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。     

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。     

富氧预燃室初步试验研究

为了研究全流量补燃循环发动机中富氧预燃室的点火以及燃烧特性，对点火方案和预燃室方案进行了分析。通过对多种预燃室结构形式和点火方式的比较，提出了适合于富氧预燃室初步试验要求的点火方案，研制了热表面谐振点火器并采用间接点火方式研制了氢氧火炬点火器。点火器的试验结果表明氢氧火炬点火器能够多次可靠地点火并生成稳定的点火火炬。由于不受谐振产生条件的限制，氢气和氧气的流量和混合比可以在较大的范围内选择，生成点火火炬的温度范围也很宽。对确定的富氧预燃室方案进行了设计加工，经过三个阶段的热试车，富氧预燃室的关键参数均达到了设计要求，结构无烧蚀，工作可靠，完全可以满足全流量补燃循环发动机系统对富氧预燃室的要求。     

在轨流体管理技术进展和关键技术分析

综述了国外在轨流体管理技术的发展现状与趋势，分析了低温流体长期在轨贮存、在轨加注、空间流体生产等主要技术，并提出了在轨流体管理中需突破的关键技术难题。     

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。     

液氧/液甲烷姿控发动机点火技术研究

液氧/液甲烷推进剂组合具有高比冲性能以及其他优异的综合使用性能,已经成为未来空间化学推进的重要发展方向之一。点火技术作为液氧/液甲烷姿控发动机的重大关键技术,对发动机可靠启动、响应特性、脉冲一致性等关键指标具有重要影响。欧美国家已经开展系统以及相关组件的预先研究,其中美国已经完成了系统级的地面自由飞行试验。国内也已开展了低温推进系统技术论证,并开展了主发动机、姿控发动机以及点火器、低温贮箱、低温阀门等关键组件的研发。针对液氧/液甲烷低温推进剂组合进行了点火技术分析筛选和试验研究,验证了电火花点火与激光诱导等离子点火两种方案的原理可行性。试验表明在入口条件从气态到液态的宽广范围内两种方案均能实现可靠、可重复点火,两种点火方式对于LO_x/LCH_4发动机均原理可行。试验得出可靠点火的火花能量边界特性、混合比边界特性、响应特性以及脉冲特性,为后续液氧甲烷发动机设计提供依据。     

基于温度模型的10N推力器点火异常发现方法

为解决在轨卫星10N推力器点火异常无法及时发现的问题,根据10N推力器热平衡方程,考虑空间外热流、加热器加热、推进剂燃烧和向深冷空间热辐射等因素,应用10N推力器在轨实测温度数据,建立了精细化的10N推力器点火温度数学模型;进一步考虑测温热敏电阻测量误差,建立了10N推力器点火温度包络线模型;在此基础上提出了基于温度模型的10N推力器点火异常发现方法。该方法计算精度较高,绝对误差小于3℃,在10N推力器点火温度偏离正常趋势3～5℃后即可快速发现。以东方红3号平台某卫星为例进行了案例应用,所提方法计算得到的10N推力器点火温度理论值与实测值最大仅差2.72℃,证明所提方法预测精度较高,对于及时发现10N推力器点火异常、保证卫星轨道或者姿态控制的成功具有重要作用。     

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。     

空间在轨服务技术发展综述

空间技术的飞速发展促使空间在轨服务技术成为了一个新的、独立的研究方向，传统的、以航天飞机为代表的空间在轨服务成为了今后这个方向的发展基础，并在此基础上出现了空间自主在轨服务技术，它以成本低、风险小、隐蔽性高、军事利用价值强等特点，成为了未来空间技术新的研究热点。介绍了空间在轨服务技术的概念、任务和研究现状，分析了其发展趋势和关键技术，并着重分析了空间自主在轨服务中的自主控制技术。     

液体火箭发动机气动谐振点火技术的研究

基于对液体火箭发动机重复多次可靠起动的要求，气动谐振管的热效应可用来形成高温高能的点火源，对氢氧液体火箭发动机，研制了同轴氢氧谐振点火器，对包括氢氧推进剂的所有非自然液体火箭发动机研究了氦气谐振热表面点火器，研究结果表明这种新型的气动谐振点火技术是结构简单，高可靠性，无毒，无污染的非电钝感点火技术，对于重复多次起动的液体火箭发动机有着诱人的应用前景。     

我国大推力氢氧发动机发展思考

对国内外氢氧发动机发展历程进行综述,指出了国外氢氧发动机的发展规律和国内氢氧发动机的发展现状和差距。结合我国重型运载火箭应用需求、国内氢氧发动机技术基础和航天强国发展目标,论证了我国大推力氢氧发动机选择补燃循环技术方案是恰当选择,还进一步给出了我国220t级补燃循环氢氧发动机的技术参数,提出了未来发展展望。     

运载火箭低温推进剂热管理技术及应用进展分析

运载火箭低温推进剂与外界环境的传热是造成汽化的主要原因。为长期贮存和使用低温推进剂,必须采用综合的热管理技术。首先介绍国内外提出的被动热防护技术和主动制冷技术。前者的主要目的是降低贮箱与外界环境的热量交换强度;后者是通过对贮箱内的热量进行转移,以实现低温推进剂的无损贮存,但只适合已具有良好被动热防护的贮箱。其次,对国外典型低温推进剂实验应用系统进行分析,并初步提出多功能液氢实验平台方案设想,方案中通过CZ-3A号搭载多功能液氢实验平台用于验证空间环境下低温推进剂的综合应用技术。通过对低温推进剂热管理技术的调研和论证,为我国低温推进剂在空间环境下的长期在轨使用提供技术参考。     

低温氢气排放过程数值模拟

以低温氢气安全排放为目的,采用数值模拟方法对低温氢气直接排放和燃烧排放的流场进行分析.流场仿真计算采用了标准双方程k-ε湍流模型和氢氧单步燃烧模型.研究参数包括氢排放压力、流量、温度和环境风速,评价指标为氢扩散范围和燃烧范围.计算结果表明：燃烧排放燃烧范围小于直接排放氢扩散范围;排放压力增加、流量增大和温度降低均会使氢扩散范围和燃烧范围变大.     

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。     

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...     

深空探测用低温推进剂贮箱热力排气系统研究

Cryogenic propellant usually experiences long term on orbit storage. The pressure increase in cryogenic storage tank is faced by most of space missions. The thermodynamic vent system (TVS) is treated as the promising method to control the increase of the tank pressure by scholars both at home and abroad. Based on the investigation conducted by different research agencies, literature review and management are conducted to reflect the recent research statue on TVS. The development profile of the experimental research on the pressure control performance of TVS is specially summarized. The condition setting and performance difference of TVS conducted by different agencies are compared and analyzed. The key technique and related conclusion are refined during the operation of TVS. Finally, based on the requirement of the large scale using of cryogenic propellant in deep space exploration in China, the development plan is proposed on the aspect of TVS pressure control on cryogenic storage tanks.     

光学镜头性能测试用深低温降温系统设计及验证

单镜组件是遥感器的关键部件,在深低温真空环境下对其进行面形测试和稳定性测试,是获取测试数据和验证其结构设计正确性的必要手段。文章针对某单镜组件地面验证试验需求,建立真空环境下低温镜头深低温背景,采用GM制冷机机械降温技术,对温控系统进行设计、研制以及模拟试验,实现了产品在(60±1) K、(160±1) K、(200±1) K的控温指标以及60～300 K的控温区间。该降温系统为遥感器光学镜头在深低温环境下完成面形测试和稳定性测试提供了重要保障。     

超低温对T700碳纤维/环氧复合材料弯曲性能的影响

研究正交铺层的碳纤维增强环氧树脂基复合材料（CFRP）在超低温的环境下的弯曲性能和损伤破坏形式。对复合材料试样进行不同时间的液氧浸泡处理和不同次数的常温/液氧温度热循环处理来模拟液氧燃料贮箱使用工况,通过配有超低温试验装置的力学试验机研究CFRP在不同超低温条件处理前后的低温弯曲强度和弯曲模量的变化规律;采用扫描电子显微镜（SEM）对破坏前后试样的微观形貌进行分析。结果表明,经过液氧浸泡及常温/液氧温度热循环处理的CFRP的超低温弯曲强度和模量变化趋势基本一致,均随时间和循环次数的增加先下降后上升,这种变化规律与其超低温环境下材料的微观结构变化密切相关。结合CFRP破坏前后的宏观和微观结构特性以及微裂纹的扩展规律,揭示了正交铺层CFRP超低温弯曲性能变化的 机理。