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冷氦直接增压排放推进剂试验系统的研制及性能调试

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低温工程 2020年第3期 5-10页

作者：邹震峰任枫程光平黄永华李晓慈汪彬上海交通大学制冷与低温工程研究所上海200240 上海宇航系统工程研究所上海201108

针对在液氧贮箱内贮存冷氦气并用于增压煤油贮箱排放的技术方案,研制了一套以液氮为冷源,借助换热器冷却常温氦气获得冷氦,继而送入煤油贮箱进行挤压排放的地面模拟试验系统。对该试验系统的主要功能进行了调试,包括流量调控测试,以及... 详细信息

针对在液氧贮箱内贮存冷氦气并用于增压煤油贮箱排放的技术方案,研制了一套以液氮为冷源,借助换热器冷却常温氦气获得冷氦,继而送入煤油贮箱进行挤压排放的地面模拟试验系统。对该试验系统的主要功能进行了调试,包括流量调控测试,以及最大排液流量、制冷能力和贮箱内部温度分布测量等。结果表明,该试验系统能够安全可靠地模拟箭上冷氦增压系统的工作过程,可用于相关原理性验证试验和机理研究。

关键词：液体火箭冷氦增压排放煤油试验系统

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冷氦换热器低温换热试验研究

低温工程 2014年第6期 46-50页

作者：孙善秀帅彤吴姮杜正刚李德权王道连北京宇航系统工程研究所北京100076

为验证采用液氧对冷氦加温的可行性,研究光管、整体翅片管两种形式的换热器在不同流量、压力下的换热性能,开展了冷氦换热器的原理性试验和数值仿真研究。研究结果表明:相同工况下,整体翅片管换热效果比光管好很多,整体翅片管对强化换... 详细信息

为验证采用液氧对冷氦加温的可行性,研究光管、整体翅片管两种形式的换热器在不同流量、压力下的换热性能,开展了冷氦换热器的原理性试验和数值仿真研究。研究结果表明:相同工况下,整体翅片管换热效果比光管好很多,整体翅片管对强化换热效果明显,数值仿真结果与试验结果吻合较好。

关键词：冷氦换热器试验研究

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冷氦增压电磁阀动力学稳定性分析

液压与气动 2015年第6期39卷 97-100页

作者：叶超余武江陈二锋王海洲李文斌北京宇航系统工程研究所北京100076

对一种冷氦增压电磁阀构建了阀芯运动控制方程及AMESim模型,通过线性稳定性分析求解电磁阀的压力-流量临界稳定曲线,并开展主阀芯的扰动响应特性分析。计算结果表明,流量较小时阀芯平衡状态不稳定,受到微小扰动就会形成自激振动;随着流... 详细信息

对一种冷氦增压电磁阀构建了阀芯运动控制方程及AMESim模型,通过线性稳定性分析求解电磁阀的压力-流量临界稳定曲线,并开展主阀芯的扰动响应特性分析。计算结果表明,流量较小时阀芯平衡状态不稳定,受到微小扰动就会形成自激振动;随着流量增大,平衡状态逐渐趋于稳定;同一工作压力下,介质为冷氦时电磁阀的稳定性优于常温氦气和空气;增加电磁阀与孔板间的连接管路长度,能够提高阀门工作稳定性。

关键词：冷氦电磁阀自激振动临界稳定曲线

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煤油贮箱冷氦直接增压系统实验与仿真研究

煤油贮箱冷氦直接增压系统实验与仿真研究

作者：邹震峰上海交通大学

学位级别：硕士

增压系统是运载火箭的重要组成部分,其结构和形式对火箭的运载能力和稳定性具有重大影响。目前,增压系统常用的增压方式有燃气增压、自生增压和气瓶增压等方式,其中气瓶增压由于具有相容性好、可灵活设计等优点具有相对广泛的应用,同时... 详细信息

增压系统是运载火箭的重要组成部分,其结构和形式对火箭的运载能力和稳定性具有重大影响。目前,增压系统常用的增压方式有燃气增压、自生增压和气瓶增压等方式,其中气瓶增压由于具有相容性好、可灵活设计等优点具有相对广泛的应用,同时氦气因具有密度小、沸点低不易冷凝等优点常用作气瓶增压的介质,以冷氦为介质的增压被称作冷氦增压。冷氦增压在液氢/液氧、液氧/煤油火箭上运用较多,目前常用的冷氦增压系统由于需将贮存的冷氦加热至常温或高温,往往需安装换热器,具有复杂的结构和庞大的质量。若能够对其原理和结构进行优化,省略部分部件的布置,则能够很好地降低液体火箭的结构质量,有效地提升火箭的运载能力。本文对液氧/煤油火箭的冷氦增压系统进行了结构优化设计,同时为了验证优化方案的实际效果,并探究相关规律,针对该方案开展了实验研究和模拟分析。具体研究内容包括:(1)针对液氧/煤油火箭提出了煤油贮箱冷氦直接增压方案,将冷氦气瓶贮存于液氧箱中,增压时直接将其通入煤油贮箱的液体区,与煤油接触换热,将冷氦气加热至接近煤油温度,体积迅速膨胀,这样既能达到显著增压效果,又省却了换热器,还减少了结构质量。(2)基于冷氦直接增压方案,研制并搭建冷氦直接增压地面试验系统。通过液氮冷却常温氦气来模拟火箭上使用的液氧温区的冷氦气,同时使用缩比模型建立地面试验贮箱来模拟火箭上的煤油箱,控制冷氦气进入煤油试验贮箱中进行增压排液,获取增压过程中的实验数据以评价该方案的实际增压效果,并对增压规律进行分析。(3)基于所搭建的实验系统,分别以不同的增压气体入口位置、扩散器形式、增压气体介质和排液介质进行实验,分析了这些因素对增压的影响。通过实验确定了增压气体通入液体区进行增压时具有更强的增压能力,同等条件下可节约33.1%的氦气,但控制箱压及排液流量稳定的难度增大,同时通过实验确定了氦气和氮气、煤油与水的相似性问题。此外,通过实验确定了多种工况下均不发生液体结冰及气泡进入排液管路的现象。(4)针对实验系统构建了数值模型,通过模型补充分析了排液流量对增压的影响规律。对于液体区增压,由于增压气体得到充分换热,进入贮箱气枕区的温度均接近液体温度,因此其增压气体消耗率基本维持恒定,不受排液流量影响;对于气枕区增压,排液流量越大,气枕平均温度就越低,增压气体消耗率就越大,增压气体消耗率与排液流量近似成线性关系。通过上述内容的研究,阐述了煤油贮箱冷氦增压系统的优化方向,揭示了冷氦直接增压方案中影响增压效果的主要因素及其作用规律,丰富了冷氦增压系统的理论认知和技术方案,为后续箭上开展该方案提供了参考与帮助。

关键词：液体火箭煤油贮箱推进系统冷氦增压排液

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冷氦换热器翅片结构仿真优化分析

低温与特气 2015年第1期33卷 9-14页

作者：孙善秀帅彤吴姮张立强李德权王道连北京宇航系统工程研究所北京100076

应用商业软件Ansys CFX 11.0对冷氦换热器多种结构尺寸的翅片进行了数值仿真,分析了翅片高度、翅片间距、翅片内表面温度对翅片管自然对流换热的影响。结果表明:对于管径一定的换热器,翅片厚度一定时,有一个最佳的翅高翅距比,对应于最大... 详细信息

应用商业软件Ansys CFX 11.0对冷氦换热器多种结构尺寸的翅片进行了数值仿真,分析了翅片高度、翅片间距、翅片内表面温度对翅片管自然对流换热的影响。结果表明:对于管径一定的换热器,翅片厚度一定时,有一个最佳的翅高翅距比,对应于最大的Nusselt数。

关键词：冷氦换热器翅片优化

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冷氦换热器的传热设计与计算

冷氦换热器的传热设计与计算

第八届全国低温工程大会暨中国航天低温专业信息网2007年度学术交流会

作者：才丽红北京航天试验技术研究所

介绍了液氢-冷氦换热器的传热设计与计算,液氢．冷氦换热器采用液池法换热,并通过套管挟热方式充分利用氢蒸汽显热。

关键词：液氢冷氦换热器

来源： cnki会议评论

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某液氢温区氦气加温换热系统设计与模拟试验

低温工程 2013年第6期 44-47页

作者：赵耀中王森郑然尹奇志北京航天试验技术研究所北京100074

为满足某型号火箭冷氦增压系统研制试验条件要求,需模拟发动机冷氦加温换热管道的工作性能。通过3种换热器方式特点的对比,确定了低温氦气-氮气换热的加温换热方案。并对冷氦换热器及相关系统进行了设计、加工和配置,经调试试验获取了... 详细信息

为满足某型号火箭冷氦增压系统研制试验条件要求,需模拟发动机冷氦加温换热管道的工作性能。通过3种换热器方式特点的对比,确定了低温氦气-氮气换热的加温换热方案。并对冷氦换热器及相关系统进行了设计、加工和配置,经调试试验获取了换热器系统在入口温度较高的条件下之性能参数,分析认为换热系统可以满足模拟试验系统要求。该系统经模拟试验考核,结果表明,设计条件下,氦气温升参数与任务要求值相契合,系统方案达到了设计目的。

关键词：冷氦液氢氮气换热器试验

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低温气瓶的气液两相热质传输特性研究

低温气瓶的气液两相热质传输特性研究

作者：刘拓上海工程技术大学

学位级别：硕士

增压技术,尤其是冷氦增压技术是低温液体推进系统的核心技术之一。该增压系统通常以低温氦气作为增压介质并将增压所用气瓶放置在推进剂贮箱内,低温高压氦气经过一系列的减压和加温后进入推进剂箱气枕内,以保证发动机泵入口液氧的压力... 详细信息

增压技术,尤其是冷氦增压技术是低温液体推进系统的核心技术之一。该增压系统通常以低温氦气作为增压介质并将增压所用气瓶放置在推进剂贮箱内,低温高压氦气经过一系列的减压和加温后进入推进剂箱气枕内,以保证发动机泵入口液氧的压力要求。冷氦增压能够减轻增压系统的重量,同时减少常温气瓶的补压用气量。本文的主要工作内容、理论与工程技术难点以及创新点如下:(1)初步分析和调研了国内外火箭发动机的增压系统,阐释了不同增压系统的种类、工作原理和优缺点。对推进剂的种类和火箭发展的历史进行了阐述。“SindaFluint”为一款NASA指定软件,我们学习研究了其使用方法和特点。这是本文的基础所在。(2)氦气近临界区物性分析。氦气在近临界区域的物性对于冷氦增压有着重要的意义,通过调研氦气的热力学和传输性质方面的文献,并根据文献中提供的关于氦气物性的方程,编写了氦气的物性计算程序,程序能够在给定压强、温度的情况下,计算氦气的密度、熵、焓、定比热容、热导率、和粘滞系数,其中具体的计算范围为:2K冷氦加注过程中气瓶内温度压力达到稳定所需的时间、冷氦气瓶充气过程中气瓶内所达到的最高温度的模拟,本文利用仿真分析软件SindaFluint,对氧箱冷氦增压系统的氦气加注过程工作段进行了基于集总参数法的建模与分析。我们对冷氦气瓶加注过程给出了最优加注流量,并分析了气瓶内温度压力达到稳定所需的时间、冷氦气瓶充气过程瓶内最高温度。在最优加注量的前提下进一步分析对比了不同加注流量时气瓶内温度、压力达到稳定时所需要的时间,以及在不同的加注流量情况下,液氧内所能达到的最高温度(4)发动机推进剂贮箱中的增压过程是一个复杂的多参数的相互兼容耦合过程,本章节在调研分析目前世界上主流增压技术的基础上,对冷氦增压过程进行了结构和原理上的介绍分析,突出了冷氦增压的优势。初步制定出了冷氦增压的工作时序。针对于推进剂箱中的气瓶的放置结构,我们创新性的提出了不同的布局方式构想并进性了模型的搭建和模拟。模拟结果显示在两种布局方式下,液氧箱中温度和压力变化情况略有不同,为后续相关实验的展开提供理论依据。

关键词：冷氦增压氦气液氧 SindaFluint仿真