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《低溫工程雜志》2016年第二期

摘要:

建立了一種可以描述低溫推進(jìn)劑加注、停放過程的計(jì)算模型，分析了影響低溫推進(jìn)劑加注停放階段蒸發(fā)的主要因素。研究表明:為縮短發(fā)射組織時(shí)間、優(yōu)化加注流程、提升推進(jìn)劑品質(zhì)，在全系統(tǒng)能力范疇內(nèi)，低溫推進(jìn)劑加注過程應(yīng)提高推進(jìn)劑加注速度，降低推進(jìn)劑加注溫度，盡量減小外界環(huán)境漏熱率，并適當(dāng)增加系統(tǒng)排氣能力。

關(guān)鍵詞:

低溫推進(jìn)劑；加注停放；蒸發(fā)量

1引言

中國新一代運(yùn)載火箭廣泛采用液氫、液氧低溫推進(jìn)劑。相對(duì)于常規(guī)推進(jìn)劑，低溫推進(jìn)劑具有超低溫、易沸騰、蒸發(fā)等特點(diǎn)，對(duì)低溫推進(jìn)劑蒸發(fā)量的有效控制是確保液體火箭正常發(fā)射的重要環(huán)節(jié)。低溫推進(jìn)劑蒸發(fā)影響主要表現(xiàn)在:(1)蒸發(fā)量大小直接影響射前補(bǔ)加量和實(shí)施過程;(2)蒸發(fā)過程伴隨著吸熱冷卻過程，對(duì)推進(jìn)劑溫度品質(zhì)影響較大;(3)推進(jìn)劑加注、停放蒸發(fā)時(shí)間顯著影響著發(fā)射組織時(shí)間。低溫推進(jìn)劑經(jīng)加注系統(tǒng)進(jìn)入貯箱后，在外界漏熱以及所加注推進(jìn)劑過熱度的雙重趨勢(shì)作用下，推進(jìn)劑液面將出現(xiàn)大量汽化、蒸發(fā)，從而在氣枕空間形成壓力，其大小主要取決于蒸發(fā)量、加注流量以及貯箱排氣能力等因素;另一方面氣枕壓力又反過來對(duì)推進(jìn)劑蒸發(fā)過程產(chǎn)生影響。鑒于低溫推進(jìn)劑的特性和系統(tǒng)實(shí)際需要情況，目前國內(nèi)外運(yùn)載火箭在低溫推進(jìn)劑的加注方法上普遍按照典型的4個(gè)階段來實(shí)施，即小流量加注、大流量加注、減速加注和停放補(bǔ)加。本文前期工作［1］給出了描述低溫推進(jìn)劑加注停放過程特性的模型，并開展了試驗(yàn)驗(yàn)證，研究表明:低溫推進(jìn)劑預(yù)冷加注階段貯箱內(nèi)推進(jìn)劑相變劇烈，氣枕壓力和推進(jìn)劑平均溫度出現(xiàn)大幅降低;快速加注階段，推進(jìn)劑趨于恒溫狀態(tài)，系統(tǒng)參數(shù)變化受加注流量影響顯著;停放階段推進(jìn)劑容積受蒸發(fā)損失的影響而逐步平穩(wěn)減小，貯箱排氣閥全開引起氣枕壓力逐漸達(dá)到與外界的穩(wěn)定狀態(tài)。本文采用該模型，結(jié)合低溫流體蒸發(fā)量研究部分已有成果［2-7］，進(jìn)一步開展低溫推進(jìn)劑加注停放過程中影響推進(jìn)劑蒸發(fā)量的因素的深入研究。

2目標(biāo)系統(tǒng)與加注過程描述

目標(biāo)系統(tǒng)推進(jìn)劑貯箱容積50m3，前后底為橢球底。箱體材料為鋁合金，平均壁厚3mm，低溫推進(jìn)劑為液氧。以目標(biāo)貯箱為研究對(duì)象，考慮小流量預(yù)冷加注、停放穩(wěn)定、大流量加注以及小流量減速加注4個(gè)階段。加注過程中，箭上排氣閥始終處于打開狀態(tài)。加注結(jié)束后，系統(tǒng)進(jìn)入停放蒸發(fā)階段，停放過程中不進(jìn)行補(bǔ)加。

3低溫推進(jìn)劑蒸發(fā)量影響因素分析

低溫推進(jìn)劑加注停放過程的蒸發(fā)現(xiàn)象是一個(gè)伴隨著復(fù)雜物理過程的系統(tǒng)性問題，影響因素較多，主要包括:推進(jìn)劑加注速度、推進(jìn)劑加注溫度、外界環(huán)境漏熱狀態(tài)、推進(jìn)劑貯箱排氣能力。

3．1推進(jìn)劑加注速度對(duì)于泵壓式加注方案，加注速度主要取決于地面加注系統(tǒng)特性。分析了3種設(shè)定的加注速度方案，見表1。其余主要參數(shù):排氣閥門等效通徑為40mm;外界等效傳熱系數(shù)為2W/(m2•K)。圖1—圖4是氣枕壓力、推進(jìn)劑溫度、蒸發(fā)率以及推進(jìn)劑容積情況。從中可以看出，在加注階段，隨著加注速度的增加，氣枕壓力、推進(jìn)劑溫度和推進(jìn)劑蒸發(fā)率均呈現(xiàn)出增加趨勢(shì)。停放階段，氣枕壓力、推進(jìn)劑溫度和蒸發(fā)率均逐漸降低，3小時(shí)后趨于接近。表2給出了不同時(shí)段結(jié)束時(shí)貯箱內(nèi)推進(jìn)劑的容積狀態(tài)。盡管加注速度有了較大提高，但長(zhǎng)時(shí)間停放后，最終對(duì)推進(jìn)劑的容積影響并不大，推進(jìn)劑蒸發(fā)消耗接近。推進(jìn)劑加注速度顯著影響著發(fā)射組織時(shí)間，一般而言，在地面系統(tǒng)和箭上系統(tǒng)設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，宜采用盡量快的加注速度以節(jié)省時(shí)間。

3．2推進(jìn)劑加注溫度推進(jìn)劑加注溫度主要取決于地面加注系統(tǒng)特性。采取相同的加注速度，分析了3種加注推進(jìn)劑溫度方案，見表3。其余主要參數(shù):排氣閥等效通徑為40mm，外界等效傳熱系數(shù)為2W/(m2•K)。圖5—圖8是氣枕壓力、推進(jìn)劑溫度、蒸發(fā)率以及推進(jìn)劑容積情況。從圖中可以看出，推進(jìn)劑加注溫度越高，蒸發(fā)趨勢(shì)越強(qiáng)，氣枕壓力和推進(jìn)劑溫度均增加。停放階段，各參數(shù)均下降，且逐漸趨于接近，但推進(jìn)劑加注溫度越高達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間越長(zhǎng)。表4給出了不同時(shí)段結(jié)束時(shí)貯箱內(nèi)推進(jìn)劑的容積狀態(tài)。從中可以看出，進(jìn)入貯箱推進(jìn)劑溫度越高，在相同加注容積情況下，其最終液態(tài)推進(jìn)劑越少，推進(jìn)劑蒸發(fā)消耗量越大。推進(jìn)劑加注溫度越高，其過熱度越大，蒸發(fā)量也越大，后續(xù)射前補(bǔ)加量需增加。此外，對(duì)于給定系統(tǒng)，在確保推進(jìn)劑溫度品質(zhì)相同情況下，該過程顯著影響著停放時(shí)間。因此，宜盡可能降低推進(jìn)劑加注溫度。

3．3外界環(huán)境漏熱狀態(tài)影響外界環(huán)境漏熱狀態(tài)主要取決于貯箱絕熱效果。采取相同的加注速度和溫度(見表1中速度狀態(tài)2)，分析了4種等效外界漏熱率，狀態(tài)1:2W/(m2•K);狀態(tài)2:5W/(m2•K);狀態(tài)3:10W/(m2•K);狀態(tài)4:20W/(m2•K)。排氣閥門等效通徑為40mm。圖9—圖12是氣枕壓力、推進(jìn)劑溫度、蒸發(fā)率以及推進(jìn)劑容積情況。從中可以看出，在加注階段，隨著漏熱率的增加，貯箱氣枕壓力、推進(jìn)劑溫度和蒸發(fā)率也越高。進(jìn)入停放階段后，貯箱氣枕壓力、推進(jìn)劑溫度和蒸發(fā)率隨漏熱率的增加而增加的趨勢(shì)得以繼續(xù)保持。但值得關(guān)注的是，在高漏熱情況下，貯箱壓力和推進(jìn)劑溫度并沒有延續(xù)之前逐漸減小的趨勢(shì)，而是逐漸增加，雖歷經(jīng)3小時(shí)停放仍未達(dá)穩(wěn)定，如下所述，這主要是進(jìn)入系統(tǒng)的熱量超過了排氣閥的排氣能力。表5給出了不同時(shí)段結(jié)束時(shí)貯箱內(nèi)推進(jìn)劑的容積狀態(tài)。從中可以看出，加注階段推進(jìn)劑容積差別并不明顯，推進(jìn)劑密度變化補(bǔ)償了蒸發(fā)率差異;在停放階段，隨著外界漏熱率的增加，推進(jìn)劑蒸發(fā)量顯著增大。外界漏熱率不僅顯著影響著推進(jìn)劑蒸發(fā)量和停放時(shí)間，而且當(dāng)排氣能力和外界漏熱未能達(dá)到有效協(xié)調(diào)時(shí)，還將嚴(yán)重影響推進(jìn)劑溫度品質(zhì)。因此，為了確保射前流程和推進(jìn)劑品質(zhì)，宜盡量減小外界漏熱率。

3．4推進(jìn)劑貯箱排氣能力影響貯箱排氣能力取決于貯箱排氣閥有效流通通徑。采取相同的加注速度和溫度(見表1中速度狀態(tài)2)，分析了4種等效排氣通徑，狀態(tài)1:40mm;狀態(tài)2:50mm;狀態(tài)3:65mm;狀態(tài)4:80mm。等效外界漏熱率考慮為20W/(m2•K)。圖13—圖16是氣枕壓力、推進(jìn)劑溫度、蒸發(fā)率以及推進(jìn)劑容積情況。加注階段，隨著排氣閥有效流通通徑增加，蒸發(fā)率增加，氣枕壓力和推進(jìn)劑溫度相應(yīng)減小。進(jìn)入停放階段，即使等效外界漏熱率達(dá)到了20W/(m2•K)，排氣閥有效流通通徑的增加，仍使氣枕壓力和推進(jìn)劑溫度呈現(xiàn)出明顯下降趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)推進(jìn)劑溫度的有效控制。表6給出了不同時(shí)段結(jié)束時(shí)貯箱內(nèi)推進(jìn)劑的容積狀態(tài)。從中可以看出，排氣有效通徑越大，同等時(shí)間內(nèi)推進(jìn)劑容積越少，推進(jìn)劑蒸發(fā)消耗越多，但推進(jìn)劑溫度顯著降低。貯箱排氣能力顯著影響著推進(jìn)劑溫度和消耗量，對(duì)在同等推進(jìn)劑溫度品質(zhì)要求下，對(duì)停放時(shí)間影響較大。因此，在外界漏熱一樣的情況下，適當(dāng)增加系統(tǒng)排氣能力，利于發(fā)射流程的組織和推進(jìn)劑品質(zhì)的保證。

4結(jié)論

建立了能夠較為準(zhǔn)確描述低溫推進(jìn)劑加注停放過程中貯箱內(nèi)各參數(shù)變化歷程的模型，使用該模型對(duì)推進(jìn)劑加注速度、加注溫度、外界漏熱率以及排氣能力進(jìn)行了分析，主要結(jié)論如下:(1)推進(jìn)劑加注速度顯著影響著發(fā)射組織時(shí)間，在地面系統(tǒng)和箭上系統(tǒng)設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，宜采用盡量快的加注速度以節(jié)省時(shí)間;(2)推進(jìn)劑加注溫度越高，其過熱度越大，蒸發(fā)量也越大，后續(xù)射前補(bǔ)加量需增加，宜盡可能降低推進(jìn)劑加注溫度;(3)外界漏熱率不僅顯著影響著推進(jìn)劑蒸發(fā)量和停放時(shí)間，而且當(dāng)排氣能力和外界漏熱未能達(dá)到有效協(xié)調(diào)時(shí)，還將嚴(yán)重影響推進(jìn)劑溫度品質(zhì)，宜盡量減小外界漏熱率;(4)貯箱排氣能力顯著影響著推進(jìn)劑溫度和消耗量，適當(dāng)增加系統(tǒng)排氣能力，利于發(fā)射流程的組織和推進(jìn)劑品質(zhì)的保證。

作者：黃兵 陳士強(qiáng) 李東 黃輝 魏一 單位：北京宇航系統(tǒng)工程研究所 中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院