低温推进剂长期在轨压力管理技术研究进展

从被动防隔热技术、混合控压技术、TVS排气技术、主动制冷技术等四个方面对国外低温推进剂蒸发量控制方面的研究状况进行了分类和总结。调研结果表明:(1)采用MLI材料对贮箱进行绝热处理,可将蒸发损失率降低至1.0%/天,当采用VDMLI时,可进一步降低推进剂蒸发量损失;(2)增大喷射器喷射流体速度可有效破坏箱内热分层实现控压目的;(3)很小的过冷度就可以保证低温推进剂较长时间在轨无损储存;(4)喷雾棒型热力学排气系统比传统热力学排气系统能够更有效地实现低温贮箱的压力控制。本文工作可为我国深空探测低温推进剂管理提供技术参考。

低温推进剂在轨加注技术与方案研究综述

为了探究适用于低温推进剂在轨加注的相关技术与方案,通过文献调研与对比分析,介绍国内外在轨加注技术的研究现状,梳理低温推进剂在轨加注的关键技术,研究现有加注技术与方案对低温推进剂的适用性,并提出我国开展相关研究的思路与方向。研究表明:1)气液分离、蒸发量控制、质量测量和流体驱动循环等技术是直接影响推进剂在轨加注系统结构与加注性能的关键技术;2)低温推进剂具有沸点低、表面张力小等特殊性,对气液分离、系统热防护等技术的性能要求更高;3)表面张力式气液分离、纤维镜或射频质量检测、多层隔热材料、热力学排气系统(TVS)以及无排气加注等先进技术方案对低温流体和微重力环境均具有更好的适用性,将成为实现低温推进剂在轨加注的关键突破口。

甲烷-乙烷混合推进剂深度过冷技术的实验研究

针对甲烷采用液氮过冷可能发生甲烷冰堵风险,提出了在甲烷中添加乙烷,制备凝固温度更低的甲烷-乙烷混合推进剂的新方案,搭建实验系统测试了甲烷-乙烷凝固温度变化规律。研究发现,随着甲烷含量提高,混合推进剂凝固温度先降低后升高。当甲烷、乙烷比例为0.71∶0.29时,混合推进剂达到最低凝固温度,约73.0 K。当采用常压饱和液氮对混合推进剂过冷时,控制甲烷含量在0.52~0.81间可避免推进剂冻结。相较于常压饱和甲烷,防冻结区的混合推进剂密度提高了24.0%~38.4%,液相存在温区增大至35.7 K~40.5 K。此外,甲烷-乙烷混合推进剂具有理论比冲高、再生冷却性能佳、结焦与积碳小等优势。所提出的甲烷-乙烷混合推进剂在火星探测等任务中具有可观的应用前景。

过冷低温推进剂的性能优势及其应用前景

针对处于沸点温度以下过冷低温推进剂的特点,以热力学原理分析了过冷低温推进剂的性能优势及其获取方式,其热力学性能相对于饱和状态会有显著改善,如提高密度、降低气化压力和增加单位体积显冷量。在介绍了国外过冷低温推进剂研究与应用的基础上,讨论了我国的研究现状和应用前景。理论分析和初步地面试验结果表明,过冷低温推进剂作为航天燃料应用于航天运载工具之中优势明显,可显著增加有效载荷,降低发射成本,延长深空探测任务时间,但对于实际应用中可能遇到的技术难题,应作进一步的深入研究。文中的研究结果对未来中国开展过冷低温推进剂的研究和应用具有一定的借鉴和参考意义。

低温推进剂蒸发量控制试验研究进展与展望

通过对美国马歇尔空间飞行中心(MSFC)及其合作单位在1990—2012年间所做有关低温推进剂蒸发量控制方面的试验进行回顾,分别从被动防绝热材料绝热性能测试、喷雾棒型热力学排气系统(TVS)控压试验、采用制冷机的主动冷却控压技术以及其它有关蒸发量控制技术方面对美国20年间所做试验研究进行了分析与总结,对美国未来空间探测低温流体管理计划进行了展望。

低温推进剂管路预冷沸腾换热特性研究综述

为探究低温推进剂预冷管路过程中非稳态两相流动与换热特性,通过文献调研与对比分析,综述了该领域研究进展。分类总结了影响预冷沸腾的主要因素,梳理了数值模拟研究结果,探讨了现有流动沸腾关联式对低温推进剂预冷沸腾过程的适用性,并整理了微重力下低温流体预冷沸腾相关实验研究。研究表明:1)低温流体预冷沸腾可用典型沸腾曲线逆向描述,换热特性与两相流型分布与常温流体流动沸腾相比存在一定差异;2)质量流速、流动方向、工质物性等是预冷沸腾过程流动与换热特性的主要影响因素;3)传统流动沸腾换热关联式不适用于低温流体预冷沸腾换热研究,需进一步拟合低温流体预冷过程关联式。通过梳理低温流体预冷沸腾理论研究和实验进展,提出了开展相关研究的思路与方向,以期为低温推进剂的安全高效加注提供参考和理论依据。

低温推进剂热分层研究

通过详细分析热分层产生的机理,阐述了低温流体热分层所引起的流体温度分布、气液界面现象以及箱体压力增加过程。对有关流体热分层的试验研究以及数值模拟的文献进行了整理;对不同低温流体工质、箱体初始设置参数及尺寸参数、箱体形状、壁面曲率大小、壁面是否加肋片以及箱体晃动旋转等对热分层的影响进行了分类总结;对不同热分层数学物理模型进行了系统对比。介绍了不同重力水平下,流体流动状态与热分层的关系。归纳了有关热分层现象的一些重要结论,阐明了我国在该领域开展研究的必要性。最后指出低温流体热分层对推进剂箱体优化设计及安全运行的重要意义。

低温推进剂地面加注系统冷量利用方案分析

为了降低低温推进剂损耗,提高利用效率,降低发射成本,提出了4套运载火箭低温推进剂地面加注系统的冷量利用方案。基于热力学原理,建立了非稳态数学模型,并以能量品质高低作为衡量方案优劣的标准,通过实例计算对比分析了各个冷量利用方案的可行性。研究得出4套冷量利用方案从热力学角度出发都是可行的,其中方案A和方案D最优,方案A可应用在目前现有低温推进剂地面加注系统中,而方案D则可应用于未来重型运载火箭低温推进剂地面加注系统之中。

低温推进剂加注系统置换介质的相似性分析

为了研究新一代航天推进系统低温推进剂加注系统的气体置换流程特性,采用数值模拟的方法,对置换介质的流动过程进行了模拟和分析,重点考察低温液体增压罐的工作压力、气路调节阀开度对于系统中流动状态和流量及压力调节的影响,并分别以氢、氮作为介质对系统内的流动特性进行计算,分析置换过程中流量调节的氮氢相似性。结果显示,氮气置换系统所得的流量压力调节规律与氢气置换系统在影响因素和变化趋势方面是相似的;但是,在相同的液体储罐增压工作压力和调节阀开度下,氢气系统内的最大流速可达氮气系统内最大流速的5倍,考虑到氢气系统的安全性要求,精确的流量调节策略还需要根据实际氢的置换测试结果来进行确定。

低温推进剂网幕通道式液体获取装置性能研究进展

本文针对空间在轨系统中纯液相推进剂获取与传输困难问题,概括分析了现有适用于低温推进剂的空间气液分离技术。针对网幕通道式液体获取装置(liquid acquisition device, LAD),从泡破压力、装置总压降损失、装置性能优化等方面梳理了近年来的相关理论知识体系与实验结果。研究表明:1)网幕泡破压力基本随网幕编织密度增加而增大;2)相比于地面工况,微重力条件下网幕通道式LAD工作压损更小,对应具有更大的临界质量流率,能够满足更大质量流率的推进剂获取与传输要求;3)降低流体温度或采用不凝性气体(如氦气)增压均可有效提高网幕泡破压力,达到优化LAD气液分离性能的目的;4)荷兰斜纹网幕 Dutch Twill(DT)450× 2 750 兼顾了泡破压力高和临界质量流率大的共同要求,是未来液氢贮箱LAD网幕的优先选择。

火箭升空低温推进剂出流特性仿真研究

运载火箭升空期间,确保主发动机工作时不夹气的液体推进剂足量供应至关重要。本文针对升空过载下火箭燃料箱出流装置的工作特性与设计要求,建立CFD模型,就不同工况下输送管出现气体时对应的剩余液体量进行数值仿真与对比研究,研究因素包括:出流口是否采用锥角过渡、出流口上方是否布置隔板及隔板几何结构、出流口设置过滤器等。结果表明:采用锥角过渡,可显著降低不可用液体推进剂,最佳锥角约为30°;布置隔板有利于低温推进剂纯液相供给,且存在最优的隔板高度和长度;球壳型隔板可使不可用推进剂进一步减少约0.25%;出流口设置过滤器可拦截固体杂质及大气泡进入输送管;相较于液氧,液氢表面张力维持气液界面稳定性的能力更差,对出流结构的优化设计要求更高。

低温氮气/液氮射流冷凝振荡特性实验研究

为了探索火箭低频振动特征及其机理,以液氮为工质开展气液掺混射流冷凝的可视化低温实验研究,通过高速相机成功捕捉到了直管段内的低频振荡流型,且利用低温高频动态压力传感器成功测量到了低频压力脉动特性,为火箭低频振动问题提供了事实依据。通过逐帧图像处理技术发现,氮气/液氮相界面以16 Hz的频率周期性波动,与压力脉动主频一致。射流冷凝振荡表现出3种不同流型:间歇回流、过渡流和气羽振荡流。间歇回流频率随着气体流量和液体质量通量的增加而增加,冷凝振荡频率随气体流量的增大而增大,随液体质量通量的增大而减小。整体上间歇回流频率为0.8—2.8 Hz范围,冷凝振荡频率为16.6—17.8 Hz范围,皆表现为典型的低频特性,为低温液体燃料火箭低频振动问题提供了理论基础和技术支撑。

在轨激励作用下低温推进剂动力学行为仿真研究

针对全尺寸低温在轨贮箱,建立了可描述两相流体运动的数值模型,分别就10-3g0过载下初始液位倾斜、侧向正弦波、慢旋等激励作用下流体的运动特性开展了瞬态仿真,并讨论了防晃挡板的作用效果。研究发现:(1)当经历变过载时,初始倾斜液面达到新的平衡,耗时不超过80 s;当倾角较大时,挡板可对液面恢复稳定起加速作用。(2)对侧向激励,当液位处于挡板附近及以下时,无论重力高低,挡板总能起防晃作用。此外,作用效果随液位升高呈线性下降,在同一激励下,2.6 m液位工况时挡板抑制液面晃动幅度约2.6 cm,而3.2 m液位工况时仅为0.3 cm。(3)侧向激励作用时,氢、氧的响应不同。氢的晃动振幅可达6.5 cm,占最大允许值的43.3%,而氧振幅为4.0 cm,仅占16.0%。而液位倾斜与慢旋激励时推进剂类型不同不造成流体行为的明显差异。(4)侧向激励与慢旋均可能使贮箱底部暴露于气枕,应在推进剂管理中加以考虑并进行限制,合理设计角速度。本文工作有助于理解低温推进剂贮箱在多种空间激励下的流动运动规律,为流体控制方案及火箭时序的设置提供理论指导。

不同低温推进剂的泄漏扩散特性及安全性分析

针对航天推进剂在实际生产应用中可能因泄漏导致的安全性问题,运用数值模拟分析了低温液态工质泄漏后的传热传质过程,考虑气液相间速度滑移和体积力的影响,对比研究了流量为0.07 kg/s的情况下泄放100 s的过程中,液氢/液态甲烷/液氧的扩散形态变化及其危害范围。结果表明,泄漏10 s左右时,扩散至平衡状态,云团形态基本维持不变;100 s停止泄放后,云团不断收缩变小,氢气、甲烷和氧气4%体积浓度的云团消失时间分别为107 s、104 s和107 s。在扩散远场,氢气向上浮羽角度为18°,远大于甲烷的6°,而氧气始终在近地表扩散。氢气的燃爆伤害远远高于甲烷,燃爆体积分别为74.74 m3和0.53 m3;氢气的低温伤害体积最大,为2.33 m3,而氧气对地表的低温伤害范围最广,为3.64 m2。

典型低温推进剂的热力学性能参数评估

近年来,低温推进剂在火箭推进领域得到了广泛应用,针对液氧、液氢以及液甲烷等低温推进剂的研究也得到了深入开展。然而,有关低温推进剂热力学性能的研究虽有开展,但各种推进剂性能的特点和差异缺乏研究,对低温推进剂的热力学性能缺乏综合性分析研究和系统认识。统计了1960年以来火箭推进剂的使用以及按照火箭级应用分布情况,对低温推进剂在火箭推进领域的应用与发展进行系统性综述。从低温推进剂的基础热物理性质出发,面向航天推进应用,对不同低温推进剂的动力特性、传输特性、贮存特性以及致密化特性4个方面进行综合评估。结果表明:液氢推力特性最好,氢氧发动机理论比冲可达457 s。相同管路和工况条件下,液氢流动阻力最小,液氧流动温升最小,液甲烷流动阻力和温升特性表现居中。以管长为10 m、管内径为0.1 m的加注管路为例,液氢流动压降小于5 kPa,液氧流动温升小于0.5 K。在地面停放过程中液氧和液甲烷温升小,贮箱增压慢,同时液甲烷热分层现象较弱。对于高5 m、直径3 m的圆柱形贮箱来说,当外界热流密度为50 W/m^(2)时,液氢温升可达4.83 K,液氧仅为1.93 K;液氧贮存周期可达36.5 h,液氢仅为5.5 h。而液甲烷发生热分层所需的临界热流最大,为14 W/m^(2),相对而言液甲烷贮存性能最佳。采用过冷致密化技术能够改变推进剂应用性能,对其动力、传输和贮存特性会产生显著影响,当贮箱体积维持不变,采用深度过冷技术(液氢和液甲烷达三相点温度)可使液氢/液氧、液甲烷/液氧燃料的相对载荷能力分别提升8.66%和6.89%;液氧、液甲烷和液氢的无气化贮存周期分别延长达322.82、354.67%和285.45%,但黏度增加会使得流动阻力增加41.36%、15.42%和18.64%。总体看来,对推进剂过冷致密化处理后,其动力特性和贮存特性明显提升,传输特性有所降低。

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运行工作过程中的关键技术与相关结论。最后,基于低温推进剂在深空探测中大规模应用的需求,提出了中国在低温推进剂贮箱TVS压力调控方面的发展规划。

液氮温区低温气体引射器的设计及实验研究

采用低温流体提供冷量时,由于热负载的波动,低温液体蒸发量和腔体内部压力会随之变化,为保持其稳定,设计了一种用于液氮温区的低温引射器,可有效地将饱和氮气从储罐中引出。介绍了低温气体引射器的设计方法并开展实验研究,发现随着工作压力和引射压力的升高,出口压力和引射比不断升高。

内角钝度对微重力下液体推进剂毛细流动特性的影响

表面张力驱动下的内角流动理论为空间液体管理装置的设计提供重要支撑,其动态流动过程中的液体流量、流速、液面位置等参数是决定液体管理性能的关键因素.在实际应用中,受到加工条件的限制或为了提高机械承载能力,内角尖端通常存在一定的钝度.采用理论分析与实验验证相结合的方法,定量分析了钝度对内角流动特性的影响规律.结果表明,在钝度一定的条件下,液面运动距离与时间的1/2次方始终保持近似正比关系,且钝度越大毛细流动的速度越低.通过基于磁补偿原理的微重力模拟流动实验,初步验证理论模型的正确性.并将理论模型应用于以液氢和液氧为代表的低温推进剂的表面张力输运过程,发现不同条件下的流量变化规律,为低温推进剂表面张力式液体管理装置的设计提供重要基础数据.

低温精馏模拟实验平台的研制

针对目前低温精馏多采用小型低温制冷机作为冷凝器冷源而难以满足工业应用中大规模处理精馏原料的问题,提出将大型低温制冷机应用于低温精馏的方案,设计并搭建了一套基于逆布雷顿循环的低温精馏模拟实验平台,同时满足了冷凝器、再沸器和冷屏的负载模拟要求,解决了回收再沸器冷量过程难以模拟的问题。对模拟实验平台进行了测试,可在20 K温区为冷凝器提供约600~1200 W的制冷量,回收再沸器的冷量,并为冷屏提供500 W以上的制冷量,透平膨胀机效率均在70%以上。本文结果验证了大型低温制冷系统应用于低温精馏技术的可行性。

低温氢气爆炸实验腔体预冷过程研究

为了深入研究低温条件下受限空间内的氢气火焰传播规律及爆炸波特性,设计了爆炸腔体并对其预冷过程开展了研究。实验腔体采用双层结构,通过通入低温氮气来实现腔体预冷,以此保证低温氢气/空气预混气温度维持在设定实验温度。基于热力学基本理论,采用稳态法,建立了腔体预冷过程数学模型,分析了保温层与腔体壁厚对预冷过程的影响,探究了预冷介质流量对预冷时长、介质消耗量的影响规律。研究发现,保温层厚度达到30 mm时环境漏热显著降低;相较于10、5 mm壁厚工况,3 mm时预冷时长分别降低了70.11%、39.01%,消耗量分别降低了70.12%、39.00%;增大预冷介质流量,可以有效缩短预冷时长,但预冷介质消耗量的变化幅度不显著。