第六次课-挤压式推进剂输送系统的设计.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,挤压式推进剂输送系统的设计,输送系统的选择：,飞行器的任务，,它的尺寸和重量，,推力和飞行时间，,推进系统的可利用空间以及可靠性,其它因素。,依照它的能源，挤压式输送系统可分成四种主要类型,:,(1),贮气系统,;,(2),推进剂汽化系统,;,(3),非推进剂汽化系统，,(4),利用化学反应产物的系统。,根据,发动机系统设计、推进剂的类型、任务的要求,和适用的经验来选择输送系统的类型。,考虑的问题为,:,(1),挤压气体与推进剂和贮箱材料的,相容性,(2),期望的,系统可靠性和复杂性,;,(3),挤压气体的分子量,:,较低的分子量可以减少每单位压力和单位贮箱容积所需的挤压气体重量，结果使停火点时的飞行器系统重量降低，从而改善了质量比,;,(4),挤压式输送系统的,比重,，,每单位重量有用的挤压气体所需挤压系统的总重量,(,包括系统组件和挤压气休,),。,1,、挤压物质,(,增压剂,),需要量的确定,必要的发动机系统数据和假设,推进剂和包括挤压物质的输送系统之设计使用温度范围,;,推进剂的类型、它们的重量和在工作温度范围两端相应的容积，,总的贮箱容积,:,名义值和公差，,在温度极限时，贮箱初始气垫容积占贮箱总容积的百分数,(“,气垫”的术语表示推进剂贮箱没有被推进荆占据的那部分空间,);,发动机停火点时，携带的推进剂占推进剂总容积的百分数，,贮箱的工作压力,:,名义值和公差，,发动机系统的工作时间,:,名义值和变化。,影响挤压物质需要量的因素,1,、推进剂汽化,推进剂的挥发性、,进入气体的温度、,气体的扰动、液体的晃动、,包括内部结构元件的贮箱几何形状和推进剂的排出速度。,不论发生什么程度的汽化，都能降低气体的温度，并且增加了推进剂蒸汽,(,作为挤压气体的一种组份,),。,随着液体推进剂液面的下降，在贮箱壁面上可能附有一层液体膜，进一步助长了推进剂的汽化。,2,、贮箱壁温,如果挤压气体比贮箱壁热，结果使气体冷却，使壁加热。,另一方面，贮箱壁在飞行中的气动力加热，可以引起挤压气体的加热。这也可以加热推进剂和增加汽化效应，并提高涡轮泵输送系统钓净正抽吸压头的要求。,3,、蒸汽的凝结,挤压气体中像水蒸汽之类的某些组份可以凝结。即使大部分气体处于可凝组份的露点以上，可是贮箱壁上或推进剂表面仍有可能发生局部凝结。,4,、挤压气体的溶解度,如果挤压气体中包含有能在推进剂中洛解的组份，这些组份可以扩散到推进剂中。,溶解度一般受温度和,.,压力条件的影响。,5,、气垫气体的压缩,如果在起动之前，贮箱气垫的空间充满了低压的气体，挤压开始时将会引起绝热压缩。,这就能在工作开始几秒钟的时间内显著提高气垫空间的温度。,6,、化学反应,如果挤压气体的任何组份与推进剂发生化学反应，其反应产物可以成为气体的一种组份。,7,、挤压气体的扰动,如果气体允许搅动液体推进剂表面，挤压气体和推进剂之间的热交换是非常之大的。,这种影响可用一个扩散器来预防，扩散器使气体平稳地散布到贮箱的顶部和侧面。,挤压物质需要量的设计计算,如果系统的工作时间较短，或者如果挤压物质的温度接近或低于推进剂的温度，那么,热交换和质量交换,的影响就可以忽略不计。所需的挤压物质的重量也就可以用理想气体定律来计算,:,然而在,系统工作时间较长和挤压物质温度较高,的情况下，挤压物质的需要量用下面的程序来确定可能最好。,首先研究一次起动工作,不要求滑行时间和多次起动,),和忽略来自贮箱壁的热交换，从挤压气体到汽化了的推进剂总的热量传递可用方程,热量,Q,按下式计算，假设为加热和汽化推进剂,:,被汽化了的推进剂所占据的那部分容积，可由下式得到,:,忽略剩余的推进荆，在停火点时保持的贮箱容积可假设由挤压气体占据,:,挤压气体的重量可用理想气体定律计算,这样，由以上方程对于所假设的,Tw,就可计算出,Tg,的要求值。但若预先确定,Tg,值是不变的，则,Wg,、,Wv,和,Tv,须满足下式和其它有关方程,:,至此，已经忽略了来自贮箱壁的热交换,但若在挤压气体、推进剂和贮箱壁之间，有相当的温差时，为确定停火点时汽化了的推进剂，就必须考虑它们之间的总的传热量。,式中，,Qw2,是在整个任务中贮箱壁与液体及气态推进剂之间总的换热量。,正 号,(,十,),或负号,(,一,),表示贮箱壁放出热还是吸收热。,特殊情况：,如果飞行器的任务包括了若干个主动段和滑行段，在计算通过气一液交界面的热交换时，就应该把总的任务时间考虑在内。,其它的影响因素，如蒸汽的凝结，挤压气体在推进剂中的溶解和挤压气体与推进剂的化学反应等包括在经验数据中。但是没有可供直接应用的方程。,计算实例,兰氏度,英文名字为：Rankine,。为热力学温度，由格拉斯哥大学工程师,William John Macquorn Rankine,在,1859,年提出并且命名，单位为,R,。,绝对零度的时候（即,0,开尔文），兰氏度也为零。但是兰氏度定义为华氏度减去相应值而不像开尔文是定义为摄氏度减去相应值。,R=F+459.67,，也可以,R=K 1.8,。,列氏度,拼写为：,Raumur,。,列氏温标（记为,R,Re,R,）由法国科学家,Ren Antoine Ferchault de Raumur,於,1731,年提出的。水的冰点被订为列氏,0,度，而沸点则为列氏,80,度。因此，如欲将列氏温标表示的温度转为摄氏温标须把列氏乘上,1.25,（即,oC=1.25oR,）。如换成热力学温标，则使用,K=1.25oR+273.15,。即,R=0.8 C,。,2,、贮气系统,3000,磅力,/,平方英寸,=204.13,标准大气压,5000,磅力,/,平方英寸,=340.22,标准大气压,常用结构：,1,、不加热的氦气系统,它由高压气瓶，一个开关活门和一个压调器组成。,经过调节的氦气直接进人主推进剂贮箱。,它的优点是非常简单，但是由于温度较低，因此气体的比容较低，所以系统重量比较重。,2,、用推力室热交换器加热的氦气系统,它由一个高压氦气瓶，一个开关活门，推力室热交换器和一个压调器所组成。,热交换器是推力室扩散喷管的一部分，并从推力室的燃烧过程中吸收热量。,从整个性能和重量考虑，热交换器设置在系统的高压部分更为有利。,气体容积因加热而增加，因而使贮箱增压所需的气体的质量减少。,但在系统工作终了时在气瓶中仍贮有相当数量的冷的、高密度氦气。,3,、氦气串联系统,设计成由于氦气在膨胀过程的冷却而使系统重量最轻。,系统的组件包括几个等压的氦气瓶，但尺寸不同，其中西个被一柔性隔膜隔开，三个推力室热交换器，一个开关活门和一个压调器。,当系统工作时，氦气从第一个最小的容器流经一个热交换器，全部转移到中间的容器。中间容器的氦气依次通过第二个热交换器并全部转移到最后的最大的容器中。,最后容器的氦气流经第三个热交换器并挤压主推进剂箱。,在工作终了时，仅仅在小容器中贮有低温，高密度的氦气，而两个较大的容器贮有相当热的低密度氦气。,对比前面的系统，在那里是一个大的气瓶中局部充满了低温,i,高密度的氦气。,串联系统的缺点是重量大和结构复杂口,3,、在气瓶内部加热的氦气系统,它由一个内部装有一个热交换器或其它热源装置的高压氦气瓶，一个开关活门和一个压调器所组成。,这种系统提供较高温度的氦气到主推进剂贮箱，同时保证了在气瓶中剩留较热的气体。,缺点是需要一个较大和更复杂的高压容器和在工作时操纵的可能性。,贮气器要量的计算,以上讨论的设计计算只适用于挤压推进剂贮箱所需的,纯的或有效的气体量,。,但是，对于一给定系统所需贮气的总重量还取决于系统设计、工作时的膨胀过程和在系统作用时的环境温度范围。,根据系统停火点的状态，总的贮气的需要量可以表示为如下的关系,:,规定这些附加气体量的参数是挤压物质的利用系数，定义为总的贮气需要量或气瓶中初始气体量对利用了的挤压物质净重量之比。,最小气瓶压力,挤压系统安全工作所需要的最小气瓶压力是由各个系统的压降确定的。,贮气系统组合件的设计,气瓶,由于高压和重量轻的要求，所以气瓶一般是采用高强度重量比的材料，作成球形容器。,气瓶的结构材料已成功地使用不锈钢、钛和缠绕塑性纤维,(,如玻璃丝,),来加强的轻的铝衬筒。,压力调节器,由于气瓶内压力较高，而使用点所需的压力却较小，所以需要用减压器来把储存在气瓶内的较高压力的气体降为低压气体，并应保证所需的工作压力自始至终保持稳定状态。,总之，减压器是将高压气体降为低压气体、并保持输出气体的压力和流量稳定不变的调节装置。,推力室热交换器,3,、推进剂汽化系统,这个概念只适用于热稳定的、低沸点,(,正常,),的推进剂，例如广泛使用的冷冻或接近冷冻的推进剂。特别适合于低分子量的冷冻推进剂，如氢。,推进剂汽化系统对泵压式输送的发动机而言，通常使用的推进剂取自泵的下游，并在热交换器中汽化，随后用这些蒸汽返回来增压推进剂。,图,1.2,液体火箭发动机示意图,采用涡轮排出的废气作为热源。如果推进剂在再生冷却推力室中作为冷却剂，则汽化的推进剂常常直接从推力室冷却通道下游的支管中引出。,A-2,级主氧化剂贮箱的增压物质是取自氧化剂泵的下游，并在位于氧化剂涡轮泵排气管内的热交换器中汽化。,这级的主燃料箱是由从推力室冷却导管下游燃料支管中引出的热氢气来增压。,两个贮箱的压力可以用压力开关一电磁活门的组合来调节，或用调节器来调节。,4,、应用化学反应产物的系统,使用由固体或液体推进剂产生的热燃气产物的增压系统，在可贮存液体推进剂发动机上已得到成功的发展。,另一种用于非冷冻推进剂的技术为主推进剂箱喷注增压系统，它是将自燃的流体喷注入贮箱中，由在贮箱内发生的反应产物来增压。,这些方法,不能用于冷冻推进剂,，因为像水那样的反应产物会凝结，并且由于燃烧热将会提高推进剂的温度，这对冷冻推进剂是不希望的。,燃烧产物用于增压系统有两个重要因素,:,推进剂的相容性和燃气的温度高低,。,除非对于很短的工作时间,(,几秒,),，为防止反应，使用富燃的燃气挤压燃料贮箱，同理，富氧燃气用于氧化剂贮箱。,挤压燃气产物的温度应维持或冷却到,650,以下。,固体推进剂燃气发生器挤压输送系统,这种挤压方式由于其本身的简单、生产成本低、能长期存放、系统重量较轻和结构紧凑而被首先使用。,这种系统通常是由两个电点火的起爆管或发火管，点火器装药，安全和解除保险的装置，一个压力保险式调节器以及推进剂药柱组成的。,固体推进剂燃气发生器挤压系统的选择和设计，必须考虑可能存在的问题，以下儿点应注意,:,(1),挤压气体与推进剂的化学和温度相容性,;,(2),压力调节的困难,;,(3),燃气流中携带的固体微粒对系统的阻塞。,(4),缺乏多次起动的能力。,(5),万一发动机过早停车时要求快速放气。,液体推进剂气体发生器挤压系统,单元液体推进剂和双组元液体推进剂两种燃气发生器已经成功地用于较长工作时间的发动机系统中产生挤压气体。,燃气发生器系统的选择和设计必须考虑,推进剂的相容性，推进剂和贮箱材料的使用温度范围和气体的分子量,。,主推进箱直接喷注挤压系统,5,、挤压输送系统的选择,选择系统的四个主要标准是,:,飞行器的任务要求，,推进剂和材料的相容性，,系统的可靠性,和系统的性能。,任务的要求,包括贮存能力，系统的瞬时起动和多次起动，以及控制压力的精确度,(,稳态或动态,),。,相容性,包括化学惰性，过凝结和过溶解气体产物的游离，以及适当的挤压物质温度。,可靠性,是在系统复杂性、故障的次数和系统组件数目的基础上评定的，而组件可靠性程度在研制时间和资金支配的范围内又必须是经济的。,系统的性能,是在整个挤压系统重量的基础,.,上确定的，而总重量又受挤压物质分子量和系统比重的影响。,挤压系统的总重量被认为是死重，这是因为在停火点时整个挤压物质和系统组件为飞行器系统重量的一部分。,涡轮泵推进剂输送系统的设计,在,大推力、长时间工作,的液体推进剂火箭发动机中，涡轮泵输送系统,(,与气体挤压式输送系统相比，一般具有,较低的系统重量和较高的性能,。,涡轮泵输送系统所需的泵进口压力较低，因此贮箱压力也较低，推力室进口所要求的压力，主要是由泵供给的。,这样就大大地减轻了贮箱重量，对于大型飞行器，这点尤为显著。,