低温贮箱多路管道增压的一种模糊算法研究

火箭发动机地面试验中,低温推进剂贮箱增压过程的传热、传质以及湍流流动过程十分复杂。贮箱增压系统具有非线性、时间滞后、参数变化不确定等特点,对增压系统难以建立精确的数学模型。因此,以低温推进剂贮箱内压力稳定为目的,提出了采用多路、不同直径管道增压的模糊控制方案;应用模糊控制算法中的最大隶属度法进行解模糊化,制定增压管路的模糊控制表,建立了以压力为控制变量的模糊控制器。分别对预增压过程和保持增压过程的两种工况进行了仿真。仿真结果表明：模糊控制算法能有效提高推进剂贮箱中压力调节的控制精度和响应速度,使得离开贮箱的推进剂压力稳定地满足发动机泵入口的压力和净吸程要求。     

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。     

新一代运载火箭共底贮箱隔热性能试验及环境预示

对新研制的新一代运载火箭液氧/煤油共底贮箱进行隔热性能试验研究。结果表明,在常温外界条件下,设计的共底结构形式能有效降低燃料和氧化剂的相互影响,满足运载火箭发射的需求。根据常温试验结果,对共底结构数值分析模型进行了修正,修正后的数值分析结果与试验结果吻合较好,误差小于10%。用修正的数值分析模型对共底贮箱在低温外界环境(-20℃)条件下煤油温度变化进行预示分析,结果发现煤油最低温度维持在-30℃以上。该预示分析结果可作为确定共底贮箱结构形式的重要判据,并为共底贮箱低温环境验证试验提供参考。     

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。     

阿里安V主级氧化剂贮箱的增压系统

阿里安V主级氧化剂贮箱用氦气增压,氦以很低的温度4-10K贮存于箭上的低温容器中。增压的氦气在通过流量控制阀引入贮箱之前由一个热交换器控制。系统和组件设计依赖于欧动力装置制造公司及其子承包单位的技术。由于低温氦的贮存,特有的功能和技术难度成为本系统的特征。设计渐次地为模型和组合件试验所证实并完善。增压系统开环试验于1992年在瓦桑发动机试验台完成。     

提高试车台配气系统减压器工作可靠性的措施

试车台贮箱增压时,为了确保减压器的稳定性和可靠性,根据减压器工作原理和特性采取了减压器大、小流量试验、低入口压力稳定性试验、并联试验以及并联使用动态试验,减压器关键元件之一的膜片工作时间确定试验等,有效避免增压系统单点失效模式发生,提高增压系统增压能力.通过试验及采取适当措施,更好的保证了减压器工作的稳定性和可靠性.     

液氧贮箱增压过程研究

采用数值模拟方法对液氧贮箱增压过程进行研究.贮箱内流场采用流体体积函数（VOF）多相流模型考虑,选择标准双方程k-ε湍流模型分析湍流效应,气液两项之间的热量、质量转移通过自定义程序（UDF）求解.获得了贮箱压力、排液流量、气垫温度、液氧温度对贮箱内流场温度分布的影响.计算结果表明,在稳定增压过程中,贮箱液面无扰动,贮箱内温度分层分布;各参数变化时,对贮箱内温度分布的影响主要是温度梯度的变化,并且各工况下液面附近和扩散器附近温度梯度基本相同.     

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。     

试车台氧化剂系统增压能力影响因素分析

试车台进行改造后,管路和容器参数都发生了变化,试车过程中需在要求时间内完成发动机氧化剂入口压力从前稳段升压至过载段。首次试车过程中由于贮箱增压计算出现误差,导致氧化剂升压过程中增压阀门多次动作。为避免升压过程中增压阀门的多次动作,获得试车台的实际增压能力,对其影响因素及试车数据进行了分析,修正了调整计算过程。试验结果表明:调整计算正确,改进措施有效,满足了试验任务要求。     

推进剂供应系统增压过程仿真

在大型液体火箭推进系统中,推进剂供应系统对贮箱压力有着严格的要求,增压系统作为可靠性环节的关键系统,工作过程复杂,需要进行仿真分析和试验验证,以改进设计。应用系统仿真技术,对某推进剂供应系统的增压过程进行了仿真,仿真结果与试验情况基本吻合。仿真结果表明缓冲阀可以有效地抑制增压过程压力振荡。此外,系统增压时间不能低于17s。     

N_2O自增压贮箱的动态供应特性

建立了氧化亚氮(N_2O)贮箱自增压模型并完成了模型校验,获得的贮箱压力计算值与实验结果吻合良好。针对自增压贮箱供应液态介质时的动态工作特性开展了仿真计算,结果表明:在相同的质量流量下,供应液态推进剂比供应气态推进剂更有利于维持箱压和流量稳定;受蒸发吸热作用的影响,自增压贮箱在供应过程中压力总是呈下降趋势。给贮箱加热有利于减缓其压力的下降速度,但存在压力响应滞后、换热面积减小等问题,不易获得稳定的动态供应压力。     

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。     

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。     

发动机试验液氧贮箱放气系统动态特性研究

在液氧/煤油火箭发动机地面试验中,为得到液氧贮箱放气系统放气流量与放气阀门动作的响应特性,从而控制箱压的下降速率,验证液氧煤油发动机在低入口压力条件下的工作适应性,对液氧贮箱放气系统的动态特性进行了研究。建立了液氧贮箱二维计算模型,结合试验数据,对低温贮箱内气枕空间的非稳态换热过程进行研究,确定放出气体温度以及相应状态。应用CFD的动网格技术,建立二维计算模型,对放气系统阀门的开关动态特性与过流流量特性进行综合分析,获得了不同通径放气管路的放气流量与箱压的计算关联式,基于理想气体状态方程,完善了箱压计算理论模型。应用该模型量化分析箱压下降速率,为计算箱压控制的准确时间节点提供了操作参考。     

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。     

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.     

新一代运载火箭闭式增压控制技术研究

提出一种闭式增压控制方案,三模冗余增压控制装置录取推进剂贮箱冗余设置的数字压力传感器信号,基于闭式增压控制方程,采用3取2表决输出控制指令对多路电磁阀实施开闭控制,使贮箱压力控制在理想范围;然后介绍了闭式程序增压和备保固定时序增压的控制算法。工程应用和试验结果表明,闭式增压控制技术方案可行,增压控制方法合理。本文方案产品通用性好,增压控制可靠性高,系统适应性强,具有良好的推广应用价值。     

碳纤维复合材料贮箱内压和低温承载行为研究

碳纤维增强聚合物复合材料具有轻质高强的优异特性,是液氢液氧燃料贮箱的理想材料。然而液氢液氧燃料贮箱在服役时要承受极低温度载荷,复合材料贮箱箱体的低温结构可靠性尚未可知。开展了碳纤维/环氧复合材料缠绕贮箱结构在温度和内压载荷下的变形及损伤研究,分别进行了常温/低温抗渗漏测试,结合应变测量、声发射监测、氦质谱检漏等方法分别研究了内压以及低温工况对复合材料贮箱的应变分布及损伤泄漏状态影响机制。研究结果表明,封头与圆筒区域交界处易产生应变集中,低温载荷导致复合材料局部小幅度基体损伤及纤维/基体界面脱粘,但并未影响贮箱箱体承压性能和气密性。本研究可为未来大型航天器减质设计提供参考。     

全程氦气增压的试验研究与应用

论述氦气的传热、节流、扩散、多变膨胀等的传输特性,以及氦气特性的试验研究结果,获得了大量的氯气使用性能资料和经验,为某型号三级首发采用全程氦气增压提供了依据.介绍系统研制与应用中,以空气代替氦气进行调试、然后用氦气校验的方法,并以空气或氮气代替氦气进行系统气密性检查,仅发射前用氦气充填增压气瓶和自动增压贮箱到额定压力,使型号研制大大地节省氦气用量和费用,为运载火箭和航天器应用轻型增压系统提供了资料和经验.     

运用数学方法模拟推进剂贮箱增压

本文介绍了运用数学方法模拟推进剂贮箱内的增压、传热和传质的物理热动力过程.增压系统的目的是控制推进剂贮箱内的气体空间(也称为"气垫空间")压力和进入发动机的推进剂质量流量.用数学模拟来预测气垫和推进剂的状态以保证贮箱内的压力和温度值保持在认可的限度内,即使离开贮箱的推进剂压力满足发动机泵入口的净吸程要求.