低温推进剂在轨贮存与管理系统方案研究

为解决空间恶劣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,低温推进剂在轨贮存与管理系统应具备绝热、贮箱压力控制、推进剂管理、热量转移及制冷等功能。以载人月球探测任务、载人火星探测任务中低温轨道转移级为背景,阐述了低温推进剂在轨贮存与管理系统的方案:低温贮箱采用泡沫+多层隔热材料复合结构、基于碳纤维复合材料的V20型杆系连接支撑结构、可充填式启动篮推进剂管理装置等方案;载人月球探测任务中低温轨道转移级压力控制可采用推进剂沉底排气方案;对于载人火星探测任务,低温轨道转移级压力控制可采用热力学排气方案,并采用低温制冷机主动制冷。     

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。     

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。     

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。     

新型多层绝热材料组合包覆工艺及其绝热性能

在深空探测过程中,利用多层隔热材料是降低低温推进剂蒸发量的主要隔热方式。但多层绝热材料其结构较为复杂,加工、安装和使用条件都非常特殊,决定了其在深空探测应用中具有一定的难度。本文首先从工艺特性的角度,通过与常规包覆方法进行对比,对多层绝热材料在贮箱表面的组装工艺进行探究,采用尼龙搭扣带、胶钉枪开发了一套效能高、经济性好的新型固定方法,通过高真空测试平台对该多层绝热包覆工艺进行测试并分析其绝热效应的影响。结果表明:使用该包覆工艺成型的多层绝热组件当量热导率可以达到1. 1 mW/(m·K),且具有较小的漏热量,系统稳定性好。     

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。     

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.      

低温贮箱连接支撑结构优化设计

低温贮箱间的连接支撑结构是导致贮箱漏热的主要原因之一。采用低热导率的材料、减小结构与贮箱连接部位的接触面积可以减少低温贮箱间的漏热。对低温贮箱连接支撑结构设计进行了初步研究,分别设计了V型和X型杆系连接支撑结构,给出了结构设计的基本参数,并对每种构型的强度、连接结构的热流量和失稳情况进行了分析;在相同质量的情况下,对壳段连接支撑结构也进行了分析,对比了杆系和壳段两种结构形式的总热流量,指出:杆系结构的总热流量更低,杆系连接支撑结构形式更优。     

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。     

低温推进剂贮箱压力变化的CFD仿真

为预示低温推进剂贮箱在地面停放阶段的压力变化并研究贮箱内物理过程的相互作用关系,建立了包含液体推进剂和混合气体两相的二维轴对称volume of fluid(VOF)计算流体力学(CFD)模型,并引入了基于热力学平衡假设的推进剂相变模型.对实验液氢贮箱进行仿真得到的压力上升速率与实验结果相差9.1%.通过对地面加压停放阶段下的液氢和液氧贮箱的仿真发现:造成液氢贮箱压力上升的主要因素是壁面漏热对气枕的加热作用,而液氢蒸发影响更小,液氧贮箱在加压停放阶段初期明显受到液氧相变的影响.两个贮箱中液面附近的对流运动在不同的气液传热过程作用下有不同的变化趋势,对流运动会影响推进剂的相变进而影响贮箱的压力变化.      

低温贮箱被动在轨非连接支撑结构力热特性仿真分析

针对低温贮箱连接支撑结构的承载及漏热问题,分析新型在轨非连接支撑结构(PODS)的原理,并对该结构不同工作状态进行了力、热特性仿真分析。力学特性分析结果表明:载荷小于700 N时,PODS为非接触状态,依靠在轨管传递载荷;载荷大于700 N时,PODS变为接触状态,依靠发射管传递载荷,接触状态下结构整体刚度和模态频率显著提升。热传导分析结果表明:热流传递路径与传力路径基本相同,非接触状态主要由在轨管传递热量,接触状态主要由发射管传递热量,非接触状态漏热量比接触状态减少约20%。     

低温推进剂双管输送系统循环预冷实验研究

为了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,采用液氮为工质,进行了低温推进剂双管输送循环预冷模拟实验研究。研究了输送管壁不同绝热条件、贮箱增压及气体引射对自然循环预冷过程的影响。通过实验获得了循环管路的循环压差及管路温度分布。结果表明:管壁绝热条件相差越大,循环压差越大;贮箱压力增大,循环压差降低;气体引射的作用不大;双管输送循环预冷系统中的低温流体形成了自然循环,可以有效抑止低温推进剂输送管路中的间歇泉现象产生。     

短壳绝热面积对液氢贮箱绝热性能影响

基于计算流体动力学(CFD)方法研究了典型5 m直径液氢贮箱在短壳未包裹绝热材料、50%面积及100%面积包裹绝热材料3种情况下对贮箱内液氢蒸发特性的影响。数值计算基于流体体积(VOF)模型计算两相流,基于Lee模型计算气液界面传质率,考虑了短壳包裹泡沫表面及未包裹泡沫的暴露表面结霜对漏热的影响,构建的数值模型及界面传质计算具有清晰的气液界面,准确地捕捉到了液氢液面的变化。结果表明:短壳是液氢贮箱漏热的主要因素,对液氢蒸发率影响起重要作用;相对于短壳未绝热,50%绝热使得液氢贮箱气相平均温度从110 K下降到32 K,绝热面积占比增加到100%时,气相平均温度下降到约23 K,绝热改善效果相对降低;比较短壳绝热面积占比从50%增加到100%与从0增加到50%对相对蒸发率影响,前者差异较小,仅降低24%,而后者差异明显,下降了409%。研究结果指导了液氢贮箱绝热结构的优化设计。     

流向/周向曲率对加力尾部双层壁隔热屏冷却性能影响

为了得到流向/周向曲率对双层壁隔热屏冷却性能的影响规律,基于加力燃烧室尾部圆转方双层壁隔热屏弯曲型面的工况条件,建立了两组共6种不同流向曲率半径和5种不同周向曲率半径的双层壁隔热屏冷却模型,采用三维流热耦合数值模拟方法对流向和周向曲率半径对双层壁隔热屏冷却性能的影响进行了研究,得到了双层壁隔热屏气膜冷却表面的综合冷却效果、冲击靶面的Nusselt数Nu、气膜冷却表面的单位面积冷却气量等的变化规律。结果表明,随着正流向曲率半径的增大,综合冷却效果先增大后减小,变化幅度达3.18%,冲击靶面Nu先减小后增大,单位面积冷却气量增大,增大幅度达9.78%;随着负流向曲率半径的增大,综合冷却效果先减小后增大,变化幅度为6.56%,冲击靶面Nu先减小后增大,单位面积冷却气量减小,减小幅度达15.82%;随周向曲率半径的增大,气膜冷却表面的综合冷却效果先减小后增大,变化幅度为1.04%,冲击靶面Nu减小,单位面积冷却气量减小,减小幅度为3.48%;相比于周向曲率半径对双层壁隔热屏冷却性能的影响程度,正流向曲率半径的影响程度为3倍左右,负流向曲率半径的影响程度为6倍左右。相比于周向曲率半径,流向曲率半径的变化对双层壁隔热屏冷却性能的影响更强烈。     

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。     

多层隔热结构研究进展

多层隔热(MLI)结构在高真空环境下具有极低热导率,主要用于太空环境下飞行器和大型燃料贮箱的隔热.本文对MLI结构的隔热原理、选材、制备工艺及应用等进行了综述,简要介绍了国内外MLI结构的研究进展和发展趋势,提出进一步改进MLI的性能是我国实现飞行器长期在轨运行和深空探测的重要研究方向.     

新一代运载火箭贮箱大温差泡沫夹层共底研制

系统研究了一种铝合金面板/聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)泡沫夹层结构低温贮箱共底的结构设计、关键制造技术及结构性能,该贮箱共底成功通过了气密试验、低温打压及隔热性能等试验考核,单底内压0.54MPa,低温打压煤油箱压力0.40 MPa,氧箱压力0.47 MPa,共底面板不皱损、不失稳,煤油温度不低于17℃。研制的夹层共底能够满足大温差(约210℃)、轻质化和发射前无需抽真空隔热等的使用需求,为我国新一代运载火箭成功研制奠定了技术基础。     

孔径比与冲击距对冲击/发散冷却隔热屏冷却性能影响

为了获得孔径比与冲击距对冲击/发散冷却层板隔热屏冷却性能的影响,采用商用软件Fluent,基于加力燃烧室隔热屏的工况条件,对7组不同孔径比和7组不同相对冲击距的冲击/发散层板模型进行了三维流固耦合传热数值模拟研究,得到了层板隔热屏内部被冲击表面的Nu数、层板隔热屏气膜冷却表面的冷却效果、层板隔热屏的冷气消耗和冷流体热负荷的变化规律,其对层板隔热屏的设计具有参考价值。结果表明,Nu数与冷却效果均随着孔径比的增大而增大,随着冲击距的增大而减小。其中随孔径比增大,平均冷却效果值最大增大40.5%,随冲击距增大,平均冷却效果值最大减小3.27%。     

基于AMESim的隔舱式贮箱推进剂管理仿真研究

通过多学科动力学建模方法研究,利用AMESim建立了隔舱式贮箱推进剂输送系统机械、液流与控制动力学模型,并对不同工况下推进剂输送系统动态特性进行数值仿真,获得了隔舱式贮箱推进剂动态变化、各个隔舱 的推进剂消耗率及质心位移等结果.仿真结果显示隔舱总体布局与初始容积分配、隔舱连通结构、飞行轨迹等均对隔舱式贮箱推进剂动态变化产生影响,所建立的模型可应用于隔舱式贮箱总体及结构设计.      

推进剂贮箱先进焊接工艺研究进展

搅拌摩擦焊和变极性等离子弧焊作为新兴的铝合金焊接工艺,已在国外的推进剂贮箱上获得广泛而成熟的应用,但在我国,其工程应用仍属起步阶段。基于推进剂贮箱结构焊缝特点、受载状态和焊接工艺特性来选用焊接工艺是制定我国新型运载火箭推进剂贮箱焊接工艺方案的基本原则。