运载火箭共底贮箱加注过程非稳态温度分布数值模拟

以液氧和煤油为推进剂的新一代运载火箭,承力式共底贮箱结构一方面可以缩短整个运载器长度,改善运载器长径比,二能取消液氧贮箱与煤油贮箱间的箱间段,减轻结构质量。但要求共底夹层需要良好的隔热性能,同时承受煤油箱和液氧箱双向压力载荷。获得加注过程共底夹层的温度非稳态分布是分析夹层隔热和应力性能的基础。基于CFD方法,模拟了液氮加注过程,共底贮箱包括液氮贮箱和煤油贮箱以及共底夹层,从室温到加注完成的非稳态温度分布。数值模型考虑了贮箱表面可能结冰时的热边界条件变化以及由于壁面漏热导致的液氮/氮蒸气相变蒸发。为了防止煤油局部温度过低,重点分析了叉形环处包裹或未包裹PMI绝热材料对煤油温度场和液氮蒸发率的影响。计算结果表明,叉形环处包裹绝热材料时在自然蒸发阶段煤油局部最低温度小于240 K,而未包裹绝热材料时局部最低温度大于260 K,满足设计要求。仿真结果为液氧和煤油共底贮箱的优化设计提供参考。

国外单层共底贮箱的检漏

国外较多的运载火箭上，采用二种类型的单层共底贮箱存放Ｎ２Ｏ４（四氧化二氮）、ＵＤＭＨ（偏二甲肼）液体推进剂等。而对共底贮箱气密性泄漏检测，乌克兰＂旋风号一３＂二级共底贮箱采用大型真空罐真空法，法国＂阿里安１＂二级共底贮箱采用德国＂道尼尔公司＂研制的正压差累积法检漏。二种检漏方法的验收泄漏率均在１×１０－５Ｐａ·ｍ３／ｓ左右。

新一代运载火箭共底贮箱隔热性能试验及环境预示

对新研制的新一代运载火箭液氧/煤油共底贮箱进行隔热性能试验研究。结果表明,在常温外界条件下,设计的共底结构形式能有效降低燃料和氧化剂的相互影响,满足运载火箭发射的需求。根据常温试验结果,对共底结构数值分析模型进行了修正,修正后的数值分析结果与试验结果吻合较好,误差小于10%。用修正的数值分析模型对共底贮箱在低温外界环境(-20℃)条件下煤油温度变化进行预示分析,结果发现煤油最低温度维持在-30℃以上。该预示分析结果可作为确定共底贮箱结构形式的重要判据,并为共底贮箱低温环境验证试验提供参考。

低温贮箱共底真空性能分析及测试

介绍在常温和低温两种不同条件下贮箱共底的真空性能及测试方法。在低温推进剂泄出的特殊情况下对共底可能出现的故障进行了预测 ,并提出处理方案。

夹层共底结构红外图像拼接方法

夹层共底贮箱体积庞大,采用脉冲红外无损检测技术单次只能检测一小片区域,需要数百次检测才能完成对夹层共底贮箱的检测,单个工程不利于缺陷位置的判断。本文采用固定重叠区域的红外图像拼接方法,重叠区域采用加权融合方式可有效消除拼缝,夹层共底结构侧边6个子区域采用弧形拼接方式,可有效解决弧形区域的拼接,可有效解决多工程拼接难题。采集工程缺陷标注后,拼接图像直接显示缺陷的位置信息,对于夹层共底结构缺陷信息判断带来了极大的便利。

液氧/液甲烷零蒸发共底贮存系统冷屏热均匀性能分析

共底贮箱是低温推进剂贮箱的理想形式之一,其两侧低温推进剂的无损贮存是亟待解决的关键技术。本文结合已搭建的液氧/液甲烷零蒸发共底贮存实验装置,建立了零蒸发共底贮存系统冷屏仿真模型。针对非稳态流动传热过程中温度的位变与时变特性,提出了温度离散系数,其相比不均匀系数更适用于评价非稳态流动传热过程中冷屏的热均匀特性。结果表明,采用蛇形盘管的冷屏在非稳态过程中具有良好的热均匀性,冷屏最大温度离散系数为3.85%。

2A14铝合金锁底结构搅拌摩擦焊接工艺

针对运载火箭共底贮箱独特的密封锁底焊缝承压结构开展搅拌摩擦焊工艺技术研究,采用基于锁底结构搅拌工具设计的无匙孔回抽全焊透工艺技术,探究搅拌针长度、前进侧位置、坡口尺寸对4 mm 2A14铝合金锁底焊缝强度的影响。经过焊接试验验证,针长度为-0.1~0.3 mm,前进侧位于锁底侧,焊接坡口设为0.5mm时为最优焊接工艺参数,焊缝强度高于熔焊焊缝强度。对锁底焊缝引钩(HOOK)缺陷进行研究,抑制了HOOK的产生,实现了搅拌摩擦焊方法在运载火箭承压锁底结构的首次应用与飞行验证,提高了焊接效率和质量,并实现整箱减重。

无塌陷型面出流及输送管内推进剂利用技术研究

针对火箭通用芯级氧箱的共底贮箱结构,通过理论分析及数值仿真,提出了“无塌陷型面+消漩叶片”的出流方案,并通过优化型面起始点半径,确保出流过程中不产生明显的液面塌陷。仿真及缩比试验结果表明,相比传统的“圆盘+倒锥”出流方案,贮箱推进剂在无塌陷型面出流方案下的出流过程中,没有明显的气液掺混或漩涡夹气现象,贮箱内推进剂可得到充分利用。在此基础上,利用Wallis两相漂移模型对输送管内两相介质传播速度进行了理论研究,并结合出流过程中气泡运动速度的试验结果,提出了输送管内推进剂的可用量准则。

新一代低温液体快速发射运载火箭及其发展

介绍了研制的新一代低温液体快速发射液体运载火箭(CZ-6)的总体方案、系统组成和测发模式。CZ-6运载火箭主要由总体、箭体结构分系统、动力分系统、控制分系统、地面发射支持分系统等组成。给出了全箭运载能力、入轨精度、可靠性等主要技术指标,并与国外部分中小型运载火箭进行了比较。CZ-6运载火箭主要技术特点有采用总体优化设计、液氧煤油低温动力、高压补燃发动机氧箱自生增压、高温高压燃气滚动控制、基于双八表捷联惯组的先进集成控制、大温差夹层共底贮箱和全向透波复合材料整流罩等轻量化结构、整体运输起竖的"三平"测发模式下的7d快速发射。展望了后续快速响应能力提高和快速发射火箭系列拓展等发展方向。首飞1箭20星发射圆满成功,实现了卫星高精度入轨。

“长征”六号运载火箭技术特点及展望

'长征'六号运载火箭由中国航天科技集团有限公司第八研究院(下文简称航天科技集团八院)抓总研制,是我国新一代无毒、无污染三级快速发射液体运载火箭,可执行多种轨道(包括太阳同步轨道、低地球轨道等)发射任务,除了进行单星发射外,也可进行多星发射、星座的组网和补网发射。典型700km太阳同步轨道运载能力为1t。'长征'六号运载火箭2009年开始工程研制。

推进剂重定位过程仿真与分析

为了拓展低温上面级滑行时间,满足深空探测任务需求以及提升运载火箭任务适应性,中国未来型号研制将采用间歇沉底的方案,其主要难点是推进剂重定位过程的研究。本文针对目前重定位仿真多为二维CFD仿真且不能准确合理地预示气泡逸出过程的问题,提出一种基于Flow-3D的三维CFD仿真方法。该方法采用卷气体积与液体体积之比(卷气率)预示气泡逸出过程,比以往采用气泡粒子数预示气泡逸出过程的方法更为合理准确。重定位及气泡逸出过程的仿真结果与半人马座落塔试验的结果具有一致性,捕捉到了重定位过程所有特征流型,且对应时刻误差不超过10%。仿真结果表明间歇沉底推进剂管理方案的可行性,并确定了某低温上面级的相关设计参数。

危险气体监测系统设计及特性

危险气体监测对火箭发射起着重要作用 ,在火箭燃料加注过程中 ,为保证安全 ,需对低温贮箱共底压力和氢浓度进行连续监测。叙述了低温贮箱共底的危险气体监测系统设计及性能测试方法 ,给出了应用实例和试验数据。