低温液氧过冷方案对比分析与试验研究

从燃料密度、显冷量和贮箱增压压力等方面阐述了采用过冷液氧推进剂的性能优势。以获取66 K过冷液氧为目标，从低温工质消耗、功率消耗、系统复杂性和安全性等多个方面对液氧抽空减压、负压液氮浴换热和氦制冷循环3种过冷方案进行了定量与定性对比。针对液氮浴过冷技术进一步对比了单级与两级过冷方案，最终建议采用常压+负压两级液氮浴过冷方案获取66 K深度过冷液氧，并基于该方案搭建了半工业级液氧深度过冷验证平台，成功将液氮过冷至66 K以下。试验表明在0～3 L/s的液氧流量范围内，由于管道漏热，液氧过冷加注过程中其温度随着流量增大而降低。本试验验证了两级液氮浴过冷方案的可行性，为低温火箭发射场推进剂加注系统升级提供了理论及技术参考。     

长期在轨贮存低温推进剂过冷度获取方案研究

增大低温推进剂入轨时的过冷度可显著延长低温燃料在轨贮存期限.通过文献调研与理论分析,介绍了4种低温推进剂过冷度获取方案的工作过程与研究现状,分析了不同方案的优缺点,在此基础上提出了我国开展相关研究的思路.研究表明:①为了减小过冷度获取成本,应采用先加注后冷却的操作程序,且制冷系统尽可能靠近目标贮箱;②液氧、液态甲烷可通过液氮池沸腾提供过冷度;③氦气喷射预冷消耗氦气量巨大,建议仅针对小型液氢采用此技术;④热力学低温流体过冷器(TCS)技术具有总体质量轻、投入能量少等优点,在液氢过冷度获取方面具有可观的应用前景.可为我国开展低温推进剂过冷度相关研究提供参考.      

低温贮箱共底抽空性能分析

通过对低温贮箱共底进行真空性能试验,结果表明,双层夹芯共底的真空性能与蜂窝夹芯材料的吸气量、材料的浸胶量、粘接时的用胶量、密封带的致密性有关;通过增加抽空时间,采用多次重复抽空,可以改善共底真空性能.同时提出了共底泄漏时真空性能的变化规律和判定依据.     

过冷水滴凝固机理及凝固组织特征

针对飞机过冷水滴结冰的精细化预测需求，基于相变热力学与相变动力学相关理论，采用示差扫描量热法（DSC）、结冰风洞试验及微结构测试相结合的方法，研究了过冷水滴凝固过程的热力学机理及凝固组织特征。基于示差扫描量热法，研究了冷却速率及形核条件对结晶凝固特性的影响规律；基于结冰风洞试验开展了不同温度条件下冰相的宏观形貌及微结构特征研究。结果表明，过冷条件及冷却速率是影响过冷水滴结晶速率及结晶完善程度的重要因素。降温速率越大，结晶速率常数增大、结晶速率相应提高。同时，结晶峰变宽，结晶初始温度向低温方向移动，过冷效应相对显著；反之亦然。过冷度及冷却速率对冰相的宏观及微观形貌均有着重要影响。过冷度越大则相同时间内冷却速率越大，晶体生长过程越不充分，晶体不规则程度相对较高，同时晶粒密度变大、尺度变小，冰相表观透明度相对降低；反之，过冷度越小，则晶粒密度变小、尺度变大，冰相表观透明度相对较高。异相形核条件对加速结晶过程有重要促进作用，晶种的存在可有效加速二次结晶的触发，使过冷效应显著减弱。相关研究可为飞机结冰速率、冰相物理特征及冰形宏观形貌的精细化预测提供参考。     

液体推进剂在轨加注技术与加注方案

梳理了推进剂空间加注的关键技术,介绍了不同流体空间加注的系统组成与加注程序,提出了我国开展相关研究的思路.研究表明:①气液相分离是实现推进剂空间加注的基础,常温推进剂可采用挠性隔膜或叶片式贮箱实现气液分离,而金属网状膜通道式液体获取装置（LAD）在低温流体空间分离领域效果最佳;②低温推进剂空间加注需要结合空间热防护技术、蒸发量控制技术等;③常温推进剂采用排气型空间加注,低温推进剂采用无排气加注,且可借助热力学排气系统实现大充灌率加注;④我国可按照先常温后低温的思路开展研究,并充分借鉴现有实验平台与研究成果的支持.      

聚乙烯醇包覆剂的改性试验

在固体推进剂的燃速测试中,为了保证药条沿轴向平行燃烧,通常都要先将药条表面进行包覆处理.其中所用的包覆材料,则是根据推进剂性质进行选择.我国对双基药包覆条件的选择工作,是在1962年开展的.当时,通过燃速对比和中止燃烧端面观察,确定采用11%浓度的聚乙烯醇水溶液包覆2次.这一包覆条件经多年实践证明是可行的,唯低温粘接性能较差,有待进一步改进.为此,我们曾对聚乙烯醇包覆剂进行了改性试验.最初的实验,是向聚乙烯醇胶液中添加少量固化剂、增塑剂或水溶性高分子物质.这样,可以不同程度的改     

微气泡发射沸腾形成机理

为了探究具有超高换热性能的微气泡发射沸腾现象的形成机理,采用FLUENT软件对加热面上单个气膜周围的速度场进行数值模拟,并与实验结果进行对比.实验结果表明,对于水,微气泡发射沸腾现象发生时,加热壁面上会出现气膜破裂的过程,并且过冷度和壁面过热度的升高会加剧这一过程.对于酒精,微气泡发射沸腾现象很难发生.计算结果表明,在过冷条件下气膜周围存在marangoni对流,对于水而言,过冷度和壁面过热度的升高会增强气膜周围的marangoni对流过程,而在酒精气膜周围 marangoni对流相对较弱.因此由气膜周围强烈的marangoni对流过程引起的气液界面上的扰动可能造成气膜破裂,这可能是微气泡发射沸腾现象形成的原因之一.      

HTPB推进剂的低温疲劳特性

为探究端羟基聚丁二烯（HTPB）推进剂在低温下的疲劳特性，结合空空导弹在使用中的实际情况设计了包含不同应变幅值和加载频率的高周疲劳实验.实验在动态热机械分析仪上进行，温度保持为-50℃，加载频率设定为50,100,150Hz.为了考察低温下HTPB推进剂微小预变形对疲劳特性的影响，在动力循环加载前进行了准静态加载.疲劳实验后对试件实施单轴恒速拉伸，以获取疲劳后推进剂的力学参数.结果表明:在其他条件不变的情况下，疲劳应变幅值和加载频率越大，材料力学性能劣化程度越大，所累积的疲劳损伤量越大.初始阶段的准静态加载对推进剂疲劳特性起消极影响，低温高频下推进剂的疲劳损伤演化呈现出非线性，随着疲劳次数的增加，疲劳损伤增速由快变缓.      

电荷作用对均质-非均质凝结流动的影响

基于Fletcher成核理论及均质-非均质凝结双流体模型,讨论了电荷作用对凝结流动的影响,结果表明:有无电荷影响时,成核率计算公式精度均较高,流场参数的计算结果与实验结果吻合良好,相对误差不超过5%,表明所建的均质-非均质凝结双流体模型具有较高精度.不带电时,加入颗粒半径为5nm颗粒前后流场过冷度差别较小,加入颗粒半径分别为8nm和10nm颗粒后过冷度峰值虽分别降低2K和7K,但均导致自发凝结向下游迁移.当颗粒带电荷量为Q=1e,加入颗粒半径为5nm颗粒情况下对减小成核自由能障、增加非均质成核率的作用最为明显,这一作用在颗粒半径为8nm时较弱,颗粒半径为10nm情况下最弱.当带电量增加至Q=3e时,加入颗粒半径分别为5nm和8nm颗粒情况下峰值过冷度与均质凝结相比分别下降10K和6K,且较明显地抑制了自发凝结发生.      

凝结相变对低温风洞雷诺数试验的影响

为了研究凝结相变对低温风洞雷诺数试验能力的影响,基于Fluent软件建立了气-液两相凝结流动模型,相变模型采用考虑非等温效应修正的经典成核理论和Gyarmathy液滴生长理论;针对不同来流压力和不同试验雷诺数工况条件,对氮气绕流NACA 0012翼型进行了数值模拟。模拟结果表明:随着来流温度的降低,翼型附近区域气体膨胀越过气态饱和线并达到过冷状态,进一步降低来流温度则会在宏观层面上观测到凝结相变对当地流场的改变,与无凝结相变的流场相比,释放的潜热加热气流导致马赫数降低及压力系数的改变;在确保不破坏翼型气动性能试验的前提下,充分利用气体过冷区域来降低来流压力以此减少驱动功率和液氮喷入量是可行的,或者保持来流压力不变提升低温风洞的试验雷诺数。     

液氮抽真空制冷的理论及试验

在考虑液氮总质量变化、储罐罐体热容的前提下,基于化学势温差,传热系数和传质系数等参数,详细建立了液氮降压制备过冷液氮的数学模型。理论计算的液氮温度及质量变化和制取过冷液氮试验值吻合较好,结果表明:该数学模型能准确描述液氮相变过程,且获得了液氮抽真空制冷中相变传热的化学势温差为1.21 K、传热系数为2 942.37 W/(m2·K)及传质系数为0.004 4 m/s。      

Simulation of mass and heat transfer in liquid hydrogen tanks during pressurizing

In order to accurately predict the heat and mass transfer behaviors and analyze key factors affecting pressurization process in the hydrogen tank, a comprehensive 2 D axial symmetry Volume-Of-Fluid(VOF) model is established by Computational Fluid Dynamics(CFD) method.The effects of phase change, turbulence and mass diffusion are included in the model and relationships between physical properties and temperature are also comprehensively considered. The phase change model is based on Hertz-Knudsen equation and the mass transfer time relaxation factor is determined by the NASA's experimental data. The mass diffusion model is included in gaseous helium pressurizing. The key factors including the inlet temperature, inlet mass flow rate, injector types and pressurizing gas kinds are quantitatively analyzed. Compared with the experiment, the simulation results show that the deviation of pressurizing gas mass consumption, condensing mass and ullage temperature are 3.0%, 7.5% and 4.0% respectively. The temperature stratification is existed along the axial direction in the surface liquid region and the ullage region, and the bulk liquid is in subcooled state during pressurizing. The location of phase change mainly appears near the vapor–liquid interface, and the mass transfer expressing as condensation or vaporization is mainly determined by the heat convection and molecular concentration near the vapor–liquid interface.The key factors show that increasing the inlet temperature and inlet mass flow rate could shorten the pressurizing time interval and save the pressurizing gas mass. The proportion of the total energy addition of the tank absorbed by the ullage region, the liquid region and the tank wall respectively is greatly influenced by the injector types and more heat transferred into the ullage would result in a faster pressure rising rate. Gaseous hydrogen pressurization has a higher efficiency than gaseous helium pressurization. The simulation results presented in this paper can be used as a reference for design optimization of the pressurization systems of cryogenic liquid launch vehicles so as to save the mass of pressurizing gases and shorten the pressurizing time interval.     

羽流效应地面模拟试验系统关键技术发展

叙述了羽流效应地面模拟试验系统由高空模拟试车台向真空试验系统发展的过程,指出引射原理的局限性和低温冷凝技术的适用性.介绍了应用低温冷凝技术建成的美国CHAFF-4(the collaborative high altitude flow facility-Ⅳ)系统和德国STG(Simulationsanlage für Treibstrahlenin G?ttingen)系统及中国首座大型羽流效应地面模拟试验系统——PES(the plume effects experimental system)系统.采用直接模拟蒙特卡罗DSMC (direct simulation Monte Carlo )方法对PES设备的内置式液氦深冷泵的抽气能力进行了数值模拟研究,结果表明无论有无羽流吸附泵时,2g/s级发动机点火时,内置式液氦深冷泵都能满足发动机出口截面后 ? 4m×5m范围内的背压小于10-3 Pa,羽流吸附泵能有效地阻止压缩波向喷管方向推进.      

回流口位置对液体火箭液氧贮箱热分层影响规律研究

低温液体火箭射前需要采用自然循环方式对火箭发动机进行充分预冷,循环预冷管路的回流口位置是影响液氧贮箱内部场分布的重要因素。本文采用CFD技术,通过对不同回流位置的液氧贮箱物理场的数值模拟,揭示了贮箱内部温度场及速度场的分布特性,分析了回流口位置对贮箱内部热分层的影响规律。研究表明,当回流口位于下封头以上2米位置时,贮箱内部液氧过冷度最大,过冷液体含量最多,回流位置最佳。此研究结果为运载火箭推进系统的设计提供了重要的理论支持。     

低温推进剂贮箱增压系统分布参数数值仿真(Ⅰ)贮箱的有限体积模型

从准一维可压缩瞬变管流的有限体积模型出发,通过数值拓展和集成建立了一种考虑流体与箱壁传热的低温推进剂贮箱分布参数模型.流场采用一维交错网格的有限体积模型,可考虑变物性、轴向热传导、重力场、壁面传热影响;壁面温度场采用圆柱坐标系下的轴对称二维有限体积模型,可处理对流换热和辐射换热两种边界情况,可处理具有包覆层或真空夹层结构的变物性管壁传热.模型全面考虑了贮箱内的分布参数效应,适用于贮箱增压计算领域.      

60m3卧式液氮贮罐预冷过程试验

为进一步了解大型卧罐预冷过程，搭建了60 m3卧式液氮贮罐预冷试验台，对小流量下贮罐预冷过程的降温和罐体应变特性开展了研究。结果表明：预冷过程罐内气体温度首先整体迅速降低，然后缓慢下降，且呈现分层现象；预冷初期液氮在罐底难以积累；靠近底部的罐壁降温过程分为三个阶段，首先与低温氮气进行自然对流传热，温度缓慢下降，液位增长到相应高度后与液氮进行沸腾换热从而温度迅速下降，最后稳定在液氮温度；对于最终液位以上的罐壁，一直维持着平稳的降温速率；贮罐轴向应变全为负值，随着预冷过程进行轴向应变随之增大，与液氮接触的局部罐壁轴向应变会迅速增加。该项试验的成功进行有力地补充了国内大型卧罐预冷试验数据的空白，为低温贮罐可靠性及寿命预测等相关研究提供数据支撑。     

固体推进剂瞬态燃烧模型及其在液体喷射熄火研究中的应用

本文提出了一种固体推进剂瞬态燃烧模型。它考虑了凝相分布化学反应和辐射热流的深层吸收。以及燃面上的能量损失 ;在气相发展了空间分布厚火焰模型以求得有蒸汽掺混情况下的火焰热反馈。运用该模型能统一揭示快速降压、降热辐射和液体喷射等多种外界扰动下 ,推进剂的瞬变燃烧行为和熄火所需的临界参数。对液体喷射工况下进行的理论预示与实验结果相一致。     

低温推进剂单管输送系统的循环预冷实验研究

采用了外加循环支管方式抑制火箭发动机中低温推进剂输送管路中产生的间歇泉现象,对外加支管的低温推进剂单管输送循环预冷系统进行了数值模拟及实验研究。研究了在外加循环支管的管路结构下,增压对循环预冷过程的影响。实验结果表明:单管输送系统中采用外加循环支管的方式可以使整个管路形成循环,这种方法可以有效抑制低温推进剂输送管路中间歇泉现象的产生。     

Pumping speed of cryopump for xenon

The xenon pumping speed testing system of the large-diameter external cryopump was designed to meet the plume test requirements for prototype electric propulsion. The flowmeter method was utilized to measure the xenon pumping speed. The test results show that the averaged effective pumping speed of double-cryopumps is 52200L/s, and that of single-cryopump is 27100L/s. The pumping speed ratio of two configurations is 1.93. It can be concluded that the pumping speed has in linear relationship with the number of cryopump, and the coefficient is irrelevant with the gas type. The averaged effective pumping speed of xenon is less than its nominal pumping speed, and the averaged pumping efficiency is 0.83. Under the identical inflow conditions, the averaged effective pumping speed ratio of nitrogen is 0.53, slightly less than the theoretical pumping speed ratio of 0.55. Consequently, it can be concluded that results assessment of large-diameter external cryopump design index can guide the engineering application, showing certain reference significance.