推进飞行器低温推进剂在轨贮存被动蒸发控制方案研究

在对低温推进剂在轨贮存技术简要概述的基础上,针对推进飞行器的2种构型,提出了3种低温推进剂在轨贮存被动蒸发控制方案,建立了技术方案中复合绝热结构和蒸汽冷却屏的传热分析模型,对不同轨道、不同构型和多个蒸发控制方案的低温贮箱漏热量和蒸发量进行了计算和分析。结果表明,绝热结构隔热性能为0.05 W/(m2·K)时,被动蒸发控制方案可控制液氢贮箱蒸发率为0.4%~1.1%/天;近地轨道低温贮箱的蒸发量明显大于地月转移轨道的蒸发量;蒸汽冷却屏可以明显减小低温贮箱的漏热;随着绝热结构隔热性能的增加,低温贮箱的漏热量减小。     

低温推进剂在轨贮存与管理技术研究

低温推进剂由于其比冲高、无毒无污染,是载人和深空探测的首选推进剂。为解决空间恶劣的热环境和微重力环境下推进剂大量蒸发损耗及推进剂的气液两相混合等问题,以低温推进剂的在轨贮存与管理技术为研究对象,给出低温推进剂绝热的贮存方案和微重力气液分离的管理方案。并对其中的适用中短期任务的方案进行日蒸发率等指标核算,然后对方案中的热力学参数变化对系统方案中的蒸发量控制等影响进行讨论。最终给出针对载人登月等短期项目的低温推进剂在轨贮存与管理的推荐方案。     

基于ZBO技术的空间低温贮箱强化换热数值模拟研究

针对载人航天和深空探测对低温推进剂长期在轨存储技术的研究需求,提出了一种基于主动制冷技术和流体混合技术的ZBO新型空间低温贮箱,建立了微重力下低温存储系统的3D模型,对六种采用不同换热结构低温贮箱的温度场和速度场进行了数值模拟和研究。通过对比分析,发现热管位置和混合泵以及冷头的传输效率是影响低温贮箱性能的主要因素,低温贮箱结构采用单混合泵侧喷和低温热管加环肋时最高温度最低,温差最小,具有较好的冷却效果。模拟结果有助于提高低温存储系统的性能,为空间低温贮箱的优化设计提供参考依据。     

基于在轨加注站的空间运输系统规模分析

针对基于在轨加注站模式的空间运输系统,分析了其执行地球空间任务、载人月球探测任务、载人小行星探测任务和载人火星探测任务时采用的不同空间运输系统组合,对比了反推减速和气动减速两种方式,得到了具体的加注站及其空间运输系统的规模和数量需求。结果表明基于在轨加注站的整个空间运输系统规模和在轨加注规模有限,数量可控,可实现性强,利用两个加注站和有限数量的空间转移运载器就能满足多种空间探测任务的需求。     

载人飞船推进剂剩余量在轨直接测量技术

在载人航天工程交会对接任务中,基于对载人飞船推进剂剩余量在轨实时高精度测量需求的背景,采用理论分析和试验验证相结合的方法,研究了剩余量直接在轨测量技术原理、影响测量精度的因素及解决措施等问题。研究表明,在轨推进剂剩余量直接测量系统方案具有易于实现,测量精度高,同时能够实时、直观反映系统中各贮箱推进剂消耗情况等特点。     

低温推进剂在轨零蒸发贮存研究进展

采用低温制冷机与低温贮箱耦合的方式,可以实现低温推进剂在太空环境下的零蒸发贮存。从系统分析、机理研究及试验研究三个方面对低温推进剂零蒸发贮存技术的现状进行了综述,阐述了现有的系统分析方法、理论分析模型及零蒸发试验方案,可为低温推进剂空间贮存的发展提供参考。     

基于月球借力的低能DRO入轨策略

在地月空间的远距离逆行轨道（DRO）部署月球轨道站可显著降低月球开发成本,并可作为未来小行星探测和载人火星任务的跳板。月球轨道站的在轨建造和货物补给任务中,提高航天器入轨质量是重要问题。从地球至DRO的转移轨道可以采用弱稳定边界（WSB）转移轨道降低入轨脉冲,但是直接抵达WSB需要较高的火箭发射脉冲。研究了基于月球借力的弱稳定边界DRO入轨策略,首先通过“近月点庞加莱图”和“v无穷匹配”获得较好的轨道初值,接着采用“多步打靶”在星历下对转移轨道进行修正,上述方法有效提高了该类型转移轨道的计算效率。对于共振比2∶1的DRO轨道,总脉冲最优解的地球发射脉冲3.127 km/s（与直接抵达WSB相比降低60～70 m/s）,飞行总时间102.88 d,DRO入轨脉冲仅需66.1 m/s。     

载人登月地月转移轨道方案综述

在总结国内外月球探测地月转移轨道研究进展与现状的基础上,从整体上研究了地月转移轨道的设计模型及设计约束,分析了不同类型地月转移轨道的特点及适用性。结合载人登月飞行任务特点,讨论了可满足载人登月任务约束的轨道类型及方案,并通过仿真计算和对比现有转移轨道研究结论,分析了不同类型轨道的飞行时间、能量消耗、月面可达区域等特性,提出了应用建议,可为载人登月任务地月转移轨道方案深入研究提供参考。     

载人月球探测轨道设计的挑战与技术发展趋势

轨道设计是载人月球探测工程中的一个重要问题,直接影响工程实施的效果、甚至成败。本文概述了载人月球探测工程中涉及的飞行轨道,指出了轨道设计所面临的三方面挑战,即飞行轨道方案、轨道设计效率、任务全局最优化的挑战;简要介绍了国内外载人月球探测轨道设计的研究进展;提出了当前载人月球探测轨道设计需要重点突破的几个关键技术问题,包括一体化轨道设计与优化、应急任务轨道设计、地月空间任务高鲁棒性轨道设计、月球轨道空间站的轨道设计和地月空间轨道通用设计软件等问题。     

低温贮箱组合绝热材料隔热性能测试试验研究

以聚氨酯泡沫塑料和多层隔热材料组成的组合绝热材料被认为是未来低温推进剂贮箱绝热材料的主要形式。应用典型的量热器法针对以下三个方面开展试验研究:是否在样件中添加泡沫材料;样件中多层隔热材料的层数不同;制备样件时采用不同的预紧力。对比了不同状态的组合绝热材料的绝热性能。试验结果表明:组合绝热材料中的泡沫塑料可直接增加整体结构的隔热能力;随着组合绝热材料中MLI(多层隔热材料)层数的增加,组合绝热材料的热流量呈先减少后增加的趋势;在MLI层数相同情况下,随着预紧力的增加,材料的热流量呈现增加的趋势。试验分析结果可为未来载人月球探测及更远距离深空探测的航天器低温贮箱绝热系统设计提供参考。     

载人火星探测进展及其EDL过程GNC关键技术

随着火星探测技术的不断发展和探测任务的不断推进，载人火星探测在未来将会成为火星探测的重要手段。首先，回顾了无人火星探测任务的发展历程，对比分析了部分无人火星探测器进入、下降与着陆（EDL）过程的参数。然后，结合无人火星探测、载人月球探测和载人航天再入过程，梳理了载人火星探测的特点及需求，系统地总结了前苏联/俄罗斯和美国的载人火星探测研究进展以及技术储备。接着，归纳了载人火星探测的体系构成、集结方式和主要的技术挑战。最后，概括了载人火星EDL过程面临的难题，重点阐述了EDL的导航、制导与控制（GNC）关键技术。     

搭载平动点中继星的载人自由返回探月轨道设计与优化

针对意义重大但目前尚无成功先例的月球背面载人登月任务,通过建立地惯系三体动力学模型,采用微分修正法迭代计算,设计了未来载人登月任务的候选自由返回轨道;通过建立旋转系三体动力学模型,利用"类Halo轨道截面"法,得到了从自由返回轨道以最低能耗转移到L2点halo轨道的拼接轨道。仿真计算结果显示所优化设计的搭载中继星的载人自由返回探月轨道既能满足任务安全要求,又能以最小能耗布设中继星座并提供中继任务支持。设计方法和结果可对未来月球背面载人着陆探测任务安全轨道设计和月球中继星座的设计方面提供参考。     

月球和火星探测任务捕获制动控制技术方案对比

地外天体捕获制动过程是实现载人月球、火星等深空天体探测任务的关键步骤之一,捕获制动控制误差影响极大,捕获效果直接决定着整个任务的成败。对国内外月球和火星天体捕获制动过程的控制技术进行了调研,对捕获制动策略进行了分析和对比,为我国相关探测任务的捕获制动控制系统的设计提供参考。     

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.      

可重复使用运载火箭返回段低温流体行为特性

可重复使用运载火箭在返回段复杂干扰作用下，贮箱内低温推进剂与高温气枕剧烈掺混，造成贮箱压力下降、推进剂温度升高等问题。针对垂直起降（VTVL）运载火箭返回段推进剂掺混及重定位过程开展研究，首次建立了液氧掺混后行为特性仿真模型并通过加速落塔试验进行验证，研究垂直起降运载火箭返回段复杂干扰作用下低温流体行为特性，获得推进剂形态、贮箱压力、推进剂温度及蒸发量等变化规律，为推进剂管理系统及增补压方案设计提供支撑。     

应用于低温推进剂在轨贮存的组合绝热材料综述

研究了应用于低温推进剂在轨贮存的组合绝热材料,包括材料结构、材料选择及其研究进展,总结了其在国外多种运载火箭型号中的应用情况。根据目前常用于组合绝热材料的泡沫材料和多层隔热材料,指出未来我国在泡沫材料发展中应重点向环保和先进的加工工艺方面发展,在MLI材料方面应重点研究反射屏和间隔物的材料选择及每个MLI单元的材料厚度。分析结果可为未来我国深空探测航天器低温贮箱绝热系统设计提供参考。     

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。     

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.      

2015国外载人航天发展综合分析

<正>2015年,国外主要航天国家依据本国国情持续推进载人航天活动,美国完善了载人航天技术顶层规划,俄罗斯继续进行航天机构重组,美、俄新型航天运输系统研制进展顺利;国际空间站延寿至2024年,将继续扮演着技术验证和科学实验平台的重要角色,发挥人类火星之旅的前哨作用;美国商业航天发展快速,未来可承担近地轨道、月球轨道的运输任务;各国深空探测目标与计划更加明确,探测活动取得显著成果。     

基于不同相变模型的微重力液氢贮箱内压力与温度分布仿真预示

受空间热流的作用,相变是低温推进剂在轨压力控制中需要被考虑到的影响因素。为研究液氢贮箱内的流体行为特性,建立了低温流体CFD仿真模型,对于相变过程,基于不同的相变传质理论,建立了四种相变仿真模型。根据NASA开展的AS-203液氢贮箱压力上升试验数据,对封闭贮箱内压力上升和温度分布开展仿真预示,分析了不同相变仿真模型对压力上升和温度分布预示的结果。结果表明,相变模型1和相变模型3得到的压力上升速率和温度场结果与试验结果趋势较为一致。受到算法和适用性的影响,相变模型2和相变模型4对AS-203液氢贮箱的温度预示偏差较大,相变模型4对压力上升的预示偏差较大。