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.      

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.      

液体姿轨控发动机贮箱自动增压仿人智能控制研究

为研究液体姿轨控发动机自动增压方法,在理论分析自动增压系统性能的基础上,搭建了以孔板为控制元件的自动增压实验系统,采用仿人智能控制策略,开展了基于冷流实验的自动增压性能实验,并通过发动机试验验证,实现了发动机贮箱良好的平稳性、快速性和准确性。研究表明,在增压系统结构和增压气体介质给定的情况下,孔板节流面积、孔板出入口压力比、贮箱初始气垫体积决定了自动增压系统性能;根据发动机试验的推进剂流量需求,分别按推进剂体积流量60%,30%,10%的比例选取3个不同节流面积的增压气体孔板组成并联进气孔板组,同时保证进气孔板组可提供的增压气体最大临界体积流量大于推进剂体积流量（推荐二者比值为1~2.5）、孔板出入口增压气体压力比近似等于临界压力比（对氮气约为0.50~0.60）、贮箱初始气垫体积大于贮箱总容积的1/4,并在贮箱上设置流量为增压气体最大临界体积流量105%的排气孔板,在发动机工作过程中按照仿人智能控制策略自动组配孔板,可有效地提高自动增压性能。     

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。     

差动活塞式热气自增压系统优化设计

为了进行应用于液体姿轨控动力系统的差动活塞式热气自增压系统优化设计,研究了一种基于遗传算法的优化设计方法。该系统由起动药盒、压力放大贮箱、流量调节器、燃气发生器和管道等组成。文中提出了在给定要求、约束和假设条件下进行系统总质量和起动时间的有约束多目标优化任务;建立了系统总质量、轴向尺寸、径向尺寸和系统性能参数的计算模型;采用归一加权法、惩罚函数法以及遗传算法求解了有约束多目标优化问题。根据帕累托前沿解,系统总质量的加权因子在[0.4,1.0]内变化时,可以得到优化结果。为了得到系统参数作为单目标的优化结果,本文进行了系统单目标优化,系统总质量、起动时间、质心漂移、轴向尺寸和径向尺寸各自作为优化目标可分别降低23.17%,34.40%,84.10%,62.28%和4.14%,增压效率可提高0.42%。分析了设计变量对系统参数的影响,结果表明压力放大贮箱气体腔初始体积、液体腔直径和起动药盒固体推进剂质量是影响系统参数的主要设计变量。     

差动活塞式热气自增压系统静态特性仿真研究

为了深入理解液体姿轨控发动机差动活塞式热气自增压系统的特点,依据增压系统平衡条件,采用集中参数法构建了系统的静态特性计算模型,研究了系统主要参数对系统状态和增压性能以及对系统自锁压力的影响规律。研究结果表明:系统增压气体流量朝着推进剂贮箱压力变化相反的方向而变化,起到调节和稳定推进剂贮箱压力的作用;燃气发生器毛细管参数的变化主要对系统增压流量造成影响,与长度相比,其内径变化对系统状态参数的影响作用更大;当压力放大比在设计值附近[-7.3%,+9.6%]变化时,系统稳态工作增压气体流量偏差保持在[-5%,0%]内;流量调节器结构参数的微小变动会引起增压气体流量的较大变化。     

卫星单元肼推进系统轨控过程不确定性研究

以卫星单元肼推进系统轨控过程为研究对象，利用数值模拟手段研究了轨控过程中推进系统贮箱压力、贮箱温度、轨控时长等参数对轨控效果的定量影响，考察了在轨标定推力系数对于轨控模型的修正效果。选取某近地卫星对其轨道控制历史数据进行分析，通过在轨实测数据对轨控模型进行了验证。结果表明，采用在轨标定推力修正系数能够有效地降低轨道控制模型的平均误差，平均误差值从3.615%减至1.924%；通过参数敏感性分析，得出贮箱温度的总体影响不超过0.2%，贮箱压力的总体影响不超过5%。通过对点火时长的影响分析发现，在不同的贮箱压力下，存在一个特定的临界点火时长；轨控时长低于临界点火时长时，贮箱压力的变化将不会被压力传感器识别。针对某低轨卫星，寿命初期箱压1.8MPa时，临界点火时长为8.5秒；寿命末期0.5Mpa时，临界点火时长为319.8秒。     

差动活塞式热气自增压系统优化设计（英文）

为了进行应用于液体姿轨控动力系统的差动活塞式热气自增压系统优化设计,研究了一种基于遗传算法的优化设计方法。该系统由起动药盒、压力放大贮箱、流量调节器、燃气发生器和管道等组成。文中提出了在给定要求、约束和假设条件下进行系统总质量和起动时间的有约束多目标优化任务;建立了系统总质量、轴向尺寸、径向尺寸和系统性能参数的计算模型;采用归一加权法、惩罚函数法以及遗传算法求解了有约束多目标优化问题。根据帕累托前沿解,系统总质量的加权因子在[0.4,1.0]内变化时,可以得到优化结果。为了得到系统参数作为单目标的优化结果,本文进行了系统单目标优化,系统总质量、起动时间、质心漂移、轴向尺寸和径向尺寸各自作为优化目标可分别降低23.17%,34.40%,84.10%,62.28%和4.14%,增压效率可提高0.42%。分析了设计变量对系统参数的影响,结果表明压力放大贮箱气体腔初始体积、液体腔直径和起动药盒固体推进剂质量是影响系统参数的主要设计变量。     

空间站核心舱俯仰机组热设计及在轨验证

为验证核心舱俯仰机组热控设计能满足空间站任务期间任何工况对机组温度的要求,运用I-DEAS/TMG软件,通过仿真分析确定了核心舱俯仰机组所需的加热功率及被动热控措施,预示了极端高温工况下的最高温度。在轨飞行情况表明：（1）俯仰机组飞行温度验证了理论计算的正确性,二者之间的偏差约3.2%,为后续在轨任务的圆满完成提供了保障。（2）喷管受太阳照射面积越大,头部及电磁阀温度越高。在太阳角为60°时,喷管受照面积最大。（3）低温工况下,有推进剂流道的机组头部和电磁阀温度高于8℃,满足高于0℃的指标要求。（4）惯性飞行姿态对俯仰机组而言,属于高温工况。跟以往飞船系列俯仰机组的被动热控设计不同,核心舱俯仰机组被动热控设计保证了电磁阀温度低于40℃,为电磁阀在合适的温度范围内可靠工作提供了保障。     

液体火箭发动机试验台贮箱增压系统数值仿真

在不考虑传热传质的情况下建立了一种简化的贮箱模型, 并采用液体火箭发动机试验台气路系统通用模块化建模与仿真软件对容腔放气过程和某试验台贮箱增压系统在发动机点火工作段的增压过程进行了仿真, 计算结果与分析解和试验结果获得了较好的一致, 验证了软件的有效性和通用性.对两个系统的建模过程表明软件所采用的模块化建模与仿真方法适用于对复杂管网的建模, 在液体火箭发动机系统仿真上具有较好的应用前景.对贮箱增压系统的仿真表明, 合理设计PID控制参数并根据经验预置与额定流量相近的调节阀初始开度, 对于提高增压系统起动过程的平稳性有利.      

Transient simulation of a differential piston warm gas self-pressurization system for liquid attitude and divert propulsion system

In order to obtain the dynamic characteristics of a differential piston warm gas selfpressurization system for liquid attitude and divert propulsion system, a transient model is developed using the modular modeling method. The system includes the solid start cartridge,pressure-amplified tank with liquid monopropellant, liquid regulator, gas generator, and pipes.The one-dimensional finite-element state-variable model is applied to the pipes and the lumped parameter method is adopted for the other modules. The variations of the system operation parameters over time during the startup, steady-state, and pulsing operational processes are obtained from the transient model, and the characteristics of starting time changing with different system parameters are also analyzed. It is shown that the system startup process can be divided into three distinct processes. The starting time monotonically changes with variations of the liquid regulator parameters, first decreasing and then increasing with the mass change of the solid propellant charge of the start cartridge, initial gas cavity volume of the pressure amplified tank and initial gas cushion of the propellant tank. The starting time can be reduced to less than 1.0 s(0.68–0.75 s for the current system). For meeting the deviation requirements of ±10% of the steady-state propellant tank pressure, the positive deviation requirement is assured by the self-locking pressure and the negative deviation can be assured within an allowable maximum propellant tank volume flowrate(1.6 times the design value for the proposed system) for downstream thrusters for a designed system. The results from the simulation are useful as a guide for further system design and testing.     

基于直动电磁阀的气压控制系统仿真研究

基于直动电磁阀的气压控制是结构最为简单的控制系统,为确保其具有稳定、快速的控制输出,应考虑气容延时环节和电磁阀增益等影响因素。文章首先介绍了基于电磁阀的自动气压控制系统结构,分析了系统工作过程;然后在对各功能部件进行理论简化的基础上,给出系统数学模型;其次建立了基于连续系统的仿真结构,就延时环节、电磁阀增益、气源压力等影响因素进行了仿真分析。仿真结果表明,这种简单控制系统仅适用于小容积、低速、低精度气压控制系统,并需要在系统响应快速性和稳定性间进行取舍。     

单组元300N发动机低温试验研究 (“液体火箭推进”专刊)

为探究低温环境下单组元300N发动机的工作特性，揭示影响发动机低温性能的主要影响因素，以300N发动机为试验对象，开展了模拟飞行工况的发动机低温试验。给出了低温试验研究方法，分别从温度差异对发动机性能影响、催化剂活性差异对发动机低温启动特性影响和低温对电磁阀响应特性影响等方面获得研究结果。结果表明，低温是影响发动机低温性能的主要影响因素，-48℃条件催化剂无法完成推进剂的催化分解，发动机发生爆炸；-30℃条件下起活时间为80.5～87.5ms，发动机可正常启动，且启动温度与起活时间成指数关系；催化剂批次差异也对发动机低温工作性能产生一定影响，不同批次催化剂低温起活时间t10的差异可达91ms；低温试验过程中，电磁阀的关闭受到低温推进剂粘性和背压的影响，产生了明显的迟滞现象，延迟时间约100ms，对发动机在轨的精准控制存在一定影响。     

用非线性模型分析气动液阀的启动特性

对气动液阀的启动过程建立了非线性数学模型,分析了尺寸参数和推进剂进、出口压力对该阀的启动特性的影响。计算结果表明：在保证必要的工作寿命的前提下,适当地增大控制腔气孔的直径或增大靠近控制腔的活塞端面直径,降低推进剂进口和出口的压力有利于提高该阀的响应能力。     

基于遗传算法的并联贮箱平衡排放调节方法研究

为了解决双组元推进系统的并联贮箱推进剂消耗不平衡问题,根据气路系统的压力输出特点,提出了一种基于遗传算法的平衡排放主动调节方法。引入多方方程,建立了调节模型,首先使用先进多目标遗传算法NSGA-Ⅱ进行了修正参数的优化选取,然后通过参数优化后的调节模型对预调节参数进行了求解。仿真计算结果与试验数据的对比分析表明,调节前后的压力及调节量等参数的相对误差在千分之五之内,该并联贮箱平衡排放调节计算方法正确、有效。最后,通过算例,分析了贮箱压力及气体容积对平衡排放控制能力的影响,计算表明,推进剂的消耗有益于提高单次平衡排放调节幅度,调节时间主要与调节量及贮箱压差相关。     

液氧/丙烷推力室试验研究

1987～1989年间进行的液氧/丙烷推力室试验研究内容主要涉及点火和启动、燃烧、传热等。目的在于探索液氧/丙烷推进剂的技术关键,为新型液氧/烃发动机论证提供必要依据。使用了两种结构状态的推力室。试验室压2.5～7.8MPa。推力8～25kN(真空)。通过试验,考核了液氧/丙烷推进剂的点火和燃烧性能,验证了丙烷再生冷却的可行性;并与四氧化二氮/偏二甲肼自燃推进剂、液氧/煤油推进剂的试验情况进行了比较。     

一种适合我国在轨卫星液体推进剂剩余量测量的技术方案

比较全面地介绍了适合我国卫星液体推进剂测量的气体注入压力激励方法，对相关应用技术问题进行了分析讨论。该方法可实现推进剂测量误差达贮箱总体积的１％的高精度测量要求，具有很好的开发价值。     

基于自适应模拟退火算法的航空电磁阀优化研究

电磁阀是组成航空发动机数字电子控制系统的重要部件,其响应的快速性是制约航空发动机数字电子控制系统性能的重要因素。根据某型航空电磁阀的设计原理构建了一种电磁阀数学模型,并使用设计参数及实际的试验、试车数据对所建成的航空电磁阀数学模型进行了验证。验证结果显示,所设计的电磁阀数学模型具有较高的动静态的精度,在此基础上,设计了一种基于自适应模拟退火算法的航空电磁阀优化方法,并对电磁阀的线圈匝数、阀芯质量、工作气隙的宽度和模型管直径等4个重要参数进行了优化。研究结果证实,相比于原设计方案,参数优化后的电磁阀开启响应时间缩短了50%,关闭响应时间缩短了45.4%。