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。     

氢仲-正转化释冷方案及冷量空间利用潜能分析

调研了氢仲-正转化释冷能力及研究现状，介绍了绝热、连续、等温三种转化方式的释冷潜能与工作特征。针对氢空间长期安全贮存，按照转化器布置位置与转化方式，提出四种冷量空间利用方案。研究发现：氢绝热转化在150 K时释冷量最大，为391 kJ/kg；等温转化在110 K时释冷量最大，为394 kJ/kg；连续转化在出口温度大于200 K后，释冷量稳定在491 kJ/kg。所提四种方案中，由于空间排气温度偏低，造成氢仲-正转化潜能无法充分释放，对贮箱绝热性能提升有限。相较于一次绝热转化，在蒸气冷却盘管内连续转化可较充分利用转化冷能，在氢的空间贮存应优先考虑。     

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。     

液体火箭贮箱增压排液过程三种气枕模型的数值对比

针对液氧贮箱氦气增压排液过程,分别建立了零维整体模型、一维分层模型及二维计算流体力学(CFD)模型对气枕物理场的变化规律进行数值研究.零维及一维模型采用经验公式求解气枕与壁面间的换热量,而二维CFD模型通过低雷诺数k-ε模型确定流体与固壁间的耦合换热作用.计算时氦气采用理想气体模型.利用三种模型分别预测了贮箱内气枕压力、气枕平均温度及温度分布规律.计算结果表明:三组结果分布合理,不同模型的结果之间能够互相印证;对于气枕及与气枕接触壁面沿轴向的温度分布,在气枕主体区一维模型与二维模型预测结果基本吻合,而在靠近消能器的气枕上端,两种模型预测值存在偏差;当增压气体入口速度较大时,气枕上端径向温度分层明显,需采用二维CFD模型才能展示气枕物理场分布.      

泵间管气液两相流压力波传播速度数值研究

采用ANSYS CFX热相变模型数值模拟了泵间管气氧和液氧的混合冷凝过程.并应用整体平均两流体模型建立了气液两相流压力波的色散方程,系统研究了泵间管两相压力波的传播速度特性.计算表明:泵间管气液两相波速随空泡份额的增加先减小而后在弹状流区域略微增大,且两相波速随扰动角频率增加而增大.增加液氧流量或降低进口气氧温度,气液的冷凝效果增强,沿管流的空泡份额减小,气液两相波速增大.      

常重力及微重力下液氢膜态沸腾换热预测

以液氢膜态沸腾换热为对象，收集并分析文献中涉及液氢膜态沸腾换热的实验数据。通过充分的对比研究，考核3种典型关系式针对液氢膜态沸腾换热预测的适用性与预测精度，建立可预测微重力下液氢膜态沸腾换热热流密度的数学关系式。研究发现:在地面重力下，加热面几何结构、朝向似乎不会对沸腾换热热流密度产生明显影响，均可采用Breen & Westwater公式预测其传热系数；而重力水平会对膜态沸腾换热产生较大影响，且不同重力下换热热流密度之比与重力比之间满足幂指数的关系；依据该关系式可以求解微重力下液氢的膜态沸腾换热热流密度，预测误差控制在15%以内。      

低温推进剂过冷技术研究

综述了低温推进剂3种过冷方式（换热过冷、抽空减压过冷和冷氦气鼓泡过冷）的过冷机理，并对比分析了其利弊，在地面全过程过冷加注时推荐采用抽空减压过冷对低温推进剂进行冷却.基于热力学理论推导了低温推进剂抽空减压过冷时耗液量、制冷量、抽空时间和泵最低抽速的表达式.研究得出低温推进剂耗液量主要用于自身温降，抵消外部漏热和贮罐材料比热容所占比例很小，如液氢自身过冷、材料比热容和外部漏热所占的相对耗液量分别为10.94%，0.38%，0.098%.推荐采用变物性算法来精确计算低温推进剂耗液量，可降低运载火箭发射成本，提高低温推进剂利用率，与现有公式对比，其相对误差为18%.