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。     

典型低温推进剂的热力学性能参数评估

近年来,低温推进剂在火箭推进领域得到了广泛应用,针对液氧、液氢以及液甲烷等低温推进剂的研究也得到了深入开展。然而,有关低温推进剂热力学性能的研究虽有开展,但各种推进剂性能的特点和差异缺乏研究,对低温推进剂的热力学性能缺乏综合性分析研究和系统认识。统计了1960年以来火箭推进剂的使用以及按照火箭级应用分布情况,对低温推进剂在火箭推进领域的应用与发展进行系统性综述。从低温推进剂的基础热物理性质出发,面向航天推进应用,对不同低温推进剂的动力特性、传输特性、贮存特性以及致密化特性4个方面进行综合评估。结果表明：液氢推力特性最好,氢氧发动机理论比冲可达457 s。相同管路和工况条件下,液氢流动阻力最小,液氧流动温升最小,液甲烷流动阻力和温升特性表现居中。以管长为10 m、管内径为0.1 m的加注管路为例,液氢流动压降小于5 kPa,液氧流动温升小于0.5 K。在地面停放过程中液氧和液甲烷温升小,贮箱增压慢,同时液甲烷热分层现象较弱。对于高5 m、直径3 m的圆柱形贮箱来说,当外界热流密度为50 W/m²时,液氢温升可达4.83 K,液氧仅为1.93 K;液氧贮存周期可达36...     

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。     

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。     

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。     

航天飞机新型外贮箱问世

1982年9月10日,航天飞机的第一个轻型外贮箱(LWT-1)正式出厂,这是航天飞机计划中的一个重要里程碑。这种巨大的贮箱装有供航天飞机主发动机使用的超低温液氧、液氢推进剂,贮箱本身也是航天飞机的主体结构。外贮箱有三个主要部件:一个液氧贮箱;一个液氢贮箱;     

民兵III和MX导弹弹头母舱内的贮箱

在民兵Ⅲ和MX洲际导弹分导式多弹头的母舱中,推进剂贮箱是一个很重要的组件。贮箱的功能是:在导弹贮存时存放推进剂;在导弹飞行时根据指令向发动机供应推进剂。贮箱在设计上应能满足末助推推进系统在高空工作多次的要求,还应该在加注推进剂情况下达到长期贮存所提出的可靠性指标(不低于0.99)。这种贮箱的研制周期较长,成本较高,技术上的风险也较大。     

可重复启动低温上面级的推进剂管理装置研究

回顾了低温上面级推进剂管理技术的国内外研究现状,分析了上面级微重力环境中低温推进剂管理涉及的液体蓄留、气液分离和局部热控等关键技术。开展了液氧贮箱推进剂管理装置的方案设计,并试验验证了可填充蓄液器的填充和下层板网的指定路径排气等关键功能,确认了方案的可行性。     

基于热响应的卫星推进剂剩余量测量方法研究

介绍了基于热响应法的卫星推进剂剩余量在轨测量方法的原理,给出了国外在Telstar 11,LM 3000,BSS601平台日本通信卫星,Turksat 1C卫星的应用情况。给出了将该方法用于国内卫星的设想,并归纳了推进剂在轨空间分布高精度仿真、带液条件下贮箱内复杂传热过程高精度热仿真、贮箱与整星耦合热分析仿真等关键技术。     

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。     

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。     

航天器热传输技术研究进展

文章对航天器用热传输技术近期的发展进行了汇总,主要包括：导热材料、微小型热管、槽道热管、泵驱动两相流体回路、深冷环路热管、喷雾冷却系统以及基于MEMS技术的微型热传输技术。这些新技术是航天器高热流密度散热、大功率热传输、分散点热源散热及深低温热传输未来主要的解决途径,可供航天器热控研究及设计者参考。     

碘工质电推进储供系统设计及实验

霍尔推力器越来越多地用于空间电推进,由于高纯度氙气获取难度大、成本高昂,故需要寻找其他种类的工质代替氙气用于空间推进。碘的升华温度较低,且常温储存时为固态,作为推力剂具有减小系统体积、降低成本等优势,但是适配的储供系统尚不成熟。通过比较碘和其他工质的相关特性,阐明碘作为空间电推进工质的优势,总结了国内外相关实验,说明使用碘作为推进剂的可行性,设计新型热辐射加热储罐,完成了碘工质储供系统的初步实验,对系统设计进行规划。实验结果表明:热辐射加热储罐相比于传统外部加热储罐具有更好的调节性能。     

数字孪生技术综述分析与发展展望

随着数字化与仿真技术的发展,数字孪生技术已成为各行业的新兴研究热点,面对航天高质量、高效率和高效益的发展要求,有必要深入研究数字孪生技术的内涵及其关键技术,以便更好地研究探讨航天领域相关数字化仿真技术未来的发展方向。对数字孪生概念、数字孪生关键技术及研究现状进行了系统总结和分析,提出了航天领域数字孪生技术研究及应用领域发展展望。     

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。     

核反应堆空间应用研究

对美国、俄罗斯等国家的核反应堆空间应用进行了研究。其中包括:美国最早研究的SNAP-8系列,可提供多种组合输出的SP-100布雷顿能量系统,应用于火星表面的核反应堆MSR系统等;俄罗斯和日本在月球表面或火星表面应用的核反应堆。重点对空间核反应堆的堆型、堆芯冷却方式、热电转换方式、废热排放方式、辐射屏蔽模式等进行比对分析。结合月球基地能源系统的应用背景,对实现核反应堆空间应用需要解决的关键技术进行了分析,如发射安全技术、无人自主管理技术、空间低重力环境适应性及辐射防护技术等,可为我国未来空间探测任务的能源系统研究提供借鉴和参考。     

液氮贮箱自增压实验与数值仿真

为研究低温推进剂在常温下的自增压过程，设计了以液氮为模拟介质可视化低温玻璃贮箱自增压实验系统，研究了自增压过程压力和温度的变化规律及体积充填率对压力和温度变化的影响。实验结果表明：气枕区和液体区存在显著的轴向温度分层，液体区温度的上升速率低于压力引起饱和温度的上升速率。压力上升分为有典型意义的三段：初始段、过渡段和稳定段，稳定段的压力上升速率随体积充填率增加而增加。液体区的对流运动在自增压过程受到抑制，气液界面逐渐进入准静止状态。并以实验测得温度作为边界条件，采用流体体积（VOF）模型对整个自增压过程进行了175 s的数值仿真。仿真得到的压力曲线变化规律与实验结果基本一致，稳定段的压力上升速率是实验值的1.58倍。本文得到的自增压物理参数变化规律，为低温推进剂的贮存和贮箱的热防护设计提供参考。     

一种空间目标红外特性分析方法

空间目标红外特性分析一直是比较难的课题,尤其对于表面材料为复合材料的空间目标尤为困难。通过分析空间目标飞行动力学特征,以及在空间模拟设备中的表面温度和空间环境的热换算关系,可以得出空间目标在空间环境下的红外热图像。本方法可为空间目标热红外防护技术的研究和发展提供参考和借鉴。