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。

地面热力学排气系统实验研究

为深入研究热力学排气的控压性能以及消除外部漏热的能力,通过搭建地面热力学排气测试平台,采用R123为实验工质,在外部漏热为800 W、初始液位为0.595m的条件下,开展了箱体增压、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以及箱内流体温度变化。结果表明:在漏热增压阶段,箱体压增速率为60.583kPa/h;在混合降压阶段,增大循环流量对降低气相温度是有益的;在循环流量为150L/h、节流比为11.73%~13.33%的工况下,热力学排气系统工作8次,共排气20.536kg,最大制冷量为1 362 W;与直接排气方式相比,工作运行2h,热力学排气可节省41%的排气损失。该结果可为进一步开展低温实验提供技术参考与借鉴。

硝酸铵乳胶在持续受热条件下的热失控特性

为了研究乳胶基质在运输过程中在火灾条件下持续受热的热失控发展过程,采用TG和ARC研究了乳胶基质的热分解特性,同时采用联合国橘黄书中改进的通风管试验分析研究了乳胶基质在持续受热条件下发生热爆炸的过程。TG和ARC的试验结果表明:水分含量高的乳胶基质在受热条件下,更容易发生破乳,但反应的放热量较低。在通风管试验中,样品温度在100～146℃时,随着加热时间的变化,样品温度缓慢上升;当乳胶基质温度达到146℃后,样品温升速率明显加快,表明样品开始产生明显的放热效应;当温度达到270℃时,乳胶基质发生剧烈的热失控反应。可见,为了提高乳胶基质在运输和储存的安全性,应严格控制其运输温度。

热力学排气工作过程中流体热分层实验研究

基于地面热力学排气实验平台,以R123为工质,在初始液位0.595 m、外部漏热800 W的工况下,研究了箱体增压、混合喷射降压、节流制冷以及自然冷却等不同工作过程中箱内流体温度分布。实验结果表明:在增压阶段,箱内流体温度分层发展良好。在混合喷射阶段,当循环流量为96 L/h时,热层厚度发展速率为1.57 mm/min;而当循环流量增加到152 L/h时,热层厚度增加率为1.07 mm/min。热分层充分发展大约耗时5.48 h。在节流制冷阶段,液相温度变化基本控制在1.98℃以内,气相最大温降13℃。自然冷却阶段开始15 min后,制冷喷射的影响逐渐消失。在外部空气冷却下,气相温度逐渐趋于顶部温度最低、界面温度最高的线性分布;液相测点则基本上以恒定的速率平行向温度降低方向推进。

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。

低温燃料贮箱热力学排气系统优化分析与性能研究

介绍了热力学排气系统(TVS)对于未来深空探测事业的重要意义,总结了TVS技术的研究进展。针对套管式换热器,以换热量、换热器内外管出口温差和排气侧压力损失为评价指标,进行多组变工况计算,给出了优化换热器性能的思路与方向。通过一维计算得到了TVS对低温液氢贮箱压力控制的作用效果,计算结果表明:地面工况下TVS能有效控制贮箱压力在设定范围内变化;而在微重力条件下,壁面滞留的液体导致贮箱压力低于控制下限,压力循环周期明显增长。

控制策略对贮箱热力排气系统性能的影响

热力排气系统(TVS)是通过流体混合与节流换热排气双重作用实现低温推进剂在轨长期贮存的一种有效的压力控制技术。针对TVS的混合模式和排气模式提出了3种运行控制策略。在以R141b为气液相变贮存介质的室温温区TVS模拟装置上,研究了这3种控制策略对TVS作用下的贮箱内液体温度、热分层以及排气损失的影响。结果表明,当采用基于气枕压力运行混合模式,并且同时基于液体温度对应的饱和压力和气枕压力运行排气模式这一控制策略时,TVS不仅可以实现最小的排气损失,也可实现较低的液体贮存温度和较小的热分层。为今后低温TVS系统的控制设计和实际运行提供了指导。

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。

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。

热力学排气系统中节流效应及其冷量利用分析

为更好地理解热力学排气系统(TVS)的运行机理,优化其运行参数,针对节流装置,建立了热力学模型,讨论了节流过程中状态参数的变化规律,对比了单相气体、单相液体节流的性能特性,进一步揭示了焦汤节流效应的原理,分析了不同节流背压下节流前低温工质(液氢和液氧)压力和温度对节流性能的影响,并结合TVS实际应用,阐述了节流最大制冷量的利用效果,提出了优化的TVS工作区间。研究表明:在节流过程不发生相变情况下单相气体节流制冷效应要比单相液体节流制冷效应更加显著;而在节流过程发生相变情况下液体节流至两相后,由于空化吸热导致流体温度降低,对于液氢,0.5MPa的压降可产生接近3 K的温降。对于液体节流,节流前压力对节流过程影响可忽略,而节流前温度和节流背压对节流过程起主导作用;对于液氢在在轨运行工况下,考虑到节流制冷量的充分利用,同时保证换热过程体积含气率不高于90%,推荐TVS系统中节流背压范围为75~143 kPa。

液氢贮箱热力学排气系统建模及控压特性

以低温推进剂液氢贮箱压力控制为目标,建立了热力学排气系统(TVS)和贮箱内流体流动及气液相变过程的数学模型。以18.09m^3液氢贮箱在地面工况充注率75%、漏热量0.76 W·m^(-2)为例,计算了贮箱自增压过程及开启TVS后对贮箱压力控制的效果。结果表明,气枕升压速率远大于液体温度对应的饱和压力的升压速率;TVS运行后可将贮箱压力有效地控制在165.5~172.4kPa范围内。对比了混合与排气两种不同运行模式下贮箱气枕的升降压特性,发现排气模式下的气枕降压速率为混合模式的7倍,升压速率为混合模式的95%。同时还分析了贮箱内液体的温度变化规律。

热力学排气系统对液氮贮箱控压特性的影响分析

为研究热力学排气系统(TVS)对低温推进剂贮箱控压特性的影响,搭建了液氮热力学排气技术控压试验平台,开展了混合模式和并行模式下的低温贮箱控压试验,研究了不同控压区间气枕压力及液相温度的变化规律,对并行模式过程中节流特性以及节流制冷量的输入对液相温度变化的影响进行了分析。试验结果表明,在混合模式中由于外部漏热和气枕压力的影响,液相温度呈波浪式上升趋势;在并行模式中,在节流制冷量输入和外部漏热的共同作用下,液相温度停止上升转而下降;在两种模式运行中,液相温度在较高的控压区间比较低的区间变化率大;理论模型能够较好反映试验测试结果,模拟分析得到的液相温度变化率与试验结果基本一致。

工作于室温温区的热力学排气模拟与增压测试

为了揭示热力学排气系统的基本运行规律和为相关仿真程序的开发提供校核数据,设计和研制了一套工作于室温温区的热力学排气系统模拟装置.该装置安装于直径为450mm、体积约为0.11m^3的椭圆封头圆筒形贮箱内,以制冷剂R141b为工质,选取具有代表性的充灌率和罐体热负荷,分别进行了喷射棒单独作用及喷射棒与节流阀、换热器共同作用下的贮箱压力控制实验,获得了相应工况下的压力控制特性.实验结果表明,当贮箱表压控制带下限设定为80kPa,上限设定为90kPa时,在单单依靠喷射棒的喷射混合消除热分层工作模式下,该系统运行超过0.98h后已无法维持压力在设定值以下;而在喷射棒和节流阀、换热器双重作用下,该系统可长期持续工作,2h内制冷剂R141b损失仅约5%(3.35kg),验证了该套系统可以胜任热力学排气过程的模拟.

非均匀热流对热力排气系统自增压及排气损失影响

热力排气系统(TVS)是通过流体混合与节流换热排气双重作用实现低温推进剂在轨长期贮存的一种有效的压力控制技术.为深入研究推进剂贮箱在轨过程中非均匀受热时热力排气系统的控压特性,在工作于室温温区的TVS模拟装置上,以R141b为气液相变贮存介质,研究非均匀热流(仅气相受热、仅液相受热、气液一侧同时受热)对TVS作用下的贮箱增压特性及排气损失的影响.对比不同部位受热时,贮箱的增压速率、TVS运行特性和排放损失.结果表明,仅贮箱气相区受热时,贮箱升压速率最快,TVS启动频率最高,排放损失最大;仅贮箱液相区受热时,贮箱升压速率最慢,TVS启动频率最低,排放损失最小,相比仅气相区受热分别减少了42%,29%和33%.综合考虑贮箱的增压速率、流体热分层和排气损失,在空间微重力环境下,贮箱内壁面宜进行亲液处理或采用毛细结构来避免气枕空间的直接受热.

低温推进剂在轨压力控制方法及效能对比分析

针对液氢、液氧低温推进剂在轨贮存时长及排气量,建立了直接排气和热力排气数学模型。在0.13—0.14 MPa和0.2—0.3 MPa两种控压区间分析了40 W和100 W漏热环境下的贮箱排气量的对比分析,结果表明液氧易于实现长期无损贮存,而液氢在轨无损贮存时间相对较短,若要实现10天或更长时间的空间任务,有必要对液氢贮箱采用热力学排气技术进行压力控制,降低液氢蒸发量。对基于热力学排气技术的液氢在不同工况下的排气量进行了计算,根据液氢在轨任务时长的要求给出了合适的控压方式选择方向。

低温节流阀流动过程数值模拟和实验研究

对弯折型、旋转型两种节流阀进行数值模拟,研究不同工质下节流阀的温降以及流量特性,结果发现与液氮与液氧相比,甲烷在节流阀内的空化更为严重,汽相出现的较早,汽液分布较为混乱。搭建低温节流阀流动换热实验台,以液氮和甲烷为实验工质研究不同工况下的节流阀的流动特性,将进口过冷度作为影响因素提出新的质量流量关联式,可以准确预测节流阀内液氮、甲烷的质量流量,所得结果与实验偏差小于20%。

热力学排气系统低温流体轴向掺混过程研究

低温推进剂长时间在轨蒸发量控制问题是发展低温末级、轨道转移运载器以实现未来长时间在轨空间任务的关键;热力学排气系统为蒸发量控制提供了有效方案,而轴向流体掺混过程是热力学排气实现贮箱压力控制的关键。为研究轴向掺混过程下的流体行为特性,对流动、传热、相变过程建立了CFD仿真模型,利用国外地面试验进行了验证,对不同流量、流速、温度、喷口直径等因素开展了研究。结果表明:在不同的掺混流量和流速下,表现出4种不同的流动模式,流动模式决定了贮箱内流动、换热及相变的趋势,掺混剧烈的流动模式压力下降快,较低的掺混温度对推进剂品质的提升有积极意义。

过冷度对飞行器贮箱热力学排气系统性能的影响

为了研究低温推进剂贮箱的压力控制特性和热力学排气系统的运行特性,建立了耦合贮箱内流体流动相变过程与热力学排气系统(TVS)的数学模型,对TVS系统运行后贮箱的压力和温度变化进行了仿真计算。在以液氮为贮存工质的低温流体高效贮存平台上,进行了仿真模型的验证。分析了不同液体过冷度对低温贮箱温度和压力控制特性的影响。研究发现,在相同的在轨贮存周期内,对于饱和状态的液氢和液氧,TVS只有在排气模式下才能实现低温贮箱的压力控制,而对于过冷状态的液氢和液氧,TVS只需进行混合模式运行便可实现低温贮箱压力控制,且TVS混合运行时间随液体过冷度的增加而减少,16 K液氢时TVS的运行时间(546 s)相比于20 K液氢(663 s)减少了17.6%,78 K液氧时TVS的运行时间(2760 s)相比于90 K液氧(16469 s)减少了83.2%。过冷液体与气枕的混合可以实现低温流体在轨贮存过程中的零排放。

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。