肼类推进剂泄漏事故后果分析初探

讨论了航天发射场肼类推进剂泄漏及蒸气逸散的模式，建立了定量分析模型。对推进剂发生泄漏事故时的危害进行了计算和分析。在此基础上，提出了安全措施建议。     

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。     

液氢空化流动特性研究

对液氢空化流动的实验数据进行了统计分析,数值计算了大范围温度变化下液氢空化流动的变化特征。结果表明采用的数值计算方法计算结果与实验数据吻合良好。随着温度变化,液氢空化流动存在两种空化行为。当温度低于转捩温度时,空化行为的变化受液/汽密度比控制,空穴面积随温度的增加而增加;当温度高于转捩温度时,空化行为的变化热力学效应控制,空穴面积随温度的增加而减小。空化数和来流速度越大,转捩温度越高。     

美火箭工作台碰破半人马座上面级储箱

1987年7月13日,当通用动力公司的4名工作人员发现半人马座上面级有泄漏,在36B发射台准备卸下进行抢修时,工作台引桥碰破了在发射台上的这个上面级的液氢储箱。储箱破裂后,就像放了气的气球那样瘪了下来(见右图)。4名工作人员在逃离工作台时轻微受伤。     

碎片云撞击密封舱穿孔对其内压力和温度影响研究

为了了解碎片云撞击密封舱穿孔对其内压力和温度的影响程度及规律，以平面激波和热力学理论为基础，建立了碎片云高速撞击密封舱穿孔对其内大气压力和温度影响的模型，通过计算发现模型计算结果与实验吻合得较好。通过模型计算，结果表明：碎片云撞击密封舱舱壁穿孔造成其内大气压力和温度的变化趋势具有相似性；舱壁穿孔瞬间，舱内大气压力和温度只在距穿孔处一定距离发生剧变；碎片云撞击速度越大，引起舱内大气压力和温度的变化也越大。     

月球近旁转向技术研究

通过月球近旁转向，可以改变航天器的对地速度大小和方向。借助圆锥曲线拼接法可以对月球近旁转向问题进行初步分析。研究表明：利用月球近旁转向技术发射地球静止卫星和逆向卫星可以节省速度增量，发射场的纬度越高，节省的速度增量越多。     

基于压力信号器控制的贮箱地面增压技术应用分析

对基于压力信号器控制的贮箱地面增压技术及其在发射场的实际应用情况进行了介绍分析。常温贮箱射前地面增压时间较为宽裕，一般采用单气路单压力信号器控制增压；低温贮箱射前地面增压时间较短，要求较快的增压速率，一般采用双气路双压力信号器控制增压。贮箱射前地面增压存在压力后效，影响压力后效大小的主要因素包括：增压充气流量qm、增压电磁阀动作响应时间Δt、增压电磁阀后供气管路气体容积Vg。发射场实际应用过程中，通过调整供气管路上节流孔板大小控制增压充气流量，使贮箱增压压力后效满足要求。针对压力信号器失效故障模式，通过设置紧急放气电磁阀和冗余设计,实现紧急放气和冗余备保增压，可以确保贮箱射前增压工作正常。     

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…     

过冷度对飞行器贮箱热力学排气系统性能的影响

为了研究低温推进剂贮箱的压力控制特性和热力学排气系统的运行特性,建立了耦合贮箱内流体流动相变过程与热力学排气系统(TVS)的数学模型,对TVS系统运行后贮箱的压力和温度变化进行了仿真计算。在以液氮为贮存工质的低温流体高效贮存平台上,进行了仿真模型的验证。分析了不同液体过冷度对低温贮箱温度和压力控制特性的影响。研究发现,在相同的在轨贮存周期内,对于饱和状态的液氢和液氧,TVS只有在排气模式下才能实现低温贮箱的压力控制,而对于过冷状态的液氢和液氧,TVS只需进行混合模式运行便可实现低温贮箱压力控制,且TVS混合运行时间随液体过冷度的增加而减少,16 K液氢时TVS的运行时间(546 s)相比于20 K液氢(663 s)减少了17.6%,78 K液氧时TVS的运行时间(2 760 s)相比于90 K液氧(16 469 s)减少了83.2%。过冷液体与气枕的混合可以实现低温流体在轨贮存过程中的零排放。     

变螺距诱导轮的气蚀性能研究

为了研究变螺距诱导轮的气蚀性能,通过试验观察了变螺距诱导轮的气蚀发展变化情况,分析了其内部的压力脉动现象。结果表明:诱导轮内的气穴随着入口压力降低,会呈现不同的气穴形态;气穴发展受流量影响,流量越大,气穴发展速度越快;诱导轮内发生了同步旋转气蚀,同步旋转气蚀也受流量影响,流量越大,同步旋转气蚀越强。     

液氢贮箱停放过程中的力热分析

为了寻找到运载火箭长时间停放过程中液氢贮箱的最经济液位，用于制定合理的发射流程以及紧急处置方法，采用计算流体力学(CFD)技术，对某型运载火箭停放期间液氢贮箱的力、热情况进行了仿真计算和分析。计算选用了VOF(Volume-of-fluid)两相流模型以及Lee相变模型，为了提高Lee模型在不同压力情况下对相变过程的模拟精度，采用安托因方程修正了该模型。修正后的模型首先由试验数据校验了其精确性，随后开展的液氢贮箱停放过程仿真结果表明：贮箱的竖直方向与径向均存在温度分层的现象，液相内会形成大的漩涡，该漩涡会使得冷热流体不断进行热交换，并导致贮箱内部的液氢出现气化。贮箱停放期间蒸发率最大值超过2 m 3/h，发生在停放4 h左右；而贮箱液位充填至37 m 3以上或17 m 3以下时蒸发率较低，最小值接近1 m 3/h。     

两种物态方程在超高速碰撞数值模拟中的比较

材料在超高速碰撞下将发生熔化甚至气化相变。为反映超高速碰撞中材料相变带来的影响,文章采用GRAY三相物态方程与Tillotson物态方程,对超高速碰撞进行数值模拟对比研究。研究表明:当碰撞速度在3 km/s以下时,除了靶板穿孔直径外,两种物态方程所给出的碎片云的结果基本一致;但当碰撞速度在3 km/s以上时,两种物态方程给出的数值模拟结果有较大差异,这说明在超高速碰撞中相变的产生对碎片云形状参数有较大影响。     

液氢涡轮泵孔型阻尼密封设计与性能评估

针对某液氢涡轮泵级间迷宫密封流体激振诱发转子涡动失稳问题,开展了孔型阻尼密封方案设计及密封泄漏特性和转子动力特性评估研究。通过不同密封间隙、孔径和孔深等关键几何参数的组合,共设计液氢孔型阻尼密封方案25种。采用定常CFD(computational fluid dynamics)数值预测方法,计算分析了密封间隙、孔径和...     

液氢加注系统的非稳态过程数值计算

基于气液两相流动的均相模型对液氢加注系统的非稳态过程进行了数值计算，控制方程采用均相流模型方程组，考虑了周围环境的热量传递。采用控制容积法建立离散方程的隐式差分格式。针对低温液氢不同的入口压力、出口压力、入口温度等工况进行了计算，分析讨论水平管路中低温液氢填充过程时压力、温度、流量、含气率在空间及时间上的变化。计算结果表明在管路填充的临近入口点压力、流量随时间脉动的幅值最大，甚至比入口的压力高1．5-2倍。为了提高低温介质的通过率，减小低温介质的气化率，应尽量提高低温介质的入口压力、减小出口压力、降低入口温度和管壁温度，并尽可能增强管壁的绝热保护措施。     

推进剂压强指数对喉栓式变推力固体火箭发动机推力调节特性的影响研究

为获取推进剂压强指数对喉栓式变推力固体火箭发动机推力调节特性的影响,用小偏差方法建立喉栓式变推力固体火箭发动机控制模型。讨论了几何法、CFD仿真(气动)法和冷流试验法建立喉栓组件控制模型的适用性,根据结果选用气动喉部进行计算,给出了喉栓发动机推力模型。研究了采用正、负压力指数推进剂的喉栓发动机推力调节特性,发现正压力指数推进剂会导致推力负调出现,负压力指数推进剂可避免推力负调产生。通过单喉栓推力调节试验验证了模型的正确性。仿真表明:推进剂正压力指数越大,压强波动就越大,推力变化越大,响应时间越长;推进剂负压力指数的绝对值越大,压强波动越小,推力变化越大,响应时间越短。分析结果对相关控制策略研究有一定的参考价值。     

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。     

基于故障树分析的飞船检漏间泄漏分析与建模

检漏间是飞船在航天发射场进行检漏分析的重要设施设备。在对飞船检漏间的基本结构组成进行分析的基础上,建立了基于小孔泄漏模型的飞船检漏间泄漏过程数学模型,并进行了仿真分析。同时,对飞船检漏间迷宫式密封结构的泄漏途径进行了分析,在此基础上,建立了飞船检漏间泄漏因素的故障树模型。依据该模型,通过分析排查试验,明确了泄漏故障发生的具体位置、泄漏原因以及泄漏机理。在采取针对性维修措施的基础上,飞船检漏间漏率指标达到了平均<100Pa/24h的范围,满足了设计指标<150Pa/24h的要求。实际泄漏检测试验表明：上述方法简单、有效。     

差压检漏系统仿真试验研究

文章建立了差压检漏系统检测过程的数学物理模型,并通过系统仿真计算了不同容积基准物和被测物在环境温度变化的条件下的差力压和温度差,计算结果表明:当环境温度恒定时,大容积基准物比小容积基准物对泄漏响应值更大,对同一精度的差压传感器测试精度更高,当环境温度均匀变化时,基准容积越小,与被测物的差压值越大,温度差也越大,但可以用温度补偿的办法来计算差压。     

充气卸荷开关泄漏机理分析

某发射场进行火箭发动机气瓶充气时出现充气卸荷开关关闭后泄漏故障,分解卸荷开关后发现卸荷开关阀芯导向部位存在异常磨损,且阀芯非金属密封面周向密封压痕深度不均匀,结合故障形貌,采用有限元仿真计算压痕深度,对泄漏故障的根本原因进行深入剖析。分析结果表明:卸荷开关阀芯导向部位存在微小原始缺陷,多次动作后在阀芯与壳体导向部位产生粘着磨损,阀芯在壳体导向孔中回位发生偏斜,造成阀芯非金属密封面出现不均匀压痕,最终导致卸荷开关在测试时漏率超标。     

大水深火箭发动机尾流场数值模拟

针对火箭发动机在深水环境下工作的燃气射流特性,采用VOF(Volume of Fluids)方法建立了二维轴对称两相数值计算模型,对深水长尾喷管火箭发动机点火初期的过程进行了数值模拟。模拟了长尾喷管喷管燃气射流的气泡的形成、发展及断裂过程,获得了气液两相流场中压强、马赫数、温度等参数的变化规律。计算结果表明,长尾喷管出口出现周期性的压力脉动,气液相互作用过程中形成含涡结构的边界层。水深越大时,环境压力越大,长尾喷管出口的压力、速度波动越大,射流稳定后长尾喷管轴线上的压力、速度保持不变。研究结果可为深水火箭发动机的设计提供参考。