低温推进剂长期在轨蒸发量主动控制技术发展分析

为满足深空探测任务要求,基于低温推进剂长期在轨蒸发量主动控制技术的应用需求,对国内外低温推进剂长时间在轨蒸发量主动控制技术研究进展进行了分析,结合国内技术现状对低温推进剂长期在轨蒸发量主动控制关键技术进行了梳理,可为低温运载系统深空探测任务的开展提供参考。     

热力学排气系统压力控制地面原理实验研究

低温推进剂由于其比冲高、无毒无污染,被认为是进入空间及轨道转移最经济、效率最高的化学推进剂,也是未来人类月球探测、火星探测以及更远距离深空探测的首选推进剂。热力学排气技术是解决低温推进剂长期在轨应用蒸发量控制问题的一项关键技术。针对应用于低温贮箱的热力学排气系统(TVS)搭建了地面原理实验平台,采用制冷剂R123为工质,开展了增压、混合喷射降压以及节流制冷3种不同工作模式下的实验研究,分析了不同阶段箱体压力及内部流体问题变化情况,实验验证了热力学排气系统的压力控制效果,与直接排气相比,热力学排气可节省41%的排气损失,该结果可为低温推进剂在轨贮存热力学排气技术的发展提供借鉴和参考。     

失重条件下低温推进剂排放计算

针对CZ-3A系列运载火箭三子级低温贮箱内剩余推进剂排放问题,分别对排放过程中液氢和液氧低温推进剂沿2种不同排放管的流动进行了一维数值计算和分析.计算中认为在排放时沿管路压强降低,从而引起液体推进剂气化,并在管路的某个位置出现气固两相或者全部气化,在计算中,根据不同位置时推进剂的不同状态,分别采用液相、气液两相、气固两相及气相的物理数学模型和控制方程.计算得出了排放的出口参数及排放性能,认为液氢从通道1排放比较好,液氧从通道2排放比较好.为进一步进行排放研究提供了依据.      

基于OpenFOAM的超临界压力下低温射流大涡模拟

为了深入认识低温射流在超临界压力下的流动特性,将真实流体热物性模型写入开源CFD程序OpenFOAM平台中,开发出了用于模拟超临界压力下流动过程的均相求解器。针对液氮跨临界、超临界射流进行大涡模拟,研究了环境条件变化对于低温射流流动特性的影响。结果表明：采用的真实流体模型能够在广泛的温度与压力范围内准确计算流体的热物理性质,在此基础上开发的均相求解器能够准确描述超临界条件下的低温射流,其流动特性主要表现为稠密液体与环境气体之间的剪切层不稳定以及湍流混合,此类变密度射流在湍流充分发展区域同常密度射流一样具有自相似特性;超临界射流相比于跨临界射流具有更高的混合效率以及更短的液核穿透长度;环境温度升高以及环境压力降低均使得低温射流与周边气体之间的密度梯度增加,对剪切层中不稳定波动的发展起到抑制作用,导致了射流液核长度的增加以及扩张角度的减小。     

低温技术在航天航空中的应用进展

低温技术在现代航天航空科学中已获得广泛应用,本文从以下几个方面较全面地讨论了低温技术应用原理并简要介绍了它们在国内外航天航空中的一些重要应用及其进展。1.低温液体液氢/液氧推进剂火箭的特点,应用现状及新一代低温液体推进剂——液氧/轻烃火箭的原理和特点;2.液氢/液氧燃料空天飞机及液氢、液化天然气燃料航空飞机的特性和应用现状;3.低温风洞可在全雷诺数范围内进行气动试验的原理及工作特性;4.低温技术在空间科学中应用的主要领域及所需温度和制冷量范围,各种空间低温制冷方法的特点和应用现状;5.低温技术在再入飞行器冷却、空间环境模拟器、飞行器环境控制系统、生命保障系统等领域中的应用原理和特点。     

带凸肩叶片非旋转状态减振特性试验

设计了一套能够准确施加凸肩接触面正压力的非旋转状态带凸肩叶片减振特性试验系统,并对该系统的设计要求、正压力的加载方案以及试验误差进行了说明.利用该试验系统对不同激振力、不同初始正压力、不同凸肩接触角度和不同凸肩位置下叶片的一阶弯曲振动特性进行了测试,分析了凸肩接触面正压力、凸肩接触角度及凸肩位置等重要参数对凸肩结构减振效果的影响规律.试验结果显示,对一定的激振力存在一个最优的接触面初始正压力使得凸肩减振效果最好;凸肩接触角度和位置使凸肩接触面相对运动越大,凸肩的减振效果越好.      

叶冠涂层材料接触刚度和微动磨损实验

采用能够测量由接触表面微动所导致迟滞现象的实验装置,对带有涂层材料的不同接触方式的实验件进行了接触刚度和微动磨损测试.通过接触刚度测试,研究了激振力幅值、激振频率和接触正压力对接触刚度的影响;通过微动磨损分析,研究接触方式和载荷条件接触表面形态的改变,以及工作时间对接触刚度的影响.通过分析和总结实验结果,阐述了干摩擦阻尼结构微动磨损的防护措施,为提高航空发动机结构部件的可靠性提供一定的理论依据和技术支持.     

火箭发动机涡轮典型结构形式对叶片低周疲劳寿命的影响研究

以某火箭发动机涡轮为对象,研究了涡轮叶片带冠、不带冠、带部分冠及叶片空心等典型结构形式对叶片低周疲劳寿命的影响。结果表明:叶片不带冠可以消除叶片顶部的疲劳损伤,但使叶背根部损伤增大,危险点位于叶背根部,叶片寿命与带冠叶片相当;带部分冠叶片在消除叶顶疲劳损伤的同时,还可以减缓叶背根部的低周疲劳,危险点位于前缘根部,寿命比原叶片高约116%;叶片空心结构可以有效降低叶片的应力应变水平,减缓叶片疲劳的效果最好,空心叶片危险点位于前缘根部,寿命比原叶片高约370%。     

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。     

低温推进剂贮箱增压系统分布参数数值仿真(Ⅱ)增压系统数值模型与仿真结果

在所建立低温推进剂分布参数贮箱模型的基础上,采用液体火箭发动机试验台气路系统模块化建模与仿真软件,对某试验台液氧贮箱增压系统在发动机点火工作段的增压过程进行了仿真研究.仿真结果与试验结果以及经验公式计算结果获得了很好的一致,表明分布参数贮箱模型相对于集中参数模型更为准确全面地描述了低温贮箱内的流动和热分层现象,并表明有限体积模型体系及所开发的仿真软件具有广泛的适用范围和良好的仿真精度,在管路系统仿真领域具有工程应用价值和数值拓展潜力.