低溫推進劑地面加注停放階段蒸發(fā)量探討范文
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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劑加注、停放過程的計算模型，分析了影響低溫推進劑加注停放階段蒸發(fā)的主要因素。研究表明:為縮短發(fā)射組織時間、優(yōu)化加注流程、提升推進劑品質(zhì)，在全系統(tǒng)能力范疇內(nèi)，低溫推進劑加注過程應(yīng)提高推進劑加注速度，降低推進劑加注溫度，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:
低溫推進劑；加注停放；蒸發(fā)量
1引言
中國新一代運載火箭廣泛采用液氫、液氧低溫推進劑。相對于常規(guī)推進劑，低溫推進劑具有超低溫、易沸騰、蒸發(fā)等特點，對低溫推進劑蒸發(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加量和實施過程;(2)蒸發(fā)過程伴隨著吸熱冷卻過程，對推進劑溫度品質(zhì)影響較大;(3)推進劑加注、停放蒸發(fā)時間顯著影響著發(fā)射組織時間。低溫推進劑經(jīng)加注系統(tǒng)進入貯箱后，在外界漏熱以及所加注推進劑過熱度的雙重趨勢作用下，推進劑液面將出現(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推進劑蒸發(fā)過程產(chǎn)生影響。鑒于低溫推進劑的特性和系統(tǒng)實際需要情況，目前國內(nèi)外運載火箭在低溫推進劑的加注方法上普遍按照典型的4個階段來實施，即小流量加注、大流量加注、減速加注和停放補加。本文前期工作［1］給出了描述低溫推進劑加注停放過程特性的模型，并開展了試驗驗證，研究表明:低溫推進劑預(yù)冷加注階段貯箱內(nèi)推進劑相變劇烈，氣枕壓力和推進劑平均溫度出現(xiàn)大幅降低;快速加注階段，推進劑趨于恒溫狀態(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］，進一步開展低溫推進劑加注停放過程中影響推進劑蒸發(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，低溫推進劑為液氧。以目標(biāo)貯箱為研究對象，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)進入停放蒸發(fā)階段，停放過程中不進行補加。
3低溫推進劑蒸發(fā)量影響因素分析
低溫推進劑加注停放過程的蒸發(fā)現(xiàn)象是一個伴隨著復(fù)雜物理過程的系統(tǒng)性問題，影響因素較多，主要包括:推進劑加注速度、推進劑加注溫度、外界環(huán)境漏熱狀態(tài)、推進劑貯箱排氣能力。
3．1推進劑加注速度對于泵壓式加注方案，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、推進劑溫度、蒸發(fā)率以及推進劑容積情況。從中可以看出，在加注階段，隨著加注速度的增加，氣枕壓力、推進劑溫度和推進劑蒸發(fā)率均呈現(xiàn)出增加趨勢。停放階段，氣枕壓力、推進劑溫度和蒸發(fā)率均逐漸降低，3小時后趨于接近。表2給出了不同時段結(jié)束時貯箱內(nèi)推進劑的容積狀態(tài)。盡管加注速度有了較大提高，但長時間停放后，最終對推進劑的容積影響并不大，推進劑蒸發(fā)消耗接近。推進劑加注速度顯著影響著發(fā)射組織時間，一般而言，在地面系統(tǒng)和箭上系統(tǒng)設(shè)計范圍內(nèi)，宜采用盡量快的加注速度以節(jié)省時間。
3．2推進劑加注溫度推進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、推進劑溫度、蒸發(fā)率以及推進劑容積情況。從圖中可以看出，推進劑加注溫度越高，蒸發(fā)趨勢越強，氣枕壓力和推進劑溫度均增加。停放階段，各參數(shù)均下降，且逐漸趨于接近，但推進劑加注溫度越高達到穩(wěn)定的時間越長。表4給出了不同時段結(jié)束時貯箱內(nèi)推進劑的容積狀態(tài)。從中可以看出，進入貯箱推進劑溫度越高，在相同加注容積情況下，其最終液態(tài)推進劑越少，推進劑蒸發(fā)消耗量越大。推進劑加注溫度越高，其過熱度越大，蒸發(fā)量也越大，后續(xù)射前補加量需增加。此外，對于給定系統(tǒng)，在確保推進劑溫度品質(zhì)相同情況下，該過程顯著影響著停放時間。因此，宜盡可能降低推進劑加注溫度。
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、推進劑溫度、蒸發(fā)率以及推進劑容積情況。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、推進劑溫度和蒸發(fā)率也越高。進入停放階段后，貯箱氣枕壓力、推進劑溫度和蒸發(fā)率隨漏熱率的增加而增加的趨勢得以繼續(xù)保持。但值得關(guān)注的是，在高漏熱情況下，貯箱壓力和推進劑溫度并沒有延續(xù)之前逐漸減小的趨勢，而是逐漸增加，雖歷經(jīng)3小時停放仍未達穩(wěn)定，如下所述，這主要是進入系統(tǒng)的熱量超過了排氣閥的排氣能力。表5給出了不同時段結(jié)束時貯箱內(nèi)推進劑的容積狀態(tài)。從中可以看出，加注階段推進劑容積差別并不明顯，推進劑密度變化補償了蒸發(fā)率差異;在停放階段，隨著外界漏熱率的增加，推進劑蒸發(fā)量顯著增大。外界漏熱率不僅顯著影響著推進劑蒸發(fā)量和停放時間，而且當(dāng)排氣能力和外界漏熱未能達到有效協(xié)調(diào)時，還將嚴(yán)重影響推進劑溫度品質(zhì)。因此，為了確保射前流程和推進劑品質(zhì)，宜盡量減小外界漏熱率。
3．4推進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、推進劑溫度、蒸發(fā)率以及推進劑容積情況。加注階段，隨著排氣閥有效流通通徑增加，蒸發(fā)率增加，氣枕壓力和推進劑溫度相應(yīng)減小。進入停放階段，即使等效外界漏熱率達到了20W/(m2•K)，排氣閥有效流通通徑的增加，仍使氣枕壓力和推進劑溫度呈現(xiàn)出明顯下降趨勢，實現(xiàn)了對推進劑溫度的有效控制。表6給出了不同時段結(jié)束時貯箱內(nèi)推進劑的容積狀態(tài)。從中可以看出，排氣有效通徑越大，同等時間內(nèi)推進劑容積越少，推進劑蒸發(fā)消耗越多，但推進劑溫度顯著降低。貯箱排氣能力顯著影響著推進劑溫度和消耗量，對在同等推進劑溫度品質(zhì)要求下，對停放時間影響較大。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，使用該模型對推進劑加注速度、加注溫度、外界漏熱率以及排氣能力進行了分析，主要結(jié)論如下:(1)推進劑加注速度顯著影響著發(fā)射組織時間，在地面系統(tǒng)和箭上系統(tǒng)設(shè)計范圍內(nèi)，宜采用盡量快的加注速度以節(jié)省時間;(2)推進劑加注溫度越高，其過熱度越大，蒸發(fā)量也越大，后續(xù)射前補加量需增加，宜盡可能降低推進劑加注溫度;(3)外界漏熱率不僅顯著影響著推進劑蒸發(fā)量和停放時間，而且當(dāng)排氣能力和外界漏熱未能達到有效協(xié)調(diào)時，還將嚴(yán)重影響推進劑溫度品質(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劑品質(zhì)的保證。
作者：黃兵 陳士強 李東 黃輝 魏一 單位：北京宇航系統(tǒng)工程研究所 中國運載火箭技術(shù)研究院
