低温推进剂测量技术研究及系统实现

当前航天运载器普遍使用低温液氢、液氧及煤油作为推进剂,国内外普遍采用电阻式、电容式、差压式液位测量方案,国外已推出应用于低温液位测量的超声式、雷达式液位传感器。介绍几种低温液位测量方法的原理及应用特点,针对运载火箭高精度、连续、动态液位测量特点及需求,设计一套低温液位测量系统。测量系统包括新型分节电容连续液位传感器、变换器以及液位处理软件,首先将液位信号变换为三角波-线性波双特性电压信号,实现大量程低温液位的分段连续测量,然后利用双特性算法计算液位高度。液位测量系统测量范围为0~20m,测量精度达到±2mm,传感器环境适用温度范围为20K~500K。液位测量系统已在新一代液体运载火箭上推广运用,并已具备工业应用条件。     

低温推进剂地面加注系统冷量利用方案分析

为了降低低温推进剂损耗,提高利用效率,降低发射成本,提出了4套运载火箭低温推进剂地面加注系统的冷量利用方案。基于热力学原理,建立了非稳态数学模型,并以能量品质高低作为衡量方案优劣的标准,通过实例计算对比分析了各个冷量利用方案的可行性。研究得出4套冷量利用方案从热力学角度出发都是可行的,其中方案A和方案D最优,方案A可应用在目前现有低温推进剂地面加注系统中,而方案D则可应用于未来重型运载火箭低温推进剂地面加注系统之中。     

新型运载火箭低温加注工艺流程及控制策略研究

运载火箭的不断更新换代,对科学的加注工艺提出了更高的要求。以某新型火箭液氧低温加注系统为研究对象,依据低温推进剂的加注结构特点,设计了液氧低温加注工艺流程及相应的控制策略,即以流量为控制目标的PID-DMC串级控制算法。采用分层控制策略,科学合理地通过调节阀门开关控制储罐压力大小,最终达到控制复杂加注系统的目的,并将其应用于某加注任务实践,取得了较好的效果,有效地提高了加注系统的可靠性、安全性。研究结果对新型火箭加注及决策具有实际指导作用。     

大型运载火箭推进剂加注量定量方式的研究

简要介绍了大型运载火箭液体推进剂的加注方式,针对其存在的问题,提出了改进的方案,并着重把推进剂加注过程由不可视变为可视过程,简要介绍了改进后的方案、系统组成和功能.     

低温推进剂液位监测系统设计

以液体火箭发动机地面试验用低温推进剂为研究对象,建立了以电容式液位传感器和C-V线性电容变送仪为主体的低温推进剂液位测量系统。经某型号氢氧发动机真实试车过程中的搭载试验证明,该系统能准确、快速的跟踪并实时显示低温容器中的液位值,具有精度高、重复性好、操作简单及安全可靠等质量特性,很好的解决了试验过程中低温推进剂液位实时监测显示的技术难题,具备了应用地面试车试验的条件。     

低温液体推进剂增压分析与计算

运载火箭低温推进剂贮箱的增压问题极为复杂,其传热问题的研究分析又受到很大的限制.为此,根据我国上面级低温液体推进剂火箭的要求及其具体条件,推导和制定了整个飞行过程的贮箱增压计算方法、主动段—滑行段—主动段的计算公式和必需的初始数据.计算结果与国外同类试验结果规律相一致,与某型号低温推进剂火箭飞行结果相接近,证明该计算方法是可行的.     

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。     

地面发射支持系统发射前无人值守分析与研究

<正>液体运载火箭推进剂具有易燃易爆的特点,从推进剂加注开始,发射火箭塔架周围区域的工作面临较大的安全风险。随着技术进步,世界各国对航天发射现场安全性愈加重视,并加强无人值守发射技术研究。目前,美国、俄罗斯等航天大国的主流运载火箭基本实现了发射前端从推进剂加注开始的无人值守。2016年,“猎鹰”9火箭在加注后发生爆炸,因为实现了发射前端无人值守,未造成人员伤亡。     

低温状态点火瞬间固体发动机药柱结构响应分析

采用线粘弹性模型,针对固体发动机低温状态点火瞬间的推进剂相关力学特性对固体发动机药柱进行了低温状态点火瞬间的结构响应分析。点火瞬间的推进剂模量变化不大,对药柱的结构响应影响较小;而推进剂在不同状态下其泊松比并非一定值:低温状态下推进剂泊松比的值较小,点火升压下推进剂泊松比迅速增大至接近0.5,推进剂泊松比的微小变化对药柱的结构响应有很大影响。分别计算分析了低温状态点火瞬间推进剂泊松比为定值时与推进剂泊松比为非定值时的药柱结构响应仿真结果。分析结果表明,低温状态点火瞬间的药柱应变呈不断增高而应变率则逐渐降低;计算得圆管型模拟发动机的安全系数为1.48,这比推进剂泊松比为定值时计算得到的安全系数的值减小了13.5%。     

低温推进剂致密化技术的发展综述

采用深度过冷等方式对低温推进剂进行致密化,可显著改善其热力学性能,包括密度提升、气液饱和压力降低和显冷量增加等,对减小箭体尺寸和增强低温推进剂应用便利性具有重要促进作用。选取液态甲烷、液氧和液氢3种典型低温推进剂作为研究对象,首先对深度过冷前后的低温推进剂物性参数进行对比,深入了解致密化产生的有益效果;随后,广泛综述低温推进剂致密化的国内外发展和应用现状,对其技术特征进行归纳和总结;最后,提出适合我国国情的低温推进剂致密化发展建议,包括开展低温推进剂组合同步致密化、研发高性能真空压缩机以及设计新型加注流程等,以期为我国低温推进剂致密化技术未来发展提供理论参考。     

氢氧末级长时间滑行贮箱压力控制及关键技术分析

为通过弹道优化设计提升火箭发射圆轨道卫星的运载能力,同时提高火箭对不同发射任务的适应性,需要火箭末级具备长时间在轨滑行能力。对氢氧末级火箭而言,延长在轨滑行时间需要解决的一个重要问题是液氢贮箱压力、推进剂温度的预示和控制。结合微重力下贮箱内低温推进剂力热耦合运动特征,给出了低温火箭在轨滑行过程中贮箱压力控制的设计流程和计算方法,并通过计算分析获得了整个滑行阶段液氢蒸发量、补压气瓶需求量等关键设计参数,为工程研制提供参考。     

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。     

某大型低温运载火箭无人值守加注发射技术研究

针对提升和保障航天发射人员安全问题,提出了低温运载火箭无人值守加注发射(CLVUFL)的理念和内涵.通过国内外代表性CLVUFL的技术对比,发现国内低温火箭加注发射应用CLVUFL技术存在箭地接口复杂、加注发射时间较长、关键设备可靠性有待提高、智能化自动化程度不高等主要问题.针对某大型低温运载火箭加注发射流程,通过分析...     

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。     

大型低温液体火箭“零窗口”发射技术

我国大型低温液体运载火箭组成系统多、各系统耦合关联程度大、射前流程复杂，实现“零窗口”发射难度大。基于大型低温液体运载火箭的系统特点和射前约束条件，提出了实现“零窗口”发射的技术方案。通过能力挖潜主动拓展了任务故障适应性和窗口宽度，并辅以科学的测试发射策略，将技术和流程相结合，共同实现大型低温运载火箭“零窗口”发射目标。这对全面提升大型运载火箭和发射场“零窗口”发射能力、适应未来航天发展需求具有十分重要的意义。     

热力学排气系统对液氮贮箱控压特性的影响分析

为研究热力学排气系统(TVS)对低温推进剂贮箱控压特性的影响，搭建了液氮热力学排气技术控压试验平台，开展了混合模式和并行模式下的低温贮箱控压试验，研究了不同控压区间气枕压力及液相温度的变化规律，对并行模式过程中节流特性以及节流制冷量的输入对液相温度变化的影响进行了分析。试验结果表明，在混合模式中由于外部漏热和气枕压力的影响，液相温度呈波浪式上升趋势;在并行模式中，在节流制冷量输入和外部漏热的共同作用下，液相温度停止上升转而下降；在两种模式运行中，液相温度在较高的控压区间比较低的区间变化率大；理论模型能够较好反映试验测试结果，模拟分析得到的液相温度变化率与试验结果基本一致。     

滑行段低温推进剂流动及换热特性对气枕压力的影响研究

运载火箭在飞行过程中需要进行姿态调整以满足入轨要求,贮箱内推进剂在外界干扰力的作用下将发生晃动,由此引入了诸如气液接触面积、蒸发、冷凝过程及推进剂流动变化等不确定影响因素。实际飞行过程尤其是进入滑行段的初始推进剂晃动对贮箱内气枕压力及推进剂流动行为具有重要影响。在调研国内外运载火箭末级飞行过程中低温贮箱压力及推进剂流动特性的基础上,建立仿真模型,采用流体体积函数方法(VOF)分析滑行段推进剂流动特性变化对贮箱气枕压力的影响。     

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.