低溫推進劑地面加注停放階段蒸發量探討范文

本站小編為你精心準備了低溫推進劑地面加注停放階段蒸發量探討參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

《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的主要因素。研究表明:為縮短發射組織時間、優化加注流程、提升推進劑品質，在全系統能力范疇內，低溫推進劑加注過程應提高推進劑加注速度，降低推進劑加注溫度，盡量減小外界環境漏熱率，并適當增加系統排氣能力。

關鍵詞:

低溫推進劑；加注停放；蒸發量

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。相對于常規推進劑，低溫推進劑具有超低溫、易沸騰、蒸發等特點，對低溫推進劑蒸發量的有效控制是確保液體火箭正常發射的重要環節。低溫推進劑蒸發影響主要表現在:(1)蒸發量大小直接影響射前補加量和實施過程;(2)蒸發過程伴隨著吸熱冷卻過程，對推進劑溫度品質影響較大;(3)推進劑加注、停放蒸發時間顯著影響著發射組織時間。低溫推進劑經加注系統進入貯箱后，在外界漏熱以及所加注推進劑過熱度的雙重趨勢作用下，推進劑液面將出現大量汽化、蒸發，從而在氣枕空間形成壓力，其大小主要取決于蒸發量、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過程產生影響。鑒于低溫推進劑的特性和系統實際需要情況，目前國內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:低溫推進劑預冷加注階段貯箱內推進劑相變劇烈，氣枕壓力和推進劑平均溫度出現大幅降低;快速加注階段，推進劑趨于恒溫狀態，系統參數變化受加注流量影響顯著;停放階段推進劑容積受蒸發損失的影響而逐步平穩減小，貯箱排氣閥全開引起氣枕壓力逐漸達到與外界的穩定狀態。本文采用該模型，結合低溫流體蒸發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量的因素的深入研究。

2目標系統與加注過程描述

目標系統推進劑貯箱容積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。以目標貯箱為研究對象，考慮小流量預冷加注、停放穩定、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。加注結束后，系統進入停放蒸發階段，停放過程中不進行補加。

3低溫推進劑蒸發量影響因素分析

低溫推進劑加注停放過程的蒸發現象是一個伴隨著復雜物理過程的系統性問題，影響因素較多，主要包括:推進劑加注速度、推進劑加注溫度、外界環境漏熱狀態、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特性。分析了3種設定的加注速度方案，見表1。其余主要參數:排氣閥門等效通徑為40mm;外界等效傳熱系數為2W/(m2•K)。圖1—圖4是氣枕壓力、推進劑溫度、蒸發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率均呈現出增加趨勢。停放階段，氣枕壓力、推進劑溫度和蒸發率均逐漸降低，3小時后趨于接近。表2給出了不同時段結束時貯箱內推進劑的容積狀態。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，推進劑蒸發消耗接近。推進劑加注速度顯著影響著發射組織時間，一般而言，在地面系統和箭上系統設計范圍內，宜采用盡量快的加注速度以節省時間。

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:排氣閥等效通徑為40mm，外界等效傳熱系數為2W/(m2•K)。圖5—圖8是氣枕壓力、推進劑溫度、蒸發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，蒸發趨勢越強，氣枕壓力和推進劑溫度均增加。停放階段，各參數均下降，且逐漸趨于接近，但推進劑加注溫度越高達到穩定的時間越長。表4給出了不同時段結束時貯箱內推進劑的容積狀態。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，其最終液態推進劑越少，推進劑蒸發消耗量越大。推進劑加注溫度越高，其過熱度越大，蒸發量也越大，后續射前補加量需增加。此外，對于給定系統，在確保推進劑溫度品質相同情況下，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外界環境漏熱狀態影響外界環境漏熱狀態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2)，分析了4種等效外界漏熱率，狀態1:2W/(m2•K);狀態2:5W/(m2•K);狀態3:10W/(m2•K);狀態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、推進劑溫度和蒸發率隨漏熱率的增加而增加的趨勢得以繼續保持。但值得關注的是，在高漏熱情況下，貯箱壓力和推進劑溫度并沒有延續之前逐漸減小的趨勢，而是逐漸增加，雖歷經3小時停放仍未達穩定，如下所述，這主要是進入系統的熱量超過了排氣閥的排氣能力。表5給出了不同時段結束時貯箱內推進劑的容積狀態。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率差異;在停放階段，隨著外界漏熱率的增加，推進劑蒸發量顯著增大。外界漏熱率不僅顯著影響著推進劑蒸發量和停放時間，而且當排氣能力和外界漏熱未能達到有效協調時，還將嚴重影響推進劑溫度品質。因此，為了確保射前流程和推進劑品質，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2)，分析了4種等效排氣通徑，狀態1:40mm;狀態2:50mm;狀態3:65mm;狀態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，蒸發率增加，氣枕壓力和推進劑溫度相應減小。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出明顯下降趨勢，實現了對推進劑溫度的有效控制。表6給出了不同時段結束時貯箱內推進劑的容積狀態。從中可以看出，排氣有效通徑越大，同等時間內推進劑容積越少，推進劑蒸發消耗越多，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，適當增加系統排氣能力，利于發射流程的組織和推進劑品質的保證。

4結論

建立了能夠較為準確描述低溫推進劑加注停放過程中貯箱內各參數變化歷程的模型，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，主要結論如下:(1)推進劑加注速度顯著影響著發射組織時間，在地面系統和箭上系統設計范圍內，宜采用盡量快的加注速度以節省時間;(2)推進劑加注溫度越高，其過熱度越大，蒸發量也越大，后續射前補加量需增加，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量和停放時間，而且當排氣能力和外界漏熱未能達到有效協調時，還將嚴重影響推進劑溫度品質，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，適當增加系統排氣能力，利于發射流程的組織和推進劑品質的保證。

作者：黃兵 陳士強 李東 黃輝 魏一 單位：北京宇航系統工程研究所 中國運載火箭技術研究院