航空-航天飛行器推進(jìn)增壓輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)

前言

半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，隨著航天技術(shù)的迅速發(fā)展，人類開(kāi)發(fā)宇宙空間的步伐已經(jīng)從近地空間邁向宇宙深空。作為探索宇宙空間重要工具之一的液體火箭推進(jìn)系統(tǒng)，已成為現(xiàn)代運(yùn)載火箭、航天器、空間探測(cè)和星際航行最主要的推進(jìn)裝置，可以預(yù)見(jiàn)，在今后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，它仍將具有很強(qiáng)的生命力。近十多年來(lái)，應(yīng)用于跨越洲際的航空與航天領(lǐng)域的液體推進(jìn)劑飛行器(空天飛行器)也已異軍突起，它能往返于天地間、完全可重復(fù)使用，在航空-航天軍事偵察方面極具潛在價(jià)值。各主要航天國(guó)家正在積極研制與發(fā)展此類飛行器?？梢?jiàn)，液體火箭推進(jìn)系統(tǒng)不但在航天(空間)領(lǐng)域飛行器具有重要的地位，在跨越洲際的航空與航天領(lǐng)域的飛行器也具有獨(dú)特的重要地位。航天與航空是兩個(gè)飛行環(huán)境、空域特征完全不同的概念。航天是指在地球大氣層以外的零重力(失重或低重力)狀態(tài)下的宇宙深空環(huán)境條件下的飛行；而航空則是指在地球大氣層內(nèi)的地球重力與大氣密度雙重影響下的飛行。在大氣層內(nèi)，大氣密度隨著地球表面大氣層的高度的增加而逐漸地降低，空氣變得稀薄，以至于無(wú)；地球重力則隨著距離地球表面的高度的增加而逐漸地減弱，以至趨于零。在此環(huán)境下，飛行器體內(nèi)的液體推進(jìn)劑，不僅受到地球重力變化的影響，還受到機(jī)體作用力的影響，因而反映出截然不同的特性。這就涉及飛行器火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的液體推進(jìn)劑增壓、連續(xù)輸送的可能性與可靠性問(wèn)題。如果解決方法不當(dāng)，就會(huì)危及火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作，極大地影響航空-航天飛行器的可靠性。因此，作為空天飛行器，它從大氣高層跨入空間，再?gòu)目臻g返回地球，其間所遭受到的飛行環(huán)境影響極其復(fù)雜，它的液體火箭推進(jìn)系統(tǒng)必須同時(shí)適應(yīng)航空空域和航天空域飛行。在此前提下，其增壓輸送系統(tǒng)必須具備相應(yīng)的技術(shù)條件與保障措施，才能滿足空天飛行要求。因而，空天飛行是一門(mén)特殊的新的技術(shù)領(lǐng)域，這就需要進(jìn)行深入的理論探討、分析、研究，并為之設(shè)計(jì)、制定可靠的技術(shù)方案與措施。從最廣泛使用的液體火箭推進(jìn)系統(tǒng)來(lái)看，它的主要組成為：推進(jìn)劑貯存、推進(jìn)劑加注、推進(jìn)劑分配、剩余推進(jìn)劑控制、推進(jìn)劑晃動(dòng)抑制、推進(jìn)劑增壓輸送、推進(jìn)劑管理、推進(jìn)劑排放、推進(jìn)劑縱向耦合振動(dòng)(POGO)抑制和推力產(chǎn)生裝置等系統(tǒng)。目前，它主要廣泛應(yīng)用在液體運(yùn)載火箭和航天飛行器上。它們所涉及的理論和專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域比較廣。從專業(yè)技術(shù)范疇上講，液體火箭推進(jìn)系統(tǒng)實(shí)際上包含著火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和推進(jìn)劑增壓輸送系統(tǒng)兩大部分內(nèi)容，而它們涉及的專業(yè)面也不盡相同。因此，在工程設(shè)計(jì)上，其跨度也比較大，涉及導(dǎo)彈、火箭總體設(shè)計(jì)中有關(guān)總體推進(jìn)結(jié)構(gòu)、構(gòu)型、增壓輸送與火箭發(fā)動(dòng)機(jī)等專業(yè)。在火箭設(shè)計(jì)研制中，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和增壓輸送系統(tǒng)實(shí)際上也是分別獨(dú)立地在不同單位或部門(mén)進(jìn)行設(shè)計(jì)。通常，在制定火箭總體方案時(shí)，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)已經(jīng)確定，而增壓輸送系統(tǒng)方案則必須與火箭總體方案設(shè)計(jì)同時(shí)開(kāi)展工作，才能使火箭總體和增壓輸送系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)密切配合，至善圓滿地完成飛行器的推進(jìn)任務(wù)?，F(xiàn)在，增壓輸送系統(tǒng)已經(jīng)成為火箭和飛行器設(shè)計(jì)、運(yùn)載發(fā)射中使用的幾大重要子系統(tǒng)之一。由于增壓輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)、研制所涉及的理論技術(shù)面比較廣，系統(tǒng)十分復(fù)雜，因而是影響火箭和飛行器系統(tǒng)性能、安全和可靠性方面的重要課題，也是火箭、飛行器總體設(shè)計(jì)研制工作中常常碰到的實(shí)際問(wèn)題。但是，有關(guān)這方面的理論研究、設(shè)計(jì)資料不僅較少而且零散，特別是對(duì)于新興的空天兩者兼容飛行方面的問(wèn)題，目前尚缺乏系統(tǒng)的研究與論述。為此，作者在搜集國(guó)內(nèi)外液體火箭和空天飛行器增壓輸送設(shè)計(jì)資料，以及長(zhǎng)期從事液體火箭推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、研究與研制經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)所積累的資料進(jìn)行了整理、研究與探討，編寫(xiě)成《航空-航天飛行器推進(jìn)增壓輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)》一書(shū)，以期成為飛行器增壓輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)、研究、研制方面的指南。本書(shū)可供有關(guān)研究院所的工程設(shè)計(jì)技術(shù)人員及高等院校相應(yīng)專業(yè)師生參考。由于編著水平有限，如有錯(cuò)誤之處敬請(qǐng)批評(píng)指正。本書(shū)根據(jù)國(guó)內(nèi)外的發(fā)展資料，比較全面地總結(jié)了液體火箭和航空航天飛行器增壓輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)、研制、試驗(yàn)等經(jīng)驗(yàn)，內(nèi)容豐富詳實(shí)，為液體火箭助推器、上面級(jí)火箭和航天器的主推進(jìn)系統(tǒng)、輔助推進(jìn)系統(tǒng)與姿態(tài)控制系統(tǒng)的增壓輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了參考；更著力于系統(tǒng)地論述了跨空域的航空航天飛行器推進(jìn)增壓輸送系統(tǒng)理論與設(shè)計(jì)。本書(shū)還介紹了國(guó)外推進(jìn)增壓輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、研制、試驗(yàn)與經(jīng)驗(yàn)實(shí)例。對(duì)從事液體火箭和航天器研究、設(shè)計(jì)、研制有較大的指導(dǎo)意義，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作之指南。在編寫(xiě)過(guò)程中曾考慮過(guò)應(yīng)用“空天飛行器”這個(gè)新名詞。20世紀(jì)80年代，隨著部分可重復(fù)使用航天飛機(jī)的出現(xiàn)，曾經(jīng)掀起了“空天飛行器”的研究熱潮，它以自身動(dòng)力跨越航空-航天空域往返于天地間。但因關(guān)鍵技術(shù)太多，后來(lái)便沉靜了下來(lái)。隨后，以火箭發(fā)動(dòng)機(jī)為推進(jìn)力，借火箭助推或由載機(jī)(飛機(jī))攜帶到大氣上層發(fā)射(投放)的跨越航空-航天空域的重復(fù)使用飛行器異軍突起，頗具發(fā)展前景，種類也多。前后兩者不一樣。因此，還是決定采用“航空-航天飛行器”組合詞，范圍廣些。本書(shū)在編寫(xiě)、整理出版過(guò)程中，作者分別得到了裝備技術(shù)研究學(xué)院原院長(zhǎng)常顯奇教授、國(guó)防科技大學(xué)研究生院王振國(guó)教授、中國(guó)航天科技集團(tuán)公司第一研究院型號(hào)總師唐一華同志的支持，還得到了中國(guó)航天科技集團(tuán)公司第八研究院第八〇五研究所領(lǐng)導(dǎo)、以及周濤、吳昊、喬洋、狄文斌、姚娜、洪剛、馮淑紅、張亮、楊修東、李軍、石玉鵬和吳輝等同志的幫助，在此一并致謝！作者2011年4月16日

內(nèi)容概要

　　本書(shū)根據(jù)國(guó)內(nèi)外的發(fā)展資料，比較全面地總結(jié)了液體火箭和航空一航天飛行器增壓輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)、研制、試驗(yàn)等經(jīng)驗(yàn)，內(nèi)容豐富詳實(shí)，為液體火箭助推器、上面級(jí)火箭和航天器的主推進(jìn)系統(tǒng)、輔助推進(jìn)系統(tǒng)與姿態(tài)控制系統(tǒng)的增壓輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了參考；更著力于系統(tǒng)地論述了跨空域的航空一航天飛行器推進(jìn)增壓輸送系統(tǒng)理論與設(shè)計(jì)。本書(shū)還介紹了國(guó)外推進(jìn)增壓輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、研制、試驗(yàn)與經(jīng)驗(yàn)實(shí)例。對(duì)從事液體火箭和航天器研究、設(shè)計(jì)、研制有較大的指導(dǎo)意義，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作之指南。
本書(shū)可供有關(guān)研究院所的工程設(shè)計(jì)技術(shù)人員及高等院校相應(yīng)專業(yè)師生參考。

書(shū)籍目錄

第1章 緒論
第2章 火箭和航天飛行器推進(jìn)系統(tǒng)
 2.1 火箭推進(jìn)
 2.2 推進(jìn)系統(tǒng)
 2.3 液體推進(jìn)系統(tǒng)
 2.4 增壓輸送系統(tǒng)
  2.4.1 系統(tǒng)功能
  2.4.2 系統(tǒng)類型
第3章 航空航天飛行環(huán)境及其影響
 3.1 航空航天飛行器發(fā)展概況
  3.1.1 一次性使用的彈道導(dǎo)彈、運(yùn)載火箭和航天器
  3.1.2 可重復(fù)使用航空航天飛行器
 3.2 航空航天飛行環(huán)境特性
  3.2.1 航空空域飛行
  3.2.2 航天空域飛行
  3.2.3 跨航空航天空域飛行
 3.3 航空航天飛行器液體推進(jìn)劑管理新課題
  3.3.1 推進(jìn)劑管理技術(shù)要求
  3.3.2 推進(jìn)劑管理模式
  3.3.3 推進(jìn)劑管理主要關(guān)鍵技術(shù)
第4章 液體火箭和航天器增壓輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)
 4.1 總體方案系統(tǒng)可行性論證
  4.1.1 初始數(shù)據(jù)
  4.1.2 輸送管路直徑選擇計(jì)算
 4.2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
  4.2.1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)
  4.2.2 系統(tǒng)形式選擇
  4.2.3 系統(tǒng)方案計(jì)算
 4.3 系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)
  4.3.1 系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)計(jì)算
  4.3.2 增壓控制系統(tǒng)
  4.3.3 系統(tǒng)部件
 4.4 系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計(jì)與集成化
  4.4.1 設(shè)計(jì)計(jì)算
  4.4.2 熱傳遞效應(yīng)
  4.4.3 質(zhì)量傳遞效應(yīng)
  4.4.4 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)
  4.4.5 系統(tǒng)主要報(bào)告與圖紙文件
第5章 航空航天飛行器類型
 5.1 跨大氣層試驗(yàn)飛行器X15
  5.1.1 計(jì)劃與任務(wù)
  5.1.2 推進(jìn)系統(tǒng)
 5.2 部分重復(fù)使用航空航天飛行器——航天飛機(jī)
  5.2.1 主要任務(wù)與用途
  5.2.2 總體結(jié)構(gòu)與飛行軌道
  5.2.3 推進(jìn)系統(tǒng)
  5.2.4 技術(shù)特點(diǎn)
 5.3 完全重復(fù)使用航空航天飛行器——X系列試驗(yàn)飛行器
  5.3.1 X33飛行器
  5.3.2 X34飛行器
  5.3.3 X37飛行器
  5.3.4 X37B飛行器
 5.4 高超聲速跳躍航空航天飛行器——Demo方案飛行器
  5.4.1 飛行軌道
  5.4.2 Demo飛行器方案
 5.5 亞軌道載人航空航天飛行器——太空船系列
  5.5.1 亞軌道載人飛行發(fā)展前景
  5.5.2 太空船一號(hào)
  5.5.3 太空船二號(hào)
第6章 航空航天飛行器推進(jìn)增壓輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)
 6.1 航空航天飛行器X34主推進(jìn)系統(tǒng)
  6.1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)和功能要求
  6.1.2 系統(tǒng)組成
  6.1.3 系統(tǒng)布局與流動(dòng)原理
 6.2 推進(jìn)系統(tǒng)
  6.2.1 增壓輸送系統(tǒng)
  6.2.2 姿態(tài)控制系統(tǒng)
  6.2.3 主發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)
 6.3 推進(jìn)系統(tǒng)綜合和測(cè)試
  6.3.1 安全/泄漏、功能試驗(yàn)
  6.3.2 流體裝載和排放試驗(yàn)
  6.3.3 推進(jìn)劑冷流試驗(yàn)
  6.3.4 靜態(tài)熱試車測(cè)試
 6.4 系統(tǒng)集成化
  6.4.1 安全與任務(wù)確保
  6.4.2 操作性
  6.4.3 系統(tǒng)分析
第7章 推進(jìn)子系統(tǒng)評(píng)估分析與優(yōu)化
 7.1 增壓系統(tǒng)方案比較研究
  7.1.1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
  7.1.2 二次故障容錯(cuò)能力
  7.1.3 排氣閥響應(yīng)時(shí)間
  7.1.4 穩(wěn)態(tài)流排氣閥操作
  7.1.5 最終確定減壓器系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
 7.2 增壓系統(tǒng)瞬態(tài)分析
  7.2.1 設(shè)計(jì)要求
  7.2.2 分析評(píng)估
 7.3 氣動(dòng)和吹除系統(tǒng)分析
 7.4 氦氣瓶充填分析
 7.5 輸送/排放/排氣系統(tǒng)方案分析
  7.5.1 推進(jìn)劑箱布局與分隔艙化設(shè)計(jì)
  7.5.2 輸送/排放系統(tǒng)初步方案
  7.5.3 液氧輸送/排放系統(tǒng)布局修正
  7.5.4 煤油輸送/排放系統(tǒng)布局修正
  7.5.5 分析分類研究
  7.5.6 推進(jìn)劑箱排氣/安全系統(tǒng)分析
  7.5.7 推進(jìn)劑輸送排放/排氣系統(tǒng)最終設(shè)計(jì)布局
 7.6 輸送系統(tǒng)流體動(dòng)力分析
  7.6.1 投放過(guò)程推進(jìn)劑箱氣/液運(yùn)動(dòng)
  7.6.2 推進(jìn)劑輸送末期液面塌陷
 7.7 液氧排放系統(tǒng)出口節(jié)流圈
  7.7.1 節(jié)流圈性能仿真
  7.7.2 節(jié)流圈流量系數(shù)確定
  7.7.3 液氧排放系統(tǒng)仿真
第8章 主推進(jìn)系統(tǒng)液體推進(jìn)劑管理
 8.1 重力場(chǎng)與低重力狀態(tài)下飛行推進(jìn)劑綜合管理設(shè)計(jì)
  8.1.1 設(shè)計(jì)特點(diǎn)
  8.1.2 結(jié)構(gòu)形式
 8.2 液氧箱的預(yù)冷和加注分析
 8.3 液氧箱絕熱和蒸發(fā)分析
 8.4 貯箱排氣/泄壓系統(tǒng)
  8.4.1 液氧排氣系統(tǒng)性能
  8.4.2 煤油排氣系統(tǒng)性能
 8.5 推進(jìn)劑管理分析
  8.5.1 液氧管理分析
  8.5.2 飛行器投放煤油溫度分析
 8.6 推進(jìn)劑排放系統(tǒng)仿真
  8.6.1 液氧排放系統(tǒng)模型
  8.6.2 煤油排放系統(tǒng)模型
  8.6.3 瞬態(tài)排放仿真
第9章 推進(jìn)系統(tǒng)組件
 9.1 推進(jìn)系統(tǒng)組件設(shè)計(jì)特點(diǎn)
 9.2 主推進(jìn)劑箱
 9.3 推進(jìn)劑管理閥門(mén)
 9.4 加注、輸送、排氣和排放管路
 9.5 氣動(dòng)閥
 9.6 增壓和氣動(dòng)系統(tǒng)
 9.7 氣瓶
 9.8 電磁閥和自鎖電磁閥
 9.9 溫度傳感器
第10章 低成本推進(jìn)技術(shù)——FASTRAC發(fā)動(dòng)機(jī)和推進(jìn)系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)
 10.1 60 K Fastrac發(fā)動(dòng)機(jī)
  10.1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)
  10.1.2 主噴注器
  10.1.3 燃燒室噴管
  10.1.4 渦輪泵組
  10.1.5 氣體發(fā)生器
  10.1.6 點(diǎn)火系統(tǒng)
  10.1.7 推進(jìn)劑分配
  10.1.8 氣動(dòng)系統(tǒng)
  10.1.9 儀器和控制系統(tǒng)
 10.2 推進(jìn)系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)
  10.2.1 設(shè)計(jì)原則
  10.2.2 設(shè)計(jì)要求
  10.2.3 測(cè)試內(nèi)容
  10.2.4 測(cè)試平臺(tái)組成
參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁(yè)：   插圖：   （3）脈動(dòng)工作 脈動(dòng)狀態(tài)工作循環(huán)的增壓輸送系統(tǒng)應(yīng)具有與發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)一致的響應(yīng)特性。脈動(dòng)工作要求的響應(yīng)數(shù)據(jù)從發(fā)動(dòng)機(jī)承制者或發(fā)動(dòng)機(jī)手冊(cè)中獲得，貯存惰性氣體的增壓方法通常建議作為提供快速反應(yīng)能力的最直接的方法。無(wú)論氣體是貯存在貯存容器里和壓力調(diào)節(jié)式或貯存在初始貯箱氣枕容積中，并使得下吹（膨脹狀態(tài)）均由發(fā)動(dòng)機(jī)入口工作壓力設(shè)計(jì)限確定。如果根據(jù)不同形式系統(tǒng)的特定應(yīng)用，研究汽化推進(jìn)劑或燃燒產(chǎn)物系統(tǒng)，其高壓氣體貯存在蓄壓器里，它們依次符合推力器反應(yīng)時(shí)間要求。蓄壓器大小應(yīng)與推力器尺寸和預(yù)期的脈動(dòng)程序期間與增壓氣體產(chǎn)生率連接一起。對(duì)宇宙飛船，在那點(diǎn)上，推進(jìn)劑箱不是旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定的，對(duì)正確地推進(jìn)劑定向建議正排擠裝置，如彈性囊袋。 幾乎所有宇宙飛船的姿態(tài)控制和反作用控制系統(tǒng)由脈動(dòng)推力器工作。對(duì)于脈動(dòng)工作因要求快速反應(yīng)，總是采用擠壓式推進(jìn)系統(tǒng)。通常，這些系統(tǒng)由貯存惰性氣體增壓。宇宙飛船的推進(jìn)劑箱常常含有彈性囊袋、表面張力蓄留裝置或這些設(shè)計(jì)的組合，以提供在任務(wù)期間的隨機(jī)“低重力”場(chǎng)中的正常工作和減少氣體吸收人推進(jìn)劑，它可以延長(zhǎng)幾天或幾星期。例如，美國(guó)地球資源技術(shù)衛(wèi)星軌道控制副系統(tǒng)為彈性袋式貯箱系統(tǒng)，美國(guó)水手金星73和海盜號(hào)探測(cè)器是用表面張力蓄留裝置和囊袋式貯箱的推進(jìn)劑系統(tǒng)等。航天器如先進(jìn)技術(shù)衛(wèi)星、先驅(qū)者和其他也是自旋穩(wěn)定的，它是推進(jìn)劑定位的手段。氣態(tài)推進(jìn)劑如氨和丙烷貯存在高壓蓄壓器中，用作脈動(dòng)工作；氣態(tài)推進(jìn)劑在飛船上由泵抽液體推進(jìn)劑通過(guò)蒸發(fā)器產(chǎn)生，如先進(jìn)技術(shù)衛(wèi)星Ⅲ或從氣腔中排除蒸氣，如自旋穩(wěn)定的探險(xiǎn)者30航天飛行器。 4.2.2 系統(tǒng)形式選擇 在增壓輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最重要的唯一決定是系統(tǒng)形式的選擇。系統(tǒng)形式的選擇應(yīng)視為與設(shè)計(jì)約束條件、成本界限和應(yīng)用的可靠性目標(biāo)一致的最小質(zhì)量增壓輸送系統(tǒng)。 在獲得充分、明確的預(yù)定應(yīng)用設(shè)計(jì)要求與制約后，開(kāi)始選擇程序。用推進(jìn)系統(tǒng)的物理數(shù)據(jù)，如貯箱尺寸、初始?xì)庹砣莘e（如果確定）、材料和對(duì)結(jié)構(gòu)的溫度限補(bǔ)充這些信息。 在篩選中判斷標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)關(guān)鍵要素，任何對(duì)系統(tǒng)變化的過(guò)早排除都可能產(chǎn)生不利于飛行器性能的結(jié)果。因此，篩選應(yīng)該由一群有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)師來(lái)完成，并經(jīng)管理部門(mén)審查通過(guò)。這里推薦表4—4，表4—5用作指導(dǎo)、估計(jì)、考慮應(yīng)用的3個(gè)基本系統(tǒng)。增壓氣體／推進(jìn)劑相容性問(wèn)題應(yīng)為考慮排除一個(gè)系統(tǒng)最強(qiáng)有力的理由，盡管系統(tǒng)形式的判斷標(biāo)準(zhǔn)可能不同，如果大體上不足之處是明顯的，只要質(zhì)量或可靠性是滿意的就行了。

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