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。     

热力学排气系统对液氮贮箱控压特性的影响分析

为研究热力学排气系统(TVS)对低温推进剂贮箱控压特性的影响,搭建了液氮热力学排气技术控压试验平台,开展了混合模式和并行模式下的低温贮箱控压试验,研究了不同控压区间气枕压力及液相温度的变化规律,对并行模式过程中节流特性以及节流制冷量的输入对液相温度变化的影响进行了分析。试验结果表明,在混合模式中由于外部漏热和气枕压力的影响,液相温度呈波浪式上升趋势;在并行模式中,在节流制冷量输入和外部漏热的共同作用下,液相温度停止上升转而下降;在两种模式运行中,液相温度在较高的控压区间比较低的区间变化率大;理论模型能够较好反映试验测试结果,模拟分析得到的液相温度变化率与试验结果基本一致。     

液氢温区直接节流制冷新流程热力学分析

低温制冷机是液氢长期在轨零蒸发贮存的关键技术之一.节流制冷机无低温运动部件,具备系统简单和可连续制冷等优点.本文提出了液氢温区直接节流制冷新流程,拟采用回热式制冷机或者液氢储罐排气冷量为其提供32 K以下的预冷量,有潜力实现快速降温和高效制冷.采用热力学方法对于给定液氢温区10 W的制冷量要求,以等温压缩功为优化目标对...     

热力学效应对低温诱导轮旋转汽蚀影响的数值研究

诱导轮是液体火箭发动机中提高涡轮泵性能的关键部件,而旋转汽蚀是引起诱导轮故障的原因之一。低温液体发生汽蚀时会产生大量的潜热,对汽蚀流动产生重要的影响。利用基于Rayleigh—Plesset方程的混合流体模型,并考虑了汽蚀热力学效应,对诱导轮二维叶栅中的低温旋转汽蚀现象进行了数值分析。计算结果表明,考虑热力学效应时,产生旋转汽蚀的入口压力值下降;低温条件下的温度变化对超同步旋转汽蚀没有影响,而对次同步旋转汽蚀影响显著。     

气体注入压力激励法测量卫星液体推进剂剩余量的热力学模型

通过对气体注入压力激励法测量卫星液体推进剂剩余量系统的详细热力学过程分析,建立了能满足实际测量需求的等温和绝热两种热力学模型,对具体测量模型的选用及相关问题进行了分析。     

姿态控制系统安全阀排放研究

恒压挤压式姿态控制系统一般采用压力调节器对气瓶中的高压气体进行调节,并采用安全阀保证系统的安全。设计时一般保证压力调节器节流口在任何情况下均为临界截面,气体通过压力调节器节流口后压力降低,一般远高于大气压力。由于节流口后气流涡流和管路摩擦的作用,气流在到达安全阀排放口后,仍然为临界流动状态。因此,可以采用收缩喷嘴节流公式计算压力调节器节流口和安全阀排放口的压力和流量参数。根据该数学模型,计算了姿态控制系统安全阀前气体压力和流量,试验结果表明所采用的计算方法可行。     

缓变推力三组元液体火箭发动机喷嘴

本文的研究还不十分成熟。文中介绍了不同状态(液态和气态)两种燃料与一种氧化剂在雾化、燃烧时的混气形成过程方面的一些研究结果,介绍了用作液氧/煤油/液氢火箭发动机(在煤油供应平缓减少直至完全关闭情况下,富氧燃气或富燃燃气在燃烧室中补燃)混合装置的三组元喷嘴的研制开发情况。三组元喷嘴综合了俄罗斯液体火箭发动机(LRE)中广泛使用的两种喷嘴型式:一种是燃料从周边喷注到中心气流中的气液喷嘴,另一种是中心为液喷嘴的气液同轴喷嘴。它们可以各自单独工作和同时工作。由于离心式喷嘴节流强化了非稳态过程中推进剂组元的雾化和混合,使得在节流过程中液体燃料流量可大范围变化;由于阻尼了离心式喷嘴中节流燃料流量的波动,提高了燃烧稳定性。     

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。     

基于压力信号器控制的贮箱地面增压技术应用分析

对基于压力信号器控制的贮箱地面增压技术及其在发射场的实际应用情况进行了介绍分析。常温贮箱射前地面增压时间较为宽裕，一般采用单气路单压力信号器控制增压；低温贮箱射前地面增压时间较短，要求较快的增压速率，一般采用双气路双压力信号器控制增压。贮箱射前地面增压存在压力后效，影响压力后效大小的主要因素包括：增压充气流量qm、增压电磁阀动作响应时间Δt、增压电磁阀后供气管路气体容积Vg。发射场实际应用过程中，通过调整供气管路上节流孔板大小控制增压充气流量，使贮箱增压压力后效满足要求。针对压力信号器失效故障模式，通过设置紧急放气电磁阀和冗余设计,实现紧急放气和冗余备保增压，可以确保贮箱射前增压工作正常。     

相变材料辅助环路热管启动的实验研究

在对蒸发器卜辅助加热和热电制冷器对储液器制冷这两种主动辅助启动措施进行实验研究的基础上,首次提出了一种新的完全被动的辅助启动措施,即采用相变材料控制储液器温度在相变点附近,以便形成启动所需的液体过热度.通过实验验证了相变材料辅助启动的可行性,研究了不同热载荷埘相变材料辅助启动的效果以及该辅助措施对启动后环路热管稳态运行的影响.实验结果表明:相同热载荷下,储液器上外贴相变材料容器后.相变材料的热容明显有利于形成启动时引起蒸气槽道内核态沸腾所需要的蒸发器和储液器间温差,降低了启动时蒸发器的温度升高,减少了启动所需时间.但启动热载荷越小,启动经历的时间将越长,当热载荷小到一定程度,蒸发器和储液器的温度差形成也会存在困难.此时相变材料只能延缓蒸发器温度升高.启动后储液器外的相变材料容器町实现一段时间内的控温.     

运载火箭贮箱增压消能器性能仿真与结构方案分析

为了更好地认识液体火箭贮箱增压消能器的工作过程,为消能器的结构方案设计提供支撑,针对典型的锥型和直筒型消能器的结构形式建立仿真模型,使用稳态方法仿真得到气体在消能器内的流场分布情况和消能器内部结构对压力损失和减速效果的影响。根据仿真结果给出消能器结构方案并进行试验,通过试验结果验证了仿真结果的准确性。结果表明：锥型和直筒型消能器的第一层节流结构是造成压力损失的主要部件;对于直筒型消能器,数值仿真的压降大小与试验结果的相对误差为6.3%;入口高速气流直接流经第一层节流结构比先经过扩容再流过第一层节流结构造成的压力损失更大;直筒型消能器的出口面积利用率随着均流筛网距离的增加有着先增加后减小的特点;样条曲线样式的导流锥能提高消能器的出口面积利用率。对贮箱增压消能器内部流场的数值仿真可以为消能器结构设计提供重要依据。     

膨胀循环发动机推力室传热优化

针对膨胀循环发动机推力室身部燃气侧的内壁增强换热结构和冷却剂侧的冷却通道结构这两个影响推力室身部换热最关键的结构分别进行多种结构下的数值模拟对比。通过分析各结构的模拟结果,得到了能够合理提高推力室身部换热能力的内壁加肋结构和圆柱段冷却通道深宽比的结构特征。     

喷雾冷却系统启动性能的实验研究

喷雾冷却系统是典型的两相回路系统,其正常工作的前提是顺利启动。为了研究喷雾冷却系统的运行特性和性能,搭建了闭式喷雾冷却实验台并开展了相关研究,系统中的关键部件为齿轮泵、喷嘴、加热器和冷凝器等。实验中对喷雾腔内的液滴聚集现象进行了观察,动态测量了系统沿程的压力和温度分布。通过对实验结果的分析归纳出了影响系统启动和运行的关键因素,给出泵、热沉和加热器启动的合理顺序以及启动前喷雾腔内液体积聚状态对启动性能的影响。     

深空探测用低温推进剂贮箱热力排气系统研究

针对低温推进剂长期在轨贮存所面临的贮箱压力升高这一实际问题,热力排气系统(TVS)已被国内外研究学者认为是最具应用前景的贮箱控压方式.通过对国内外不同机构所开展的有关TVS方面的研究进行文献分析,重点梳理了低温贮箱TVS控压实验方面的发展脉络;对比分析了不同研究机构所开展的TVS工况设置与运行性能差异;提炼了TVS运行...     

推力室多孔面板氢发汗冷却传热分析

为了研究氢氧火箭发动机推力室喷注器多孔面板的发汗冷却特性,采用一维非热平衡能量方程模型对其进行了数值传热计算,计算模型考虑了冷却剂氢的变物性和多孔结构内固体与流体之间的对流换特征。分析总结了多孔结构固体导热率、孔隙率、颗粒特征直径和燃烧室热流密度等因素对多孔面板发汗冷却的影响。研究结果表明,选择较高导热率的多孔面板制造材料能够降低燃气侧面板温度和减小面板温度梯度;孔隙率一般在0.1～0.2为宜;随着颗粒特征直径增大冷却剂与多孔结构固体之间的换热能力明显下降,燃气侧面板温度呈先降低后升高的趋势。     

发动机尾焰注水降温数值计算与试验研究

针对火箭发动机尾焰注水流场,组织并实施了火箭发动机系留点火及燃气流场注水降温缩比试验,研究了燃气冲击射流流场和注水作用下两相流场的分布状态以及降温效果。并通过研究在高温高速对流冲击作用下气液两相流的传热和传质理论,在Mixture多相流模型的基础上添加质量和能量源项,建立了多组分气液两相流非定常数值计算模型,通过对比试验结论,结果表明：所建立的数值计算模型具有较高的计算精度和可靠性,能够准确地反映物理现象。利用数值计算模型研究了注水后燃气、液态水和水蒸气三种主要组分在流场中的组成,通过与自由射流对比得到了注水燃气流场的包络线长度与宽度变化,注水对燃气流场降温效果显著。     

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。     

液氧/甲烷发动机推力室肋强化换热技术数值研究

为了提高液氧/甲烷发动机再生冷却通道中冷却剂的吸热效率,同时提高该区域的热防护能力,对带有4种不同肋结构的推力室进行了三维稳态耦合传热计算.分析结果表明,在推力室燃气侧壁面设置纵向肋之后,通过引入等效平均热流密度能够描述带肋发动机推力室壁面的实际换热特征.设置人工粗糙度能够使壁面温度降低85.4 K,但会使压降增大0....     

月球着陆器两相流体回路性能衰退分析与验证

针对嫦娥三号着陆器两相流体回路12个月球昼夜的寿命需求,开展了氨分解导致两相流体回路传热温差增量的分析和试验验证,结果表明寿命末期不凝气体引起传热温差增量不超过2.2 ℃,同位素核热源(RHU)向探测器的供热量减小0.6 W,设备温度整体降低0.6 ℃,对热控系统影响可忽略。根据在轨遥测,寿命周期内,两相流体回路工作在45 ℃~50 ℃时不凝气体引起的传热温差增量不超过1.5 ℃,与地面验证结果吻合较好;经历52个月球昼夜周期内,传热温差在3.5 ℃~4.7 ℃内波动,在轨工作良好。