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。     

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%.      

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。     

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。     

低温推进剂双管输送系统循环预冷实验研究

为了抑制火箭发动机中低温推进剂输送管路中产生的间歇泉现象,采用液氮为工质,进行了低温推进剂双管输送循环预冷模拟实验研究。研究了输送管壁不同绝热条件、贮箱增压及气体引射对自然循环预冷过程的影响。通过实验获得了循环管路的循环压差及管路温度分布。结果表明:管壁绝热条件相差越大,循环压差越大;贮箱压力增大,循环压差降低;气体引射的作用不大;双管输送循环预冷系统中的低温流体形成了自然循环,可以有效抑止低温推进剂输送管路中的间歇泉现象产生。     

液体推进剂运载火箭爆炸热过程特性理论研究

建立了液体推进剂爆炸火球成长过程和火球辐射传热理论模型，研究了火球尺寸变化、火球持续时间、火球内部温度、火球辐射传递过程等方面的变化规律，理论预测结果与试验测量结果吻合。还讨论了火球升离地面的临界条件、高空环境对火球直径的影响和火球随风漂移等三方面的问题。     

低温推进剂贮箱压力变化的CFD仿真

为预示低温推进剂贮箱在地面停放阶段的压力变化并研究贮箱内物理过程的相互作用关系,建立了包含液体推进剂和混合气体两相的二维轴对称volume of fluid(VOF)计算流体力学(CFD)模型,并引入了基于热力学平衡假设的推进剂相变模型.对实验液氢贮箱进行仿真得到的压力上升速率与实验结果相差9.1%.通过对地面加压停放阶段下的液氢和液氧贮箱的仿真发现:造成液氢贮箱压力上升的主要因素是壁面漏热对气枕的加热作用,而液氢蒸发影响更小,液氧贮箱在加压停放阶段初期明显受到液氧相变的影响.两个贮箱中液面附近的对流运动在不同的气液传热过程作用下有不同的变化趋势,对流运动会影响推进剂的相变进而影响贮箱的压力变化.      

低温液体推进剂充填管路的数值模拟

研究了低温液体推进剂供应管路预冷充填过程的计算方法, 利用一维均相平衡态流体动力学模型和涵盖预冷过程中主要传热工况的传热模型, 考虑了低温液体推进剂的可压缩性, 用有限容积法求解管流方程, 用有限差分法求解管壁内的一维非稳态导热方程.计算了某型低温液体推进剂火箭发动机实验台系统供应管路的预冷充填过程, 分析比较了仿真与实验的结果, 为发动机和实验台系统的改进及新系统的设计提供了依据, 仿真结果及分析结论已应用于现有发动机实验台系统的改造和长距离液氢输送管道的设计中.      

基于谱方法的管路充填过程仿真

基于一维瞬变流理论,建立了推进剂供应系统管路充填过程数学模型.提出采用Fourier谱方法求解充填管道中液体瞬变流控制方程的新方法.利用坐标变换方法,很好地处理了解算管内气液移动边界时,非线性迭代收敛速度较慢这一难题.对由贮箱、隔离阀、管道组成的系统充填过程进行了仿真计算,并将计算结果与已发表的采用特征线方法获得的结果进行对比分析,表明该方法和仿真结果可信.进一步研究了预存气体压力、贮箱压力、多变指数等影响因素对最大充填压力峰的影响规律.      

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％。     

重型运载火箭动力系统分析

讨论了两种载人登月的动力系统方案,分析了已有重型火箭动力系统的结构和基本参数,以满足载人登月的任务要求为前提,提出了重型火箭箭体结构和任务要求.从性能、经济性、技术难度、工作可靠性等方面综合考虑,提出重型火箭下面级的基本方案.提出了一套重型火箭动力系统,建立了一个运载火箭系列,并对其运载能力进行了计算.经综合分析,提出登月火箭可采用8 m直径的三级半结构,助推级、第一级和第二级均为推力5 000 kN量级富氧预燃室补燃循环液氧煤油发动机,第三级为2台50 t氢氧发动机.      

重型火箭下面级发动机基本参数分析

分析了已有重型火箭动力系统的结构和基本参数,以满足载人登月的任务要求为前提,提出了任务要求以及一套重型火箭箭体结构方案.从性能、经济性、技术难度、工作可靠性等方面综合考虑,提出重型火箭下面级的基本方案,包括推力量级、推进剂以及发动机循环方式的选择.采用面向对象的通用顺序化计算方法,建立发动机系统仿真模型,计算得到9个发动机方案的最高室压及功率平衡参数,分析了燃烧室压强和混合比对发动机性能的影响.经综合分析,建议重型火箭下面级发动机可选择推力4 500～5 000 kN富氧预燃室补燃循环液氧煤油发动机.      

节流制冷对低温贮箱主流液体控温影响分析

为研究低温流体节流特性及冷量引入对贮箱主流体控温影响,首先对低温流体节流干度和体积含气率进行了分析,结果表明质量占比较小的气相占据了大部分空间体积,对流动速率及换热产生较大影响;建立了节流制冷性能测试平台,采用液氮工质开展了节流前压力为0.3～0.37 MPa工况下的减压降温试验,节流前后降温达到了11.3～14.2 K;在集成节流阀孔的热力学排气系统（TVS）系统中,通过节流制冷使贮箱流体产生了平均6.5 K的温降,将贮箱压力控制在150～160 kPa范围;冷量的引入使主流区液体温度持续波浪式降低,气液界面热分层处的降温效果更加明显。     

含硼富燃料推进剂燃烧机理研究

分析了AP包覆硼对含硼富燃料推进剂低压燃烧的影响。通过微热电偶测温和火焰单幅照相技术分别测试含硼富燃料推进剂燃烧波温度分布及燃烧火焰结构；根据气相温度变化的趋势，把该推进剂的气相区燃烧又分为三个子区，并给出了三个子区的厚度，分析了各区温度变化趋势不同的原因。用扫描电镜对熄火表面形貌进行观察，并通过能谱仪进行局部元素分析；该推进剂中断燃烧熄火纵向剖面的实验表明，该推进剂的燃烧表面存在“沉积层”；分析认为该“沉积层”由硼、积炭和少量的三氧化二硼组成，且基本惰性。燃面上“沉积层”的厚度与温度分布曲线中燃面上气相区的厚度基本一致，认为该推进剂的气相反应在燃面上的惰性“沉积层”中进行。