低温推进剂空间管理技术研究进展与展望

本文介绍了低温推进剂的性能优势与空间管理挑战，梳理了低温流体空间管理(CFM)技术特征及其研究现状，建议按照重力依赖型与重力无关型分类开展技术成熟度提升研究。调研了美国逾半个世纪的CFM技术搭载实验研究历程，分析了各类平台的工作特性与性能优势。基于我国航天发展现状与未来需求，探析了我国开展CFM技术攻关、飞行搭载实验的可行方案。建议在我国载人空间站规划舱内低温技术实验柜与舱外暴露平台实验模块，加速我国CFM技术向工程应用的转化。     

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.      

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.      

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。     

GMM旋转超声加工系统的部分耦合式非接触 电能传输设计与补偿

非接触电能传输是旋转超声加工系统的重要组成部分。对于传统的完全耦合式非接触电能传输系统,完整的原边磁芯与自动换刀系统结构上的干涉影响了超声刀柄的自动换刀。建立了部分耦合式非接触电能传输模型,依据模型设计出电能传输的原、副边结构和线圈参数,并对其进行了电学仿真。为提升电能传输的效率,对部分耦合式非接触电能传输的电学补偿进行了研究。针对一种使用超磁致伸缩材料(Giant Magnetostrictive Material,GMM)的旋转超声加工系统,结合其电学特性设计出电路补偿网络,试验验证了部分耦合式电能传输及其补偿的有效性。研究表明,由于结构问题造成原、副边线圈间的漏磁较多,部分耦合式的电能传输效率和系统输出振幅均稍小于全耦合式的电能传输方式,但是通过合理的电学补偿方式完全可以满足超声加工的要求。对于GMM旋转超声加工系统,采用单边串联补偿方式能够在简化系统设计的同时,保证较高的电能传输能力。     

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。     

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。