干预需求,提高了液位测量准确性。经实验测试验证,该方法可有效识别低温加注状态,识别准确率达到90%以上,用于液位信号处理中可显著提升液位高度计算的准确性。     

常规燃料部分泄回与二次加注可行性分析

分析了当火箭贮箱中常规燃料的温度超过规定使用范围时，部分泄出燃料，经调温后重新加注的可行性，同时作了误差估算。然后以发射任务加注量为例，给出了有关数据，旨在减小泄回、调温、补加的工作量，节省操作时间；同时也对部分泄回及全部泄回的优劣进行了比较。     

空间站的在轨技术(二)——在轨补给

空间的在轨补给技术是航天器主要的在轨服务模式之一。它是延长航天器的有效工作寿命、提高航天器经济效益的主要技术手段。本文在大量掌握材料的基础上,分析了在轨补给技术的现状;概括了空间在轨加注的技术要求;对比了三种典型的在轨加注方案:直接加注,更换贮箱,整体更换推进舵;最后以双组元推进剂加注系统为例,简介系统的结构和工作原理。     

膜盒贮箱推进剂补加过程的建模与仿真

推进剂在轨补加是确保空间站长期工作的重要条件。为了使补加工作顺利实施,需要对推进剂补加过程进行专门的研究。航天器常用推进剂如一甲基肼、四氧化二氮等有剧毒,地面模拟补加试验常采用无毒的模拟工质。但由于两种物质的物性参数存在差异,导致模拟的补加过程和效果与实际情况有差异。文章参考国外空间站补加系统构成形式和补加过程,建立膜盒贮箱推进剂补加过程的数学模型,通过将仿真结果与地面试验数据对比验证了数学模型的准确性。进一步对两种推进剂的补加过程进行仿真分析,并与纯净水补加数据对比。结果表明:液体工质的体积流率与密度存在反比关系,即一甲基肼的补加速率高于纯净水,四氧化二氮的补加速率则低于纯净水。     

低温推进剂在轨加注技术与方案研究综述

为了探究适用于低温推进剂在轨加注的相关技术与方案,通过文献调研与对比分析,介绍国内外在轨加注技术的研究现状,梳理低温推进剂在轨加注的关键技术,研究现有加注技术与方案对低温推进剂的适用性,并提出我国开展相关研究的思路与方向。研究表明：1）气液分离、蒸发量控制、质量测量和流体驱动循环等技术是直接影响推进剂在轨加注系统结构与加注性能的关键技术;2）低温推进剂具有沸点低、表面张力小等特殊性,对气液分离、系统热防护等技术的性能要求更高;3）表面张力式气液分离、纤维镜或射频质量检测、多层隔热材料、热力学排气系统（TVS）以及无排气加注等先进技术方案对低温流体和微重力环境均具有更好的适用性,将成为实现低温推进剂在轨加注的关键突破口。     

国外航天器推进剂在轨吹除技术跟踪研究

受大气阻力的影响,空间站长期在轨的轨道维持需要消耗大量的推进剂,因此有必要进行推进剂补给。而补给结束后的管路内残留推进剂在轨吹除,是保障空间站任务安全的必要条件。文章对国外航天器液体真空排放的研究现状进行了跟踪,重点就液体温度、压力、饱和蒸气压、液体中气体含量以及喷口尺寸外形等因素对液体排放特性的影响进行了分析和评价。在国外跟踪调研的基础上,对我国开展空间站推进剂在轨吹除的研究提出了启示。     

用多维模态理论分析航天器贮箱液体有限幅晃动力

首次将多维模态理论应用到求解航天工程中常见的圆柱贮箱液体非线性晃动问题中。针对贮箱作水平横向运动，根据Narirrmnov-Moiseev的三阶渐近假设关系，通过选取主导模态以及确定它们的阶次关系，将一般形式的无穷维模态系统降为5维渐近模态系统。在模态系统基础之上，推导出了液体作用于贮箱壁的力的简洁表达式。数值仿真结果表明，相对于线性晃动理论结果，有限幅晃动液体将对贮箱壁产生更大的横向作用力，同时对贮箱底部还作用有明显的纵向力。可将此公式应用于工程实际问题中部分充液贮箱液体有限幅晃动力的估算。     

新一代运载火箭增压技术研究

随着新一代运载火箭研制的开展,新型120t级高压补燃液氧煤油发动机将得到广泛的使用,该发动机采用的推进剂贮箱增压系统设计被列为新一代运载火箭研制的重大关键技术之一。在对国内外主要液体运载火箭增压方案进行分析的基础上对120t级液氧煤油发动机的贮箱增压系统进行了研究,提出了液氧贮箱采用压力传感器与电磁阀组合的常温氦气加温增压,煤油贮箱采用压力传感器与电磁阀组合的常温氦气增压方案,并针对液氧贮箱采用常温氦气加温增压的方案开展了理论分析和全尺寸系统级试验研究。理论分析和试验结果表明,该增压方案可行。     

俄罗斯空间站推进剂补加程序分析

补加程序是推进剂补加系统的关键技术之一,而目前也仅有俄罗斯有成功应用的经验.根据目前获取的资料,经过计算、仿真和论证,对俄罗斯空间站的补加系统进行了研究,分析了ATV对空间站进行推进剂补加的程序,初步得到了俄罗斯空间站推进剂补加的特点,可作为目前我国空间站方案论证期间补加程序的参考.     

测量不确定的充液航天器自适应鲁棒容错控制

针对三轴稳定充液航天器控制系统中同时存在外部未知干扰,参数不确定,测量不确定和执行器部分失效故障的鲁棒容错姿态机动控制问题进行研究。首先将部分充液贮箱内的晃动液体燃料等效为粘性球摆模型,采用动量矩守恒定律推导出航天器的刚-液耦合动力学方程。然后将变结构控制策略结合范数自适应估计算法设计了自适应鲁棒容错控制器,其中设计的范数自适应控制算法用于有效估计由测量不确定产生的集总扰动的未知上界;自适应估计算法则用于有效估计贮箱内的液体晃动位移变量。提出的控制策略不依赖精确的故障信息,并且在故障信息值不确定的情况下可以实现期望的姿态机动任务。基于Lyapunov稳定性分析方法证明了容错闭环系统状态变量的一致最终有界性。采用数值方法验证了所提控制方法的有效性和鲁棒性。     

基于ADAMS的空间断接器仿真研究

利用三维造型软件Pro/E和机械系统动力学仿真分析（Automatic Dynamic Analy-sis of Mechanical System,ADAMS）软件平台建立了空间断接器虚拟样机模型,通过模拟空间断接器的对接、浮动、退让等一系列过程及技术分析,给出了空间断接器的运动特性及对接参数,可为空间断接器优化设计提供了详实、可靠的数据。     

大型平铺贮箱卫星的液体晃动模型与晃动力矩分析

针对高轨气象卫星的远地点发动机点火过程中贮箱内液体晃动与星体耦合动力学问题,根据流体力学及小幅液体晃动理论,建立可等效的液体晃动力学模型和姿态耦合动力学模型,分析了大型平铺贮箱内液体晃动产生的干扰力矩。研究表明：在远地点发动机点火阶段,液体晃动对卫星将产生较大干扰力矩。