临近空间无人机液氢供能系统技术分析

对于临近空间无人机而言,高效的能源动力形式是支撑其实现长航时飞行的关键。经对比,本文认为“机载液氢+氢燃料电池”的供能方案符合无人机长航时和大载荷的发展趋势。针对该方案,综述了供氢工艺流程、机载液氢储罐、氢燃料电池的空气供应流程及水/热管理的技术现状,对供氢子系统中的氢输送方式、液氢储罐结构及材料,以及氢燃料电池子系统中空压机吸气性能、电池散热性能受到高空低压环境的影响开展了技术分析和总结,并对相关技术的发展方向进行了展望,可为后续研究提供一定参考。     

模拟空间环境试验真空获得技术研究

地球周围的大气层密度是随高度而变化的,高度越高空气越稀薄,真空度越高.为了完成运载火箭中某发动机高空运行的地面模拟验,需要进行真空度13 pa下的真空点火试验,该试验的关键技术为真空容器如何获得真空.文章根据气体低温吸附的原理,设计了一套液氢吸附冷板,在现有系统的基础上完成了真空点火试验.     

液氧/液氢缩尺同轴离心式喷嘴试验

为了获得高性能的实用的大尺寸同轴离心式喷嘴的设计参数,分别用九个同轴剪切式喷嘴和九个同轴离心式喷嘴的多喷嘴燃烧室进行了试验,额定推力为10kN,室压为3.5MPa,混合比为4.5～7.5,氢的喷前温度为40～50K。通过试验,获得了每种喷注器的燃烧效率、室压分布、室壁热负荷和稳定性数据,并同以前的单喷嘴试验结果进行了比较。测量数据比较一致,并明显地显示出同轴离心式喷嘴和同轴剪切式喷嘴在燃烧特性方面的不同。     

液氢空化流动特性研究

对液氢空化流动的实验数据进行了统计分析,数值计算了大范围温度变化下液氢空化流动的变化特征。结果表明采用的数值计算方法计算结果与实验数据吻合良好。随着温度变化,液氢空化流动存在两种空化行为。当温度低于转捩温度时,空化行为的变化受液/汽密度比控制,空穴面积随温度的增加而增加;当温度高于转捩温度时,空化行为的变化热力学效应控制,空穴面积随温度的增加而减小。空化数和来流速度越大,转捩温度越高。     

低温推进剂重定位推力幅值及时序优化

为了减少重定位时间及推进剂消耗量,提升低温末级的机动性及运载能力,采用流体体积函数(VOF)方法开展重定位推力幅值及时序优化研究,分析重定位过程推进剂质心高度、平均动能、卷气率以及平均气泡直径的变化规律,以获得不同推力幅值及推力时序下的重定位时间和推进剂消耗量。结果表明：小推力重定位时间长,推进剂消耗量少;而大推力重定位时间短,推进剂消耗量多。通过合理优化推力时序可以有效减少重定位时间及推进剂消耗量。     

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。     

运载火箭用典型低温密封材料

主要介绍了液氢液氧条件下的几种典型密封材料,如橡胶材料、塑料材料和金属材料等,及其在长征系列运载火箭上的应用情况.     

液氢推进剂预冷却空气涡轮冲压发动机性能模拟

为提高常规空气涡轮冲压发动机性能并扩展工作范围,加入液氢预冷系统,使用液氢作为预冷剂及推进剂,建立了使用液氢作为燃料的预冷空气涡轮冲压发动机性能计算模型。在给定航迹和调节计划下计算并分析了高空高速、低空低速下发动机的性能。仿真结果显示加入预冷器、使用液氢作为燃料可以极大的扩展ATR发动机的工作范围,并在整个飞行包线内极大的提高了ATR发动机的性能。     

氢涡轮泵转子非线性振动

弹性支承设计应该满足临界转速与工作转速间离和转子定心两方面要求。试验和分析结果表明，眼位器的非线性效应使临界转速增大，可能使临界转速与工作转速靠近，此外还可能诱发转子次谐波振动，因此限位器不适于氢涡轮泵转子定心设计。