液氢温区真空多层绝热材料研究进展

基于液氢高效存储、运输和利用对低温高效绝热的需求,以真空多层材料为主要研究内容,总结了液氢温区真空多层材料的绝热性能测试数据。根据液氢温区的获得方法将多层材料绝热性能的测试方法分为基于低温液体蒸发的湿式量热法和基于制冷机的干式量热法两种,并从结构形状、温控方式、量热方式和测量范围等方面综述了这两种方法的研究现状,对比分析了各自的优缺点。最后展望了多层绝热材料的主要研究方向。

液氢温区脉动热管实验研究

为了研究脉动热管用于冷却Mg B——2超导磁体的可行性,对一台自行研制的液氢温区脉动热管实验台开展了实验研究工作。充液率为34.2%时,随着加热功率的增大,脉动热管经历了启动、脉动、极限3个阶段,启动阶段中脉动热管传热温差波动很大,传热性能差,而脉动阶段中脉动热管传热温差很小,传热性能好。脉动热管在加热功率为1.28 W时具有最高的有效热导率为19 k W/m·K,此时蒸发段与冷凝段温差为0.28 K。

液氢温区直接节流制冷新流程热力学分析

低温制冷机是液氢长期在轨零蒸发贮存的关键技术之一。节流制冷机无低温运动部件,具备系统简单和可连续制冷等优点。本文提出了液氢温区直接节流制冷新流程,拟采用回热式制冷机或者液氢储罐排气冷量为其提供32K以下的预冷量,有潜力实现快速降温和高效制冷。采用热力学方法对于给定液氢温区10W的制冷量要求,以等温压缩功为优化目标对该制冷机进行优化。分析得到了优化等温压缩功及其对应的优化高压压力和预冷量与预冷温度之间的变化关系。结果表明:当预冷温度低于32K时,直接节流制冷机在优化工况下运行时与典型节流制冷机性能接近,但其结构得到简化,稳定性高且制冷机降温初期无需旁通。

液氢温区下单温区双管道绝热支撑的热-结构耦合研究分析

以液氢温区下的单温区低温双管道为研究对象,对其进行了热流分析,建立了数学模型及几何模型,采用有限元方法进行了热-结构耦合分析求解,分析了不同壁厚下漏热、应力及形变的变化规律,和不同隔热孔径下的漏热、应力及形变的变化规律。研究结果表明:壁厚减小,漏热值减少,绝热支撑总体应力增加,支撑形变增大;相同壁厚下,隔热孔孔径增大,漏热值减小,支撑应力减小,形变增大。最终,针对某工程使用的单温区双低温管道,拟合出了壁厚与各个参数量的曲线、方程及漏热值与最大应力的函数方程式,得出最薄壁厚可取为0.638 mm。针对隔热孔孔径的优化,拟合出了孔径与漏热及最大形变的曲线、函数,确定了支撑的最优孔径为82.9 mm。

液氢温区冷氦增压系统试验研究

针对某型号火箭冷氦增压系统,建设了液氢温区冷氦增压系统试验平台,通过试验得到了冷氦气源压力和温度、冷氦加热器性能、模拟贮箱压力和温度的变化规律。结果表明:低温制冷机组配合高压低温换热贮罐可以真实模拟箭上的冷氦气源;根据对增压过程中贮箱压力的分析表明排气方式可以真实模拟箭上推进剂消耗过程中贮箱压力的变化情况;另外,试验中压力信号器、电磁阀和贮箱工作正常,验证了火箭冷氦增压系统的可靠性。

液氢温区冷氦增压试验系统的设计

针对液体火箭冷氦增压系统试验研究的不足,设计并建设了液氢温区冷氦增压试验系统,采用深低温制冷机组配合高压低温换热贮罐来实现液氢温区高压冷氦气源;使用管壳式加热器真实模拟箭上换热器的换热性能与流阻;提出以排气方式模拟贮箱推进剂消耗过程中压力的变化情况。该试验系统安全可靠,更加真实地模拟了液体火箭冷氦增压系统的工作过程。

基于固体铅的液氢温区温控装置设计与实验研究

对液氢温区基于铅蓄冷的温控装置进行了设计与实验研究。使用冷头温度波动抑制的一维传热方程,讨论了不同材料的衰减比对冷头温度波动抑制效果的影响。搭建了一个液氢温区使用固体铅进行蓄冷以抑制制冷机温度波动的装置。温度抑制实验结果表明,在20 K时,铅蓄冷装置可将制冷机二级冷头温度波动由±300 mK降低到±0.45 mK。实验结果表明,在液氢温区,使用固体介质作蓄冷介质,能够有效地抑制制冷机二级冷头的温度波动。

液氢温区直接节流JT制冷机降温实验

空间用大冷量低温制冷机是实现液氢长期在轨零蒸发贮存的关键技术之一。预冷型液氢温区直接节流JT制冷机无低温运动部件,结构简单,降温过程无需旁通,具备实现空间大冷量制冷的潜力,可单独实现冷量远距离传输。采用直接节流流程方案搭建了用GM制冷机预冷的液氢温区直接节流JT制冷机开式系统实验测试平台,阐述了制冷过程,分析了降温过程存在的问题,在20.8 K测得了10.19 W制冷量。

室温至液氢温区奥氏体不锈钢力学性能分析

奥氏体不锈钢在低温工程中广泛使用,正逐渐成为新兴氢能产业中液氢储运容器、输送管路等的首选材料。本文收集了奥氏体不锈钢从室温到液氢温区的力学数据,综合分析了低温下其力学性能的变化规律,阐述了其低温力学性能变化机理,包括化学成分、晶粒尺寸和应变率等因素对奥氏体不锈钢力学性能的影响规律。研究结果表明:随着温度的降低,奥氏体不锈钢屈服强度和抗拉强度增加,塑性和冲击韧性降低,断裂韧性改善。

液氢温区超导电缆本体设计与短样试验

对比分析了多种超导材料在液氢温区的基本特性与价格,Mg B2较适宜于氢电混输电缆;从骨架、导体层与主绝缘层等方面开展了110k V/4k A等级Mg B2超导电缆本体设计,并绕制了一根50cm长超导电缆短样;在传导冷却条件下,该电缆短样在30K^36K温区的临界电流为450A。

液氢用低温复合多层绝热材料的传热特性研究

基于液氢高效储运对低温绝热的需求,将液氢温区复合多层绝热材料(包含泡沫材料与多层绝热材料)作为研究对象,通过Layer-by-Layer模型构建复合多层绝热材料层间温度分布数值模型,分析了热通量随热边界温度、真空度与总层数变化规律。结果表明,热通量随着热边界温度的升高而增大,靠近冷边界区域的多层绝热材料承担了主要的绝热功能。随后对不同组合模式改变真空度下传热特性进行分析,发现相较于多层绝热材料,添加泡沫材料热通量减少20.76%。此外,复合多层绝热材料中多层绝热材料总层数的增加可以有效抑制热通量增加,综合考虑性能成本,在总层数为50层时抑制效果达到最佳,此时热通量为0.537 7 W/m^(2)。

液氢温区两级同轴型脉管制冷机

液氢温区的低温制冷机在军事技术、红外探测、低温超导等应用领域具有广泛的应用前景。本文设计并且研制了一台两级气耦合斯特林型脉管制冷机,采用两级同轴结构,大大提高了系统的紧凑性。采用惯性管加气库作为调相机构,同时为了提高制冷性能,添加了双向进气调节。实验结果显示,系统的无负荷温度为13.4 K,在20 K可以提供1.1 W的制冷量,此时系统输入声功为390 W,输入电功575。同时对回热器填料以及系统运行参数频率和平均压力进行了实验研究。

低弯头数液氢温区脉动热管的实验研究

为了研究液氢温区脉动热管在冷却Mg B2超导磁体方面的可行性,利用浙江大学制冷与低温研究所现有的实验平台,进一步开展了液氢温区脉动热管的实验研究。在低弯头数(N=2)下,充液率55.8%的脉动热管在加热功率0.1W时可以启动;随着加热功率增大,经历了启动、脉动、极限三个阶段,启动阶段脉动热管传热温差波动很大、传热性能差,而脉动阶段脉动热管传热温差很小、传热性能好。在加热功率0.6W、充液率27.8%时,脉动热管具有最大的传热系数68k W/(m·K),此时蒸发段和冷凝段的温差为0.29K。

高压低温换热贮罐换热性能仿真计算

设计了一种高压低温换热贮罐,配合斯特林制冷机可用于获取和贮存20 K@35 MPa冷氦气,在无液氢的情况下具备液氢温区试验能力,以满足液体火箭冷氦增压系统实验的气源要求。对该贮罐进行了漏热分析,得到贮罐漏热量。采用Solidworks和Matlab对预冷过程和换热过程进行仿真计算与分析,得到预冷时间和换热时间分别为3小时和47小时。

某型号单向阀低温性能试验技术研究

随着我国新一代运载火箭研制进入关键阶段,各类组件、部件逐步使用真实介质进行试验。试验系统建设是否满足型号任务试验需要,满足人员防护,以及安全和环保等要求,是衡量试验系统建设是否合理的重要内容。针对新一代运载火箭所使用的某型号单向阀液氢温区性能试验任务要求,设计并搭建了试验系统,该系统能够满足试验在液氢温区下进行的需要,可达到考核单向阀低温性能的目的。目前,该系统已承担了4次型号试验任务,并取得了有效的试验数据,同时,测试结果表明,该系统运行正常,安全可靠。

20~30 K两级脉管制冷机相位特性对比研究

液氢温区热耦合两级脉管制冷机中,低温级的相位调节是性能优化的关键之一,为此,采用主动相位调节方式对低温级脉管相位特性进行研究,分析对比调相活塞相对压缩机活塞运动相位差变化时,冷指内相位分布的变化以及对制冷性能的影响。研究结果表明:当活塞行程一定时,随着活塞相位差增加,在低温段回热器两端,压力波相对于质量流的相位差(PU相位差)均增大,制冷量与制冷效率呈现出先增大后减小的趋势;随着制冷温度从20 K提高至30 K,最大制冷量与最佳制冷效率时低温段回热器两端PU相位差的差值减小;实验验证了20 K和30 K时制冷性能随活塞相位差的变化规律,可为液氢温区两级脉管制冷机设计中的相位调节提供参考。