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。     

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。     

相分离对NEPE推进剂性能的影响

采用低温贮存及性能测试的方法研究了相分离对NEPE推进剂力学性能、危险性能以及燃烧性能的影响规律。在-20℃贮存条件下,增塑比小于等于2 8时NEPE推进剂存在相分离,相分离程度随增塑比降低及低温贮存时间增加而增大。发生相分离以后,NEPE推进剂的低温力学性能下降并且最大伸长率的波动幅度增大;NEPE推进剂的冲击感度显著降低,摩擦感度有轻微增加;NEPE推进剂在2 94～8 83MPa范围内的燃速升高了0 3～0 7mm/s。为了稳定NEPE推进剂的性能,应采取有效措施控制NEPE推进剂的相分离。     

提高HTPB推进剂贮存寿命技术途径

以HTPB推进剂应保留值与贮存时间之间的理论关系为依据，研究了氧化剂AP的含量、分解分数、低温分解反应速率常数及HTPB粘合剂体系的氧化反应速率常数对HTPB推进剂贮存寿命的影响，结果表明，氧化剂AP的含量变化对HTPB贮存寿命的影响不大，降低氧化剂AP低温下的最大分解分数和低温分解反应速率常数以及HTPB粘合剂体系氧化反应速率常数均能显著地提高HTPB推进剂的贮存寿命。     

高温高湿条件下复合固体推进剂药柱老化研究

以模拟发动机的复合固体推进剂药柱为研究对象,进行了模拟热带海域高温高湿环境条件下其贮存老化的试验研究,分析了高温高湿条件下氮气密封体系中复合固体推进剂的老化机理,预估了该贮存及老化条件下复合固体推进剂药柱的寿命.     

固体火箭发动机HTPB推进剂力学性能老化研究

为研究某型发动机高燃速端羟基聚丁二烯（HTPB）推进剂在寿命期内的力学性能,选择贮存2 a、5 a、8 a和10 a的发动机推进剂作为研究样本;通过应力松弛试验和3点弯曲断裂试验研究了不同贮存期的推进剂力学性能,结果表明：随着发动机贮存时间的延长,HTPB推进剂的松弛模量逐渐升高,而断裂韧度逐渐降低。     

HTPB推进剂贮存寿命的理论预估

以ＨＴＰＢ推进剂化学老化机理及其氧化反应动力学为依据,导出了推进剂应变保留值与贮存老化时间的关系,由推进剂中氧化剂ＡＰ低温分解反应和ＨＴＰＢ固化体经反应的动力学参数,计算出了在不同应变保留值时的推进剂的贮存寿命。当推进剂的应变保留值在３０％～５０％之间时,其贮存寿命的理论计算值与高温加速老化实验值之间的相对误差小于１６％。     

低温动态加载下老化HTPB推进剂强度准则研究

为获得低温动态加载下老化后HTPB推进剂强度准则,开展了低温动态加载下不同热老化时间后HTPB推进剂单轴与准双轴拉伸试验,根据试验结果获得的力学性能参数,基于双剪强度理论构建了推进剂强度极限线及故障包络线。研究发现:随着温度的降低和热老化时间的延长,HTPB推进剂强度极限线范围变大,即推进剂强度增强;随着热老化时间的延长,HTPB推进剂故障包络线缩小,即推进剂抵抗破坏能力逐渐减弱。研究结果可为低温点火条件下战术导弹药柱结构完整性分析提供数据支持。     

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。     

HTPB推进剂凝胶分解特性与老化性能的相关性

研究了贮存老化过程中 HTPB推进剂凝胶的氧化反应热效应与推进剂力学性能之间的相关性。实验表明 ,HTPB推进剂贮存老化过程中 ,凝胶的氧化反应热效应与推进剂最大强度下的延伸率 ,二者之间存在很好的线性相关性 ,为进一步快速预估 HTPB推进剂的贮存寿命 ,提供了一种样品用量少、快速简便的新方法     

液态甲烷管道预冷过程的仿真研究

低温推进剂液体火箭发动机在推进剂加注时需要进行管道预冷以避免推进剂气化。为揭示管路预冷过程中低温流体的两相流动特性,针对小型液氧/甲烷发动机液态甲烷管道的预冷过程进行了研究。采用Lee蒸发模型,模拟并分析了不同入口流量下的湍流传热过程,得到了管道预冷过程中甲烷的体积分数、温度、压力和速度的变化规律。结果表明：在管道预冷过程中,液态甲烷会发生闪蒸现象,甲烷的温度和压力的变化是影响闪蒸的主要因素;在低流量时,预冷时间与质量流量呈负相关,当质量流量增大到一定程度后,预冷时间趋于稳定值。研究结果可预示容许时间内的最优预冷流量,对提高预冷效率和改进低温推进剂加注过程具有指导作用。     

长期贮存固体火箭发动机安全性评估

为评估长期贮存后固体火箭发动机安全性的变化,对贮存时间为18年的某型固体火箭发动机进行了解剖.测试并比较了经过长期贮存后发动机药柱的力学性能和各种感度,而后进行了长期贮存后推进剂和发动机试件的枪击试验,各种试验项目中均利用贮存期为4年的推进剂方坯进行对比.结果表明:长期贮存后推进剂热安全特性变化不明显,但撞击感度和摩擦感度明显增加并且在枪弹高速冲击下破碎严重,长期贮存后发动机在模拟枪击试验中表现出爆炸倾向,使用安全性大大降低.      

定应变下丁羟推进剂贮存寿命预估

采用高温加速老化法,研究了中燃速丁羟推进剂在受力（１５％定应变）状态下力学性能变化,预体了推进剂的受力与非受力（０％应变）状态下贮存寿命。结果表明：定应变的作用对推进剂的贮存寿命影响较大,推进剂在受力状态下的贮存寿命比非受力条件下的贮存寿命缩短了４年左右。     

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.      

大气中N2O4/UDMH推进剂蒸发特性的研究

正确评估火箭爆炸后残留于地面的有毒推进剂形成的毒气的危害范围 ,关键问题之一是弄清楚渗入泥土中有毒推进剂的蒸发规律。介绍了 N2 O4/ UDMH推进剂在大气中蒸发的实验研究结果以及一种推进剂蒸发速率计算数学模型 ,实验结果与模型计算结果基本一致     

苯乙烯对推进剂力学贮存性能的影响研究

本文用气液色谱法和25℃下单向拉伸,研究高固体含量HTPB推进剂在各种温度下的加速老化.结果表明:推进剂中残留苯乙烯含量与δm(δ表示应力)、εm的变化成对应关系;60℃下贮存外加4%苯乙烯的配方药块,三个月δm升高31.8%,εm下降18.5%;而无苯乙烯配方药块在同样条件下,八个月δm升高26.2%,εm基本不变.经研究找到了苯乙烯挥发是推进剂贮存前期力学性能变化的主要原因,取消苯乙烯的配方可显著改善推进剂的力学贮存性能;本文对苯乙烯在推进剂中的残留量、存在状态及作用机理也作了探讨.     

单推-3推进剂、低铱催化剂推力室特性试验

本文叙述了催化分解推力室采用单推-3推进剂、低铱催化剂的特性试验,其中包括地面试验、高空试验、低温试验、高温试验及湿度试验,并给出了试验结果.     

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。     

不同贮存期固体火箭发动机断裂韧性试验研究

参考金属材料断裂韧性的测试方法,对不同贮存年限的某型固体火箭发动机装药的断裂韧性进行了测试;对试验结果进行比较分析,探讨了不同贮存年限推进剂断裂韧性的变化规律。