过冷度对飞行器贮箱热力学排气系统性能的影响

为了研究低温推进剂贮箱的压力控制特性和热力学排气系统的运行特性,建立了耦合贮箱内流体流动相变过程与热力学排气系统(TVS)的数学模型,对TVS系统运行后贮箱的压力和温度变化进行了仿真计算。在以液氮为贮存工质的低温流体高效贮存平台上,进行了仿真模型的验证。分析了不同液体过冷度对低温贮箱温度和压力控制特性的影响。研究发现,在相同的在轨贮存周期内,对于饱和状态的液氢和液氧,TVS只有在排气模式下才能实现低温贮箱的压力控制,而对于过冷状态的液氢和液氧,TVS只需进行混合模式运行便可实现低温贮箱压力控制,且TVS混合运行时间随液体过冷度的增加而减少,16 K液氢时TVS的运行时间(546 s)相比于20 K液氢(663 s)减少了17.6%,78 K液氧时TVS的运行时间(2 760 s)相比于90 K液氧(16 469 s)减少了83.2%。过冷液体与气枕的混合可以实现低温流体在轨贮存过程中的零排放。     

航天飞机外贮箱的防冰措施

美航宇局担心:当航天飞机竖在发射台上或在爬高期间,主发动机低温推进剂外贮箱的表面上可能结冰并随后脱落,从而会损伤轨道器上的脆弱的热防护瓦。为防止外贮箱表面结冰,航宇局正在做两项工作:一是检验外贮箱突出部的隔热系统:一是设计一种液氧捕集和排除系统,这部分液氧是在发射准备期间从贮箱内排出的。外贮箱的绝大部分表面都已充分隔热,但在突出部以及同轨道器和两台固体火箭助推器的连接点上,隔热还有问题。目前已选出一种合适的隔热材料,并正在进行风洞试验,以检查该项隔热设计在气动力学方面是否满足要求。液氧通过位于贮箱顶部旁边的排气孔排气。在航天飞机三台主发动机并联点火试验期间,发现排气孔结冰。正在研究两种捕集排气系统:一种是装在贮箱顶部下方的“环形”装置:一种是能从四面八方捕集气体的所谓“耳套”装置。不论选择那种系统,在发射准备期间,都要利用发射塔架上的一根新摆动杆把该系统固定在一定位置上,并在射前约两分钟除去。     

碳纤维复合材料贮箱内压和低温承载行为研究

碳纤维增强聚合物复合材料具有轻质高强的优异特性,是液氢液氧燃料贮箱的理想材料。然而液氢液氧燃料贮箱在服役时要承受极低温度载荷,复合材料贮箱箱体的低温结构可靠性尚未可知。开展了碳纤维/环氧复合材料缠绕贮箱结构在温度和内压载荷下的变形及损伤研究,分别进行了常温/低温抗渗漏测试,结合应变测量、声发射监测、氦质谱检漏等方法分别研究了内压以及低温工况对复合材料贮箱的应变分布及损伤泄漏状态影响机制。研究结果表明,封头与圆筒区域交界处易产生应变集中,低温载荷导致复合材料局部小幅度基体损伤及纤维/基体界面脱粘,但并未影响贮箱箱体承压性能和气密性。本研究可为未来大型航天器减质设计提供参考。     

双喷管发动机

双喷管发动机象双喉部、双膨胀发动机一样,在先进的天地运输系统中得到验证。改进的航天飞机和全新火箭亦得益于这些先进的发动机。本文将对单燃料、双燃料以及双喷管发动机在设计方面所取得的进展作一总结。双喷管发动机的推进剂为:液氧/煤油/液氢、液氧/液丙烷/液氢、液氧/液甲烷/液氢、液氧/液氢/液氢、液氧/液甲烷/液甲烷、液氧/液丙烷/丙烷以及四氧化二氮/一甲基肼/液氢,发动机推力为889.6～2980.3kN。     

典型低温推进剂的热力学性能参数评估

近年来,低温推进剂在火箭推进领域得到了广泛应用,针对液氧、液氢以及液甲烷等低温推进剂的研究也得到了深入开展。然而,有关低温推进剂热力学性能的研究虽有开展,但各种推进剂性能的特点和差异缺乏研究,对低温推进剂的热力学性能缺乏综合性分析研究和系统认识。统计了1960年以来火箭推进剂的使用以及按照火箭级应用分布情况,对低温推进剂在火箭推进领域的应用与发展进行系统性综述。从低温推进剂的基础热物理性质出发,面向航天推进应用,对不同低温推进剂的动力特性、传输特性、贮存特性以及致密化特性4个方面进行综合评估。结果表明：液氢推力特性最好,氢氧发动机理论比冲可达457 s。相同管路和工况条件下,液氢流动阻力最小,液氧流动温升最小,液甲烷流动阻力和温升特性表现居中。以管长为10 m、管内径为0.1 m的加注管路为例,液氢流动压降小于5 kPa,液氧流动温升小于0.5 K。在地面停放过程中液氧和液甲烷温升小,贮箱增压慢,同时液甲烷热分层现象较弱。对于高5 m、直径3 m的圆柱形贮箱来说,当外界热流密度为50 W/m²时,液氢温升可达4.83 K,液氧仅为1.93 K;液氧贮存周期可达36...     

局部隔热层制造技术

局部隔热是指弹(箭)上某些部位如小整流罩、导管、电缆插座、连接及转换接头等部位需要进行的局部隔热。它既是对贮箱、发动机隔热的补充,又是保证液氢、液氧正常输     

一种新型的环形液氧贮箱

美国鲍尔宇航系统集团目前正在研制一种结构紧凑的环形液氧贮箱,这种贮箱可使下一代轨道转移飞行器的地球同步轨道有效载荷运送能力达到7700公斤,而航天飞机的固体惯性上面级（IUS）只能把2300公斤的有效载荷送入这一轨道,一次性运载火箭宇宙神-半人马座以及     

氢爆炸事故十四例

液氢作为火箭推进剂的燃料,在国际上早被广泛使用。美国航天飞机为主发动机提供动力的推进剂就是54m~3液氢和145m~3液氧。我国从60年代开始研制和使用液氢液氧发动机,长征三号运载火箭的第三级就使用了这种高能低温液氢液氧火箭发动机。氢的易燃易爆特性是其安全使用最主要的危险。国内外在其生产、贮存、使用、发射等过程中,都曾     

美国人马座氢氧火箭增压系统

液氢、液氧推进剂是目前已经应用的化学推进剂中能量最高的推进剂。采用液氢、液氧推进剂的氢氧火箭的比冲要比采用常规推进剂的火箭(简称常规火箭)高40％以上。例如,大力神Ⅱ火箭采用常规推进剂混肼50和四氧化二氮,其第二级火箭的比冲在常规火箭中是较高的,为310秒;而人马座氢氧火箭的比冲可达到447秒,航天飞机所用氢氧火     

美国航天工业核心能力的特征

航天工业的实力彰显一个国家的军事、国防和经济实力。长期以来,美国一直是世界上航天工业最发达的国家之一。2011年9月14日,美国国家航空航天局（NASA）公布了研发大推力火箭的新计划,新火箭将借鉴航天飞机使用的液氢液氧发动机、燃料箱以及升级后的航天飞机固体燃料助推器。     

美国航天飞机铝合金外贮箱的制造技术

通过对美国航天飞机外贮箱主制厂马丁·马丽埃塔公司的考察,介绍了铝合金外贮箱的生产程序、工艺装配流程、焊接工艺、焊接设备、焊接夹具、焊接质量保证方法及可变极性等离子弧焊新技术。并就美国铝合金大型贮箱焊接技术作了综述。     

航天飞机的衍生方案

美国从1971年正式开始研制航天飞机。这种航天飞机由一个轨道器、一个外贮箱和两台固体助推器组成。近年来,为了改进航天飞机的性能,提高其有效载荷能力,使它能完成更多更复杂的任务,已提出了几种新的改进方案,现分别介绍如下:     

简讯

获得的理论性能极限大大地提高一步.日本目前侧重于使用这种发动机来推进单级入轨航天飞机和常规的垂直发射运载火箭.LACE基本上是一种氢/氧火箭发动机,它在飞行过程中使用液态空气作为氧化剂.据认为这些发动机可以提高运载火箭的比冲,因为它们省去了常规火箭助推器所必须携带的庞大液氧贮箱.贮箱重量的减少意味着可以放宽发动机的重量要求.     

新一代运载火箭增压技术研究

随着新一代运载火箭研制的开展,新型120t级高压补燃液氧煤油发动机将得到广泛的使用,该发动机采用的推进剂贮箱增压系统设计被列为新一代运载火箭研制的重大关键技术之一。在对国内外主要液体运载火箭增压方案进行分析的基础上对120t级液氧煤油发动机的贮箱增压系统进行了研究,提出了液氧贮箱采用压力传感器与电磁阀组合的常温氦气加温增压,煤油贮箱采用压力传感器与电磁阀组合的常温氦气增压方案,并针对液氧贮箱采用常温氦气加温增压的方案开展了理论分析和全尺寸系统级试验研究。理论分析和试验结果表明,该增压方案可行。     

发动机试验液氧贮箱放气系统动态特性研究

在液氧/煤油火箭发动机地面试验中,为得到液氧贮箱放气系统放气流量与放气阀门动作的响应特性,从而控制箱压的下降速率,验证液氧煤油发动机在低入口压力条件下的工作适应性,对液氧贮箱放气系统的动态特性进行了研究。建立了液氧贮箱二维计算模型,结合试验数据,对低温贮箱内气枕空间的非稳态换热过程进行研究,确定放出气体温度以及相应状态。应用CFD的动网格技术,建立二维计算模型,对放气系统阀门的开关动态特性与过流流量特性进行综合分析,获得了不同通径放气管路的放气流量与箱压的计算关联式,基于理想气体状态方程,完善了箱压计算理论模型。应用该模型量化分析箱压下降速率,为计算箱压控制的准确时间节点提供了操作参考。     

液氢贮箱停放过程中的力热分析

为了寻找到运载火箭长时间停放过程中液氢贮箱的最经济液位，用于制定合理的发射流程以及紧急处置方法，采用计算流体力学(CFD)技术，对某型运载火箭停放期间液氢贮箱的力、热情况进行了仿真计算和分析。计算选用了VOF(Volume-of-fluid)两相流模型以及Lee相变模型，为了提高Lee模型在不同压力情况下对相变过程的模拟精度，采用安托因方程修正了该模型。修正后的模型首先由试验数据校验了其精确性，随后开展的液氢贮箱停放过程仿真结果表明：贮箱的竖直方向与径向均存在温度分层的现象，液相内会形成大的漩涡，该漩涡会使得冷热流体不断进行热交换，并导致贮箱内部的液氢出现气化。贮箱停放期间蒸发率最大值超过2 m 3/h，发生在停放4 h左右；而贮箱液位充填至37 m 3以上或17 m 3以下时蒸发率较低，最小值接近1 m 3/h。     

联合技术公司的无人载荷运载新方案

联合技术航天设备公司提出了一种无人载荷运载器(UPC)方案,它用航天飞机的三台主发动机、两个固体火箭助推器推进。运载器和助推器都装在航天飞机外贮箱上,主发动机和电子设备装在运载器尾部。     

美国航天飞机将改用轻型外贮箱

今年12月（也可能推迟到明年），美国奋进号航天飞机将升空执行任务编号为STS88的首次国际空间站组装任务。这次飞行将首次使用一种新型外贮箱。由于重量比原有型号轻了3．4吨，这将使航天飞机的有效载荷能力也相应提高3．4吨。新型外贮箱将使用铝一理会金。这种合金同原来的铝     

国外氢氧发动机的火舌点火器

液氢、液氧推进剂为非自燃燃料,需要一个外部点火能源。国外氢氧发动机,如美国研制的 RL10A3-3、J2、航天飞机主发动机、欧洲的阿里安火箭第三级 HM-7试验推力室以及日本H-1火箭第三级的 LE-5发动机等,均采用     

液氧贮箱增压过程研究

采用数值模拟方法对液氧贮箱增压过程进行研究.贮箱内流场采用流体体积函数（VOF）多相流模型考虑,选择标准双方程k-ε湍流模型分析湍流效应,气液两项之间的热量、质量转移通过自定义程序（UDF）求解.获得了贮箱压力、排液流量、气垫温度、液氧温度对贮箱内流场温度分布的影响.计算结果表明,在稳定增压过程中,贮箱液面无扰动,贮箱内温度分层分布;各参数变化时,对贮箱内温度分布的影响主要是温度梯度的变化,并且各工况下液面附近和扩散器附近温度梯度基本相同.