发射场液氢泄漏扩散计算及危险性分析

航天发射场液氢泄漏的计算分析是一个比较复杂的问题,它涉及到流体的传热、传质,泄漏过程中的质量守恒、能量守恒以及组分守恒等问题。通过简化的发射场储罐的液氢的泄漏扩散模型,着重分析了泄漏压力、泄漏口大小和位置对于泄漏过程的影响规律。通过模拟发现液氢的泄漏速度随着泄漏口压力增大而增大,但是当泄漏口流量系数不变时,泄漏速度与泄漏口的大小无关。完全气化距离和完全气化时间都与泄漏压力和泄漏口大小呈正相关。同时使用TNO多能法,结合相变计算公式,对案例进行变压力及变泄漏口直径下的危害评估。结果发现,当泄漏出的蒸气云的体积小于受限空间体积时,泄漏口压力越大,泄漏口越大,液氢的泄漏量也越大,从而蒸气云爆炸的危害越大。     

双喷管发动机

双喷管发动机象双喉部、双膨胀发动机一样,在先进的天地运输系统中得到验证。改进的航天飞机和全新火箭亦得益于这些先进的发动机。本文将对单燃料、双燃料以及双喷管发动机在设计方面所取得的进展作一总结。双喷管发动机的推进剂为:液氧/煤油/液氢、液氧/液丙烷/液氢、液氧/液甲烷/液氢、液氧/液氢/液氢、液氧/液甲烷/液甲烷、液氧/液丙烷/丙烷以及四氧化二氮/一甲基肼/液氢,发动机推力为889.6～2980.3kN。     

液氢贮箱的掺混和瞬态表面冷凝

为了研究轴向射流掺混对有热防护层的液氢贮箱压力降低的影响,国外进行了大量的试验性研究。试验用的贮箱是一个近似的圆柱体,体积0.144m~3,直径0.599m.长0.711m。在贮箱内距箱底0.178m 处安装了一个射流泵,射流出口直径为0.0221m,用于产生轴向的掺混并促进箱内液体的循环。液体加注量范围为贮箱体积的42～85％,射流量为0.409～2.43m~3/hr。掺混试验开始时贮箱的压力范围为187.5kPa 至238.5kPa,在这种压力下热分层导致了4.9～6.2K 的液体过冷度。试验确定的参数有掺混时间和在气液界面处瞬态冷凝速率。建立了基于热平衡和压力平衡两种掺混时间之间的关系。两种掺混时间都可以表示为系统结构和浮力参数的关系式,且同其他试验的试验值吻合得很好,修正了根据蒸气和水的试验数据而得到稳态冷凝速率的关系式,建立了冷凝速率与射流过冷度的关系。目前对有限的液氢试验数据分析研究表明,如果引入射流过冷度和气液界面湍流强度,修正后的稳定冷凝速率关系式可以用于预测掺混过程中的瞬态冷凝速率。     

NEPE推进剂凝胶分数测定方法研究

采用溶剂取法完成了NEPE推进剂凝胶分数测定。样品先经乙腈／二甲基亚砜混合溶剂（体积比为50：50），浸泡12h以上，然后在回流萃取器中以丙酮／甲醇混合溶剂（体积比为88：12）提取4－5h。从不被提取部分中按配方组成或实测结果扣除铝粉质量后，即可得到纯净凝胶质量，以此为基础，计算样品的凝胶分数，该方法标准偏差不大于0．45％。     

采用高金属粉丁羟推进剂消氢发动机低压点火燃烧特性研究

发展了一种采用新型高金属粉丁羟推进剂消氢发动机,该发动机可通过产生高温金属粒子流,消除以液氢为燃料的火箭发射前排出的低温氢气的危险。该发动机在小于0.2 MPa特低压下工作时,存在点火延迟、"喘振"不稳定燃烧和火焰无金属粒子流现象。分析了引起发动机点火延迟和"喘振"的原因;从理论上探讨了影响低压下发动机点火延迟的因素,得到换热系数影响最显著;通过引入高燃速引燃药和降低点火峰值压强,解决了发动机点火延迟和"喘振"的问题,发动机点火延迟时间由大于3 s降低到600 ms左右,发动机燃烧稳定;通过选用合适的金属粒子、推进剂配方燃温和长尾管结构,解决了金属粒子流发生问题,可稳定喷射出1141 K的高温金属粒子流,实现了消除火箭周围低温氢气的目的。     

液氢/液氧火箭发动机尾焰流场特性仿真研究

为研究液氢/液氧发动机燃烧尾焰射流流动特点,采用耦合了Realizable k-ε湍流模型、液氢/液氧单步化学反应的N-S方程,化学反应速率采用湍流脉动机制和Arrhenius机制控制,运用PISO算法对液氢/液氧火箭发动机在地面发射阶段的燃烧尾焰射流流场进行了一体化仿真计算,得到了液氢/液氧发动机燃烧尾焰射流近场激波系结构,并与理论分析结果进行对比,证明了算法的有效性和正确性。分析了燃烧尾焰压力场的动态形成过程,捕捉到尾焰半球形冲击波的发展过程,并认为冲击波为正激波且进行匀速传播。获得了尾焰流场各项参数的分布情况,为开展燃烧尾焰射流的辐射计算提供数据基础。     

日本H-1火箭研制现状

H-1是日本1985～1995年主要使用的运载火箭,目前正在进行研制。这种火箭具有发射500公斤以上同步定点卫星的能力。第二级采用液氧、液氢推进系统和惯性制导方式。就火箭布局来说,考虑了数种方案。1977年进行方案设计、搜集资料并对各候选火箭进行比较,同时对火箭各分系统明确地提出了基本要求。根据上述研究结果,宇宙开发委员会预计在1978年上半年,选定一种候选火箭方案。主要研究项目——液氧·液氢推进系统、惯性制导装置和固体火箭发动机等,航空宇宙技术研究所及东京大学宇宙航空研究所正在联合进行研制。对于液氧·液氢发动机,正在进     

低温推进剂集成管理技术的发展与启示

低温推进剂集成管理技术(IVF)是实现上面级等航天器长期在轨的新技术思路。通过将液氢液氧长期在轨产生的蒸汽与内燃机技术结合,实现贮箱增压、排气、姿控、沉底、发电功能一体化,减小航天器系统质量,增强任务灵活性。回顾了IVF模块设计的发展过程,探讨了IVF的技术优势,与燃料电池技术、蒸发量控制技术对比分析了IVF技术的使用范围及不足,提出了研究气氢气氧内燃机技术、IVF模块方案设计、系统仿真等关键技术的建议,并展望了其应用前景。     

热力学排气系统中节流效应及其冷量利用分析

为更好地理解热力学排气系统(TVS)的运行机理，优化其运行参数，针对节流装置，建立了热力学模型，讨论了节流过程中状态参数的变化规律，对比了单相气体、单相液体节流的性能特性，进一步揭示了焦汤节流效应的原理，分析了不同节流背压下节流前低温工质(液氢和液氧)压力和温度对节流性能的影响，并结合TVS实际应用，阐述了节流最大制冷量的利用效果，提出了优化的TVS工作区间。研究表明：在节流过程不发生相变情况下单相气体节流制冷效应要比单相液体节流制冷效应更加显著；而在节流过程发生相变情况下液体节流至两相后，由于空化吸热导致流体温度降低，对于液氢，0.5MPa的压降可产生接近3 K的温降。对于液体节流，节流前压力对节流过程影响可忽略，〖JP2〗而节流前温度和节流背压对节流过程起主导作用；对于液氢在在轨运行工况下，考虑到节流制冷量的充分利用，同时保证换热过程体积含气率不高于90%，推荐TVS系统中节流背压范围为75～143 kPa。     

肼类动态标准气体发生装置的设计

研制了用于制取肼类标准气体的动态配气装置。该装置通过精密控制的蠕动泵连续不断地注射一定量的肼类液体 ,同时以加热的高纯氮气作为载气 ,在动态中混合均匀后得到一定体积分数的肼类标准气体。结果显示 ,在载气温度、载气流量以及环境温度一定的条件下 ,通过控制进给流量可制备体积分数为 (0 .1～ 10 0 )× 10 -6的肼类标准气体     

液氢爆轰和爆炸威力分析

一、前言由于氢具有燃烧速度快、火焰温度高等一系列固有特性,所以氢的燃烧往往表现为爆燃,还可以由爆燃转变为爆轰。从危险程度来看,燃烧的破坏性较小,爆燃有一定的破坏性,而爆轰的破坏性最大。因此,我们仅就液氢发生爆轰(恒定超音速传播的猛烈爆炸)的条件和爆炸威力进行分析,供设计、试验、使用部门分析液氢爆轰和爆炸威力时参考。二、爆轰发生的条件发生爆轰必须同时具备两个条件:第一是存在爆轰的混合物,第二是存在爆轰的引发源。并非在可燃极限范围内的所有混合物都能发生爆轰,而是处在爆轰极限范围内的     

可重复使用火箭发动机涡轮泵的关键技术

近来,有关空间运输与研究可重复使用火箭各种需求的增加,世界各国正致力于降低费用与提高可靠性的工作。在美国,研制可重复使用火箭“冒险号”以替代航天飞机,其二分之一缩尺模型“X-33”计划1999年进行第一次飞行。在日本,计划研制可重复使用火箭(RLV)的主要依据是建立在 H-2A 火箭技术之上,在研制空天飞机型 RLV 前,先研制 HOPE-X。计划研制的可重复使用火箭发动机是采用液氢/液氧、推力980.665～1961.33kN,并具有调节能力的发动机。发动机(包括液氢/液氧涡轮泵)的其他要求是工作寿命长,可靠性高。本文就可重复使用涡轮泵提出了一些关键技术。     

美国人马座氢氧火箭增压系统

液氢、液氧推进剂是目前已经应用的化学推进剂中能量最高的推进剂。采用液氢、液氧推进剂的氢氧火箭的比冲要比采用常规推进剂的火箭(简称常规火箭)高40％以上。例如,大力神Ⅱ火箭采用常规推进剂混肼50和四氧化二氮,其第二级火箭的比冲在常规火箭中是较高的,为310秒;而人马座氢氧火箭的比冲可达到447秒,航天飞机所用氢氧火     

NASA等准备研制国家运载系统

美国航宇局、美国空军和美国国家航天委员会准备研制一种新的系列运载火箭。这种称作国家运载系统(NLS)的系列运载火箭将能把10～50吨的有效载荷发射到低地轨道。目前,美国空军正在运用先进的材料和加工技术研制共空间运输主发动机(STME)。这种可供NLS选用的发动机将使用液氧/液氢作推进剂,从而可减小对环境的危害。但NLS系列中     

氢爆炸事故十四例

液氢作为火箭推进剂的燃料,在国际上早被广泛使用。美国航天飞机为主发动机提供动力的推进剂就是54m~3液氢和145m~3液氧。我国从60年代开始研制和使用液氢液氧发动机,长征三号运载火箭的第三级就使用了这种高能低温液氢液氧火箭发动机。氢的易燃易爆特性是其安全使用最主要的危险。国内外在其生产、贮存、使用、发射等过程中,都曾     

估算液氧-液氢爆炸当量的比例定律

液氧-液氢推进剂在混合爆炸时的 TNT 当量,通常在静态试车台上取流动推进剂重量的0.6倍。本文提出一种新的估算液氧-液氢推进剂爆炸当量的方法,即该推进剂的 TNT 当量平均值与推进剂重量的2/3次方成正比,而其最大的 TNT 当量近似于推进剂重量的2/3次方的4倍。     

密闭容器漏热液氢饱和过程分析

结合在氢氧火箭发动机及箭体组件试验过程中遇到实际情况,提出了液氢介质在密闭容器内饱和过程状态变化的问题,该问题的分析结果可以用于试验过程的安全评估。首先利用质量和能量守恒方程,对密闭容器内氢介质的饱和状态过程建立了数学模型;根据模型的数学解析结果对饱和过程进行了定性分析,提出了临界充满率的概念,发现了饱和状态过程可以分成完全汽化、完全液化、中间饱和平衡等不同的过程。然后结合一个典型的液氢试验的工程实例,利用数学模型对饱和过程的状态参数进行了计算,计算结果与定性分析非常吻合。最后总结了密闭容器内液氢的饱和状态过程的规律,指出液氢充满率低时液氢可以完全汽化、充满率高时液氢可以膨胀至完全充满;同时指出,对于试验导管90%的充满率下,液氢将膨胀并充满试验腔,容易出现超压破坏风险。     

液氢系统的清洗、吹除和预冷

使用高能液氢做为运载火箭推进剂的优越性是无可置疑的。但由于许多人对液氢不熟悉,或套用常规可贮存推进剂的习惯“经验”以及不严格遵守液氢的操作规程,因而事故频频发生。它们轻者造成设备部分损坏,重者造成人身伤亡,或使整个运载火箭炸毁。在液氢的生产、试验、贮存,运输和运载火箭的发射过程中都出现过许多类似问题。据     

液氢、液氧输送管道的二氧化碳冷凝真空绝热

在输送液氢时,为了防止产生两相流,对管道的绝热提出了较高的要求,通常都采用绝热效果最好的真空多层绝热。真空多层绝热要求在低温工作情况下的夹层真空度高于1×10~(-4)毫米汞柱。二氧化碳冷凝真空绝热是靠二氧化碳低温冷凝获得夹层真空度的     

光纤漏氢检测系统

目前,国外大型液体火箭发动机多采用液氢和液氧作为推进剂,这主要是因为液氢液氧的比冲高,也有利于环境保护。但是液氢是极危险的易燃、易爆物,因此,对液氢泄漏的准确检测一直是航天界所关注的研究课题。美国智能光学系统有限公司(IOS)与波音公司一起共同开发了世界上第一个光纤氢泄漏检测系统。该系统利用多点光纤传感器系统,解决了运载火箭内部及外部氢泄漏的实时检测问题。系统由低成本光源、作为传输介质的标准通信级光纤及易于制造的带有温度敏感指示器的光子管(optrode)组成。通过用光电子传感器代替电化学技术,系统具有下述优点:第…