简谈新一代运载火箭燃料存储方式中的气动挤压.pdf
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1、中文科技期刊数据库(全文版)工程技术 66 简谈新一代运载火箭燃料存储方式中的气动挤压 陈洽洋 何 聪 蒋乐涛 张予霁 李 芳 广东实验中学荔湾学校,广东 广州 510360 摘要:摘要:本文从数据理论上研究新型的火箭贮箱增压技术:气动挤压。其原理就是将液体燃料以气体的方式注入贮箱,之后通过超临界注入使其达到超临界值以上,在阀门打开时,便可以像煤气罐一样释放。因为超临界的原因,这种方案可以几乎可以忽略漏热问题,也可以使其达到类似于浓缩的体积减小的效果,缺点是对材料要求很高,但我们也找到了可用的合金:38CrMoAl(执行国标:GB/T 3077-1999、GB/T1251-2009)。关键词:
2、关键词:火箭;增压;超临界储存 中图分类号:中图分类号:V11 0 引言 贮箱增压系统是伴随着液体火箭的发展而应运而生的,是液体火箭动力系统的重要分系统,所以这整个液体火箭的动力系统我们会重新设计,我们也有相应的方案。而且气动挤压主要对标方向是 KE-200 多次全流量液气循环燃烧火箭发动机,整个动力系统也会对标它。而我们设想的 KE-200 发动机除了拥有 RS-26(又称 SSME,即美国航天飞机主发动机)的高比冲,又有 RD-170 的巨大推力,还有 Raptor-2(猛禽-2)拥有液氧甲烷燃料组合,而且是同时允许液氧甲烷、煤油甲烷、液氧液氢在不同个体但是是同一型号的发动机出现,还可以将
3、燃料储存能力和发动机启动复杂度对标航空飞机。由此,该论文的研究对象正式出现:气动挤压。1 低温推进剂系统 1.1 推进剂选择 推进剂组合:A:液氢/甲烷(常规首选)B:液氧/煤油 C:液氧/液氢,主要带入计算的数据是 A 方案。1.2 预冷方式 低温火箭发动机启动前必须对发动机及其输送管路进行充分预冷。如不预冷或预冷不充分,管路及泵组件的温度就要比液体推进剂的温度高。当发动机起动时,推进剂以气相或气、液两相混合流体的状态进入管路和泵等组件。在这种条件下会引起泵的汽蚀、飞转,或延长起动时间和推力爬升的时间,且引起压力和流量的波动、富氧燃烧等现象,严重情况会使起动过程失败。目前,国内外低温火箭采用
4、的预冷方式主要可以分为浸泡预冷、排放预冷和循环预冷三种。其中,循环预冷又分为自然循环预冷和强迫循环预冷。我国新一代液体运载火箭采 用全低温动力系统,在充分继承我国现役火箭预冷方案的基础上,均采用了以循环预冷为主的预冷方案,大幅提高了火箭的发射可靠性、安全性,简化发射流程。1.2.1 第一预冷方式 采用自然流排放预冷,会配合增压方式使用汽化氧化剂冷却。一是本身这种增压方式就不用考虑太多漏热漏气问题,二是所有管道都是高压高密度状态,因为密度和压强密封的缘由,不能出现夹气现象。就算有,贮箱出口处和发动机对接口入口处的张力网,依据液体张力原理即可解决(注:本身气动挤压最严格的要求就是材料和贮箱意外存气
5、,每 100 立方米贮箱容积只许有 0.3 立方米的其他气体)。1.2.2 第二预冷方式 第二预冷方式是循环辅助预冷。其中,预冷回流管道与空档模式下的回流管道共用,从副对接口流回去,在主副对接口连接处兼 POGO 蓄压器处,有电驱回流泵在副对接口这一侧。本身第二预冷方式就是备用方案,属于系统冗余。1.3 KE-220 火箭发动机空挡模式 1.3.1 启动 发动机启动方式:采用自然流排放预冷,氢气燃烧器点火,然后驱动和增压涡轮通过电驱的方式充当了循环泵。之后,少量液氧不断流入驱动和增压涡轮,电驱动涡轮泵助力、电子打火器点火,涡轮泵启动,中文科技期刊数据库(全文版)工程技术 67 产生燃气及动能,
6、动能转换为电能后驱动四个涡轮泵,燃气直接驱动涡轮并前往主燃烧室的燃气喷注器式挡板,来冷却喷注面并点燃料和氧化剂。直至燃料、液氧都在涡轮泵的氧化剂预燃室和涡轮预燃室内燃烧,电子和燃气驱动结束。在其他情况下,还会有少许氧化剂来燃气去进行燃气增压。1.3.2 空挡 在完成启动以后,驱动增压涡轮仍在燃烧氧化剂和燃料或者一起燃烧来维持运转,燃气驱动其它涡轮继续旋转,燃料和氧化剂也确实在涡轮内增压,但燃料和氧化剂会在 T4 涡轮泵泵后返回接口处释压,接着返回贮箱。燃气在驱动完涡轮后会前往主燃烧室排放,其驱动增压涡轮和各个涡轮产生的电能也会辅助驱动涡轮转动至此,涡轮泵实现了消耗小剂量燃料和氧化剂为前提驱动四
7、个涡轮泵旋转,还有顺便实现了持续预冷实现了大推力火箭发动机也能实现脉冲启动的能力。只要主推力室阀门一开,燃料和氧化剂就可以立刻燃烧做功。1.4 加注设置(1)小剂量气体注入(最高0.1 兆帕)(2)大剂量注入(0.1 兆帕且10 兆帕)(3)超临界补充注入(最低10 兆帕且最高70兆帕)最后贮箱出口处压力表要大于 70 兆帕,小于 90兆帕,采用地面统一加注箭上分配的方案。1.4.1 涌泉 涌泉现象是指液体在连接大容积空间底部的长垂直输送管路中,由于某种原因受热汽化产生气泡,气泡不断增多聚合,形成管路阻塞,并将液柱向上“排挤出”管路而产生地向大容积空间间歇性喷发的一种气液两相流动不稳定现象。液
8、体从垂直管路中向上喷发出去以后,由于重力作用而使得管路上部大容积空间的液体重新充填管路,回到管路的液体对管路内的剩余气体有冷凝作用,高速回流的液体在重力及管路内气体冷凝坍缩共同作用下,在管路中将产生类似于水锤的压力波动效应,从而对结构造成影响。涌泉现象在天然间歇喷泉、地热井工程等地方都能观测到。1.4.2 解决方法 对于低温推进剂系统,涌泉现象发生的过程为:当一个顶部连接推进剂贮箱、底部封闭(连发动机)的垂直长管空满低温液体时,管路的漏热将通过自然对流传可液面。液氢的临界温度在 10 兆帕左右,而贮箱要求标准在 70 兆帕,在如此高的压力之下,液氢就算采用再生冷却去冷却整个推力室,几乎无法做到
9、沸腾。因为压力越高,沸点越高。而 10 兆帕下的液氢的沸点上升到四百多度,可以无视外界是否为低温状态,现在是 70到 80 兆帕。2 贮箱增压系统 2.1 气动增压 气动挤压的原理是自身超临界压强使其自主实现长期液化。氧化剂和燃料以气态的方式注入贮箱,气压不断增高,直至大于 10Mpa 时,氧化剂和燃料都会液化。继续加压,直至 60Mpa。等到运转之际,就像液化煤气罐一样打开阀门,因为压强差的原因冲向发动机,又因为空间限制与初始值本来就高,故到了发动机处还能做到 10Mpa 以上的压力,经过几次加压,理论燃烧室压强最高可以达到 30Mpa。我们不需要这么高的压强,所以这种增压方式意味着依据“压
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