以液氧和煤油為推進(jìn)劑的新一代運(yùn)載火箭,承力式共底貯箱結(jié)構(gòu)一方面可以縮短整個(gè)運(yùn)載器長(zhǎng)度,改善運(yùn)載器長(zhǎng)徑比,二能取消液氧貯箱與煤油貯箱間的箱間段,減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量。但要求共底夾層需要良好的隔熱性能,同時(shí)承受煤油箱和液氧箱雙向壓力載荷。獲得加注過(guò)程共底夾層的溫度非穩(wěn)態(tài)分布是分析夾層隔熱和應(yīng)力性能的基礎(chǔ)�；贑FD方法,模擬了液氮加注過(guò)程,共底貯箱包括液氮貯箱和煤油貯箱以及共底夾層,從室溫到加注完成的非穩(wěn)態(tài)溫度分布。數(shù)值模型考慮了貯箱表面可能結(jié)冰時(shí)的熱邊界條件變化以及由于壁面漏熱導(dǎo)致的液氮/氮蒸氣相變蒸發(fā)。為了防止煤油局部溫度過(guò)低,重點(diǎn)分析了叉形環(huán)處包裹或未包裹PMI絕熱材料對(duì)煤油溫度場(chǎng)和液氮蒸發(fā)率的影響。計(jì)算結(jié)果表明,叉形環(huán)處包裹絕熱材料時(shí)在自然蒸發(fā)階段煤油局部最低溫度小于240 K,而未包裹絕熱材料時(shí)局部最低溫度大于260 K,滿足設(shè)計(jì)要求。仿真結(jié)果為液氧和煤油共底貯箱的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。 

【文章來(lái)源】：化工學(xué)報(bào). 2020,71(S1)北大核心EICSCD

【文章頁(yè)數(shù)】：9 頁(yè)

【部分圖文】：

共底貯箱結(jié)構(gòu)

新一代運(yùn)載火箭采用無(wú)毒、無(wú)污染的液氧和煤油推進(jìn)器[1]。共底貯箱包含煤油箱和液氧箱[2]，煤油箱在上，液氧箱在下，通過(guò)貯箱中間的橢球形共底上下隔開，共底結(jié)構(gòu)通過(guò)叉形環(huán)與上下箱體連接。液氧箱外部包裹聚氨酯絕熱泡沫。夾層構(gòu)件由三個(gè)部分組成，如圖1所示，包括厚度很薄但強(qiáng)度較高的橢球形上面板及下面板，上下面板間為厚度較厚但質(zhì)量很輕的PMI泡沫夾芯，面板和夾芯間通過(guò)膠黏劑粘接在一起。由于常溫煤油和低溫液氧間溫差約為200 K[3]，為使煤油溫度滿足發(fā)動(dòng)機(jī)入口溫度要求，液氧蒸發(fā)量滿足增壓系統(tǒng)要求，夾層共底需要良好的隔熱性能，同時(shí)能承受大溫差熱應(yīng)力以及煤油箱和液氧箱雙向壓力載荷。獲得溫度場(chǎng)分布是計(jì)算夾層熱應(yīng)力的基礎(chǔ)。本文主要研究共底貯箱，特別是夾層處，在加注低溫氧化劑降溫過(guò)程的非穩(wěn)態(tài)溫度分布。研究的共底貯箱結(jié)構(gòu)見圖2，隔熱共底貯箱主要由前短殼、前底、煤油箱筒段、夾層共底、液氧箱筒段、后底及后短殼等組成。國(guó)內(nèi)研究者對(duì)共底貯箱已經(jīng)展開了廣泛研究[3-10]。孫培杰等[4]對(duì)新研制的新一代運(yùn)載火箭液氧/煤油共底貯箱進(jìn)行了隔熱性能實(shí)驗(yàn)，煤油最低溫度為-15℃，滿足運(yùn)載火箭發(fā)射需求。他們進(jìn)一步對(duì)共底結(jié)構(gòu)進(jìn)行了傳熱數(shù)值分析，溫差與實(shí)驗(yàn)相比小于10%，但沒有建模液氧側(cè)的流動(dòng)和傳熱，且壁面溫度邊界條件設(shè)定為離散的實(shí)驗(yàn)測(cè)量值。李照謙等[5]報(bào)道了一種鋁合金面板+PMI的大溫差泡沫夾層共底貯箱結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了氣密性、受壓條件下的結(jié)構(gòu)承力以及隔熱性能測(cè)試，發(fā)現(xiàn)研制的共底結(jié)構(gòu)煤油最低溫度為17℃，總體滿足對(duì)于煤油溫度的要求。孫春方等[6]實(shí)驗(yàn)測(cè)量了聚合物泡沫與纖維增強(qiáng)復(fù)合材料組成的夾層結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度及彎曲性能。李茂等[3]對(duì)共底貯箱基于Abaques軟件開展了應(yīng)力分析，對(duì)比了PMI泡沫和玻璃鋼蜂窩夾芯性能，與低溫靜力實(shí)驗(yàn)對(duì)比吻合良好。David等[10]對(duì)受內(nèi)壓的共底貯箱進(jìn)行了屈曲特性分析。

式中，γ為潛熱。對(duì)于橢球形封頭以及圓柱筒段，剩余液氮體積VN2以及浸沒在液體中的表面積Aa(Af）都為液位高度H的函數(shù)，因此，從式(1)、式(2)和相應(yīng)的幾何關(guān)系式，可求得蒸發(fā)量以及液位高度H隨時(shí)間t的變化。計(jì)算結(jié)果如圖3所示，計(jì)算中涉及的材料物性都為常數(shù)。由圖可知，液位高度和液氮蒸發(fā)量的變化受到液氮貯箱形狀和加注速度的影響，函數(shù)大致分為4段，分段擬合出液位高度和液氮蒸發(fā)量關(guān)于時(shí)間的函數(shù)，作為氣相空間CFD計(jì)算的邊界條件通過(guò)UDF編程輸入。1.1.2 氣相空間動(dòng)網(wǎng)格CFD計(jì)算

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]航天低溫復(fù)合材料貯箱國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析[J]. 湛利華,關(guān)成龍,黃誠(chéng),楊曉波.  航空制造技術(shù). 2019(16)
[2]火箭燃料貯箱熱力學(xué)排氣系統(tǒng)控壓性能仿真研究[J]. 夏斯琦,孫培杰,李鵬,王長(zhǎng)煥,王磊,厲彥忠.  制冷學(xué)報(bào). 2019(03)
[3]液氫貯箱停放過(guò)程中的力熱分析[J]. 羅天培,張偉,李茂,張家仙.  宇航學(xué)報(bào). 2019(05)
[4]低溫推進(jìn)劑深度過(guò)冷加注技術(shù)研究及對(duì)運(yùn)載火箭性能影響分析[J]. 邵業(yè)濤,羅庶,王浩蘇,劉海飛.  宇航總體技術(shù). 2019(02)
[5]液氫縮比貯箱蒸發(fā)特性數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[J]. 王舜浩,朱文俐,胡正根,周芮,余柳,王彬,張小斌.  化工學(xué)報(bào). 2019(03)
[6]低溫液氮貯箱增壓及排氣流量控制方法[J]. 周振君,雷剛,王天祥,軒志勇.  航空動(dòng)力學(xué)報(bào). 2018(05)
[7]長(zhǎng)征五號(hào)火箭燃料箱鋁合金打造[J]. 徐心宇,王祝堂.  輕合金加工技術(shù). 2017(06)
[8]新一代運(yùn)載火箭貯箱大溫差泡沫夾層共底研制[J]. 李照謙,南博華,何騰鋒,崔凡,毛惠明.  宇航材料工藝. 2016(04)
[9]大溫差隔熱共底在運(yùn)載貯箱中的應(yīng)用研究[J]. 李茂,韓涵,唐杰,顧鋮璋,顧遠(yuǎn)之.  上海航天. 2016(S1)
[10]新一代低溫液體快速發(fā)射運(yùn)載火箭及其發(fā)展[J]. 張衛(wèi)東,王東保.  上海航天. 2016(S1)

碩士論文
[1]大型共底貯箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[D]. 朱天宇.大連理工大學(xué) 2018



本文編號(hào)：3142064