微重力下低温贮箱内推进剂相变仿真模型研究

低温推进剂具有沸点低、易汽化的特点,相变是低温推进剂长时间在轨蒸发量控制问题中需要考虑的首要影响因素。相变模型对低温推进剂蒸发仿真起到重要作用,构建合理的相变模型成为低温流体蒸发量仿真重要的研究方向。基于4种相变理论,采用FLUENT软件二次开发的方法,建立基于相平衡和非平衡理论的4种相变模型,开展微重力下液氢推进剂蒸发的数值模拟,并与国外探空火箭试验进行比较和验证。研究结果表明：比较4种相变模型对贮箱内压力升高速率预示的准确性,得出了适用于微重力下低温推进剂仿真的相变模型。     

低温贮箱热力学排气系统建模及仿真分析

针对低温推进剂在轨贮箱蒸发量控制问题,建立低温贮箱热力学排气系统自增压和压力控制仿真模型,综合考虑贮箱封头气枕壁面模型、贮箱柱段气枕壁面模型、贮箱液体壁面模型、液相模型、环境模型、气液界面模型、气枕模型以及贮箱壁面液相-气枕壁面液膜模型等仿真模型,模型包含固体节点、气枕节点以及液体推进剂节点,通过对热力学排气系统J-T排气阀、换热器以及排气系统的耦合计算可得到相应的仿真数据。通过对NASA MHTB试验平台50%充灌率的试验进行仿真计算,结果表明,整个热力学排气系统运行过程的仿真数据与美国MHTB试验平台数据相吻合,可为低温推进剂在轨贮存仿真计算提供支撑。     

低温推进剂长时间在轨的蒸发量近年技术进展

低温推进剂特别是液氢和液氧组合是目前性能最高的化学推进剂,也是NASA未来月球、火星探测乃至更远距离的深空探测的首选推进剂[1].但低温推进剂长时间在轨应用主要受限于低沸点的推进剂受热蒸发所带来的贮箱压力控制[2]和蒸发损失等一系列问题,其核心是低温推进剂的蒸发量控制问题.本文从被动防护和主动制冷等方面对国外低温推进剂蒸发量控制技术的研究进行了分类归纳,并对低温推进剂蒸发量控制技术进行了总结和展望.     

NASA低温推进剂长期在轨贮存与传输技术验证及启示

液氢/液氧低温推进剂被认为是目前进入空间及轨道转移最经济、效率最高的化学推进剂,但其沸点低,低温推进剂长期在轨蒸发量控制及贮箱压力控制等成为核心技术难题。结合国内外研究情况,分析了美国近年来低温推进剂长期在轨贮存与传输关键技术及地面试验,重点探讨了主动制冷技术、大面积冷屏技术及其他被动热控技术相结合的技术方案,给出了低温推进剂长期在轨贮存与传输技术的未来发展趋势。     

低温推进剂输送管路热动力排气系统研究

为了实现低温推进剂的长期在轨贮存,保证推进剂从贮箱到发动机的液态供应,拟采用热动力排气系统(Thermodynamic Vent System,TVS)来实现推进剂的热管理。以单位长度液氧管路为例,阐述了热动力排气系统的原理,进行热动力排气系统孔板及TVS管路设计、在轨贮存时间计算、TVS管路排放量计算以及排放量影响因素分析。     

筛网通道液体获取装置压降模型及试验研究

为满足空间发动机及在轨推进剂流体传输中液体不夹气的要求，贮箱中需要设置推进剂管理装置，实现气液分离及液体获取。筛网通道液体获取装置是利用表面张力实现气液分离的装置。研究了地面环境下筛网通道液体获取装置压降模型，针对不同的液柱高度和流量开展计算，并通过地面出流试验对模型进行了验证。     

低温末级滑行过程中贮箱压力仿真分析和控制

根据长征八号（CZ-8）火箭二级浅箱起动飞行任务剖面的新特点,需要准确预示并控制在微重力、大气枕容积条件下低温贮箱内的压力变化规律。通过建立箭体姿态控制和低温两相流体力热耦合的贮箱压力仿真计算模型,对滑行过程中低温贮箱内推进剂晃动、气液之间的换热和蒸发冷凝过程进行仿真分析,获取了准确的氢箱气枕压力变化规律。同时提出了滑行段低温贮箱压力多专业协同耦合设计和控制方法,支撑了浅箱二次起动任务的顺利实施,并在飞行试验中得到了验证。     

待机过程中氧化剂贮箱压力计算方法

导弹待机过程中利用推进剂加注前、后末修贮箱的温度、压力参数，结合国外已使用的N2O4推进剂在15℃时氮气溶解度曲线数据，计算出加注过程中的氮气溶解量；根据氮气分压初值，用迭代方法计算出推进剂贮箱在任一温度下的压力，为判断贮箱是否泄漏提供了依据。     

轴向柱塞泵空化时气相动态演进过程及影响

针对轴向柱塞泵在工作过程可能出现的空化现象进行研究。目前使用的稳态流体模型在计算流体属性（密度和体积弹性模量）时没有考虑气体演进的动态特征。针对此问题,提出一种动态流体模型,该模型考虑液压油中气体（空气）的动态演进过程,包括气体的产生、消解以及在不同控制体积之间的输运和分布。应用此模型到轴向柱塞泵的压力流量特性仿真中,分析了气体影响泵特性的内在机理。分析结果表明：稳态流体模型会低估空化对泵出口流量和压力的影响,而动态流体模型从本质上揭示了空化时泵出口流量压力脉动的增加以及平均流量的降低是因为气相对流体可压缩性的改变。     

可重复使用的轻重量低温推进剂贮箱设计的分析研究

可完全重复使用的运载火箭及在大气层中超高音速飞行的决定性技术是研制可重复使用的轻飞行重量的低温推进剂贮箱。本文介绍了对三种低温贮箱结构方案的研究分析结果(每种结构都悬挂在一个碳-碳航空壳结构中)。第一种贮箱方案是蜂窝夹芯结构,夹芯中间保持真空进行绝热。第二种贮箱方案是整体加强蒙皮结构,采用低密度的、密封槽式低温泡沫进行绝热。第三种贮箱方案是非加强蒙皮结构,采用和第二种方案相同的泡沫绝热。评估了各种设计参数对贮箱重量的影响。贮箱结构主要根据气垫压力、液体静压力和空气惯性载荷的要求来确定。但也要考虑与推进剂的兼容性、断裂力学、热应力、最小蒙皮厚度约束条件及极限温度。本文还介绍了一些设计曲线,这些设计曲线反映了几种不同的设计参数对贮箱壁厚度的影响。利用这些设计曲线作为基本运载火箭可重复使用的轻飞行重量低温贮箱结构的分析工具。分析结果表明,压力稳定的、非加强蒙皮的、极限温度为400℉低温绝热铝贮箱,对于大多数的设计条件来说其重量是最小的。     

废弃推进剂改善无烟煤燃烧的热重-红外实验研究

采用热重?红外(TG?FTIR)联用技术研究废弃推进剂与无烟煤混合试样的燃烧特性,以10 K·min~(-1)的加热速率将不同配比的推进剂?无烟煤混合物从室温加热至1300℃,分析热分析曲线获得热力学参数,采用Satava?Sestak积分法计算氧化反应动力学参数,并进行红外光谱的同步分析。结果表明,将废弃推进剂加入到无烟煤中,随着推进剂含量的上升,热分析曲线向低温区移动,无烟煤固定碳的着火温度由560℃降至383℃,燃尽温度由676℃降至616℃,综合燃烧特性指数由2.36E?8升至1.27E?7,反应表观活化能由165.6 kJ·mol~(-1)降低至91.2 kJ·mol~(-1);红外光谱结果显示,随着推进剂掺混量增加,热氧化标志性气体产物CO_2、CO波峰向低温区移动,表明废弃推进剂对无烟煤的氧化和点火燃烧过程具有促进作用。     

火炬式电点火系统点火能量的正交试验研究

点火技术研究是实现低温液体火箭发动机多次启动的关键,而点火能量研究是确保点火可靠的前提。基于所设计的低压式点火系统方案,给出点火系统所能释放能量的计算过程;运用正交试验法探究氧入口压力、氧入口温度、氢入口压力、点火系统推进剂总流量以及点火室混合比等因素对点火能量的影响规律与影响趋势。结果表明：点火室流量对点火能量的影响程度最大,氢入口压力对点火能量的影响程度最小;随着氧入口温度、氢入口压力和点火室推进剂流量的增大,点火能量均呈增大趋势;随着氧入口压力和点火室混合比的增大,点火能量均呈减小趋势。     

常温及低温容器充放气模型研究

为了寻求一种可准确、高效计算容器充、放气过程的方法,进而满足液体火箭动力系统工作时序设计的要求,基于开口系能量方程、理想气体状态方程以及不同流动状态下的质量流量方程,利用集总参数法编制了计算程序.利用该程序分别对一个常温氮气瓶的充、放气过程以及一个以氮气为增压介质的液氧贮箱放气过程进行了计算模拟.计算结果表明:该模型对常温容器的充放气过程有较好的计算精度;对于低温液氧贮箱来说,由于容器内存在热分层现象,放气降温过程带来的氮气相变以及压力降低后氮气从液氧的逸出等原因,使得该模型计算存在一定偏差.     

适应长期在轨的低温推进剂集成管理模块仿真研究

低温推进剂集成管理技术是面向未来火箭上面级长期在轨、多次启动任务的新技术手段。以上面级在轨滑行5天的奔月任务为背景,采用AMESim仿真平台搭建低温推进剂集成管理模块系统模型,开展滑行段工作过程仿真。仿真结果表明低温推进剂集成管理模块内组件工作占空比作为组件重要工作特征及工作参数,随姿控、电池充电等低温推进剂集成管理模块工作阶段变化而变化。     

引射循环预冷回流低温贮箱流动与传热特性研究

运载火箭贮箱内部流动与传热特性与火箭息息相关,中国新一代运载火箭氧系统普遍采用引射循环预冷技术。介绍了低温动力系统引射循环预冷过程中低温贮箱内涉及到主要物理过程,采用基于自由界面追踪的VOF模型,研究了引射循环预冷回流低温贮箱内气液两相流动与传热特性。结果表明:地面状态循环回流气液两相流对贮箱内相分布、温度、压力和速度具有显著影响,并进一步讨论了引射循环预冷工程优化原则,为相关工程应用提供指导。     

膏体冲压发动机输送及调节技术试验研究

为了分析膏体冲压发动机的输送及调节特性,从发动机工作原理出发设计了推进剂输送及调节试验系统,针对所采用的膏体富燃料推进剂开展了试验研究。研究结果表明,在发动机工作条件下膏体富燃料推进剂的流动特性与幂率流体非常接近,可采用幂率流体层流流阻计算公式对试验管路内的流动损失进行估算,误差小于3%。通过增压压力较小的调节可获得较大的推进剂流量变化,具有调节系数大的特点,调节的响应时间随着推进剂粘性的增大而增大。     

用状态空间分析法预测推进剂贮箱压力随时间的变化

本文介绍以落压方式工作的推进剂供应系统的时间响应分析。供应系统是用在星际宇宙飞船上的泵压输送推进系统的组成部分,因此,供应系统必须能提供足以防止推进剂泵产生汽蚀的压力。系统包括贮箱、液体推进剂、增压气体-推进剂蒸汽混合物以及分隔液相-汽相的膜层,用质量和能量守恒原理进行分析。作为一个初始值问题对热力学状态变量的共轭非线性常微分方程组进行积分,求得总压、推进剂蒸汽压、推进剂液体温度、膜层温度、推进剂蒸汽/增压气体温度、推进剂蒸汽的质量以及推进剂液体的质量随时间的变化,从而推算出泵的有效净正抽吸压头(NPSH),以确定用落压方式工作的泵压输送系统原理的可行性。     

低温贮箱回流消能器结构设计及优化

为有效耗散低温贮箱回流推进剂的动能,根据预冷回流的工作环境,设计出了莲蓬状回流消能器。对氧箱和氢箱回流消能器内、外流体的流动特性进行模拟计算,给出在不同工况条件下的迹线、压力场和速度场的分布,得出了回流消能器的局部流体阻力系数,并对氧箱回流消能器的结构参数进行了优化。研究结果证明,莲蓬状回流消能器特殊的结构形式能够提高预冷回流液体能量分布的均匀性,有效降低回流造成的扰动。     

液氧全过冷加注在新一代运载火箭加注工作中的应用价值

针对全过冷液氧在新一代运载火箭加注工作中的应用价值进行分析,得到液氧全过冷加注能够有效控制贮箱内液氧温度、防止输送过程产生两相流、保证加注平稳,亦将简化发射场的发射加注流程,减少贮箱内的蒸发损耗和自动补加的次数,缩短加注时间,提高加注可靠性,对当今液氧加注系统设计和今后航天低温推进剂加注具有实用意义。     

液体火箭用氢/氧泵诱导轮的抽吸性能

为了减小贮箱压力,要求火箭发动机的涡轮泵能够在低贮箱压力下工作。为此,涡轮泵通常在主叶轮前带有一个诱导轮。因此正确地预测诱导轮汽蚀性能很重要。迄今对在超低温推进剂,诸如液氢、液氧等中工作的诱导轮净正抽吸压头(NPSH)的预测做了不少研究,然而对不同超低温推进剂和不同尺寸诱导轮之间NPSH的预测方面的研究却很少。本文主要涉及这个问题。二个不同的诱导轮,一个用于液氢,另一个用于液氧,用液氮作工质进行试验,第三个诱导轮在不同的转速、流量系数和温度用液氢作工质进行试验。这三个诱导轮的NPSH都是在不同的流量系数下测定的。本文对液氢和液氮的汽蚀热力效应进行了比较,在液氢试验中所得的NPSH测量值和通过液氮试验所得数据所预测的值相当一致。