張曉嶼，張少華，潘 瑤，劉 欣

（中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心，北京，100076）

0 引 言

低溫推進(jìn)劑由于其比沖高、無毒無污染、價(jià)格相對低廉等特點(diǎn)，在國內(nèi)外運(yùn)載火箭和上面級上得到了廣泛的應(yīng)用。低溫推進(jìn)劑被認(rèn)為是進(jìn)入空間及軌道轉(zhuǎn)移最經(jīng)濟(jì)、效率最高的化學(xué)推進(jìn)劑。低溫推進(jìn)劑雖然性能高，但其沸點(diǎn)低（液氫-253 ℃，液氧-183 ℃），易因受熱而蒸發(fā)，難以長時(shí)間存儲。未來載人月球探測和深空探測等宇航探索任務(wù)中，要求低溫推進(jìn)劑的貯存期不再是幾天、幾周還有可能是幾個(gè)月甚至幾年。因此，低溫推進(jìn)劑不但要滿足運(yùn)載火箭發(fā)射段短時(shí)間使用，而且要適應(yīng)長時(shí)間在軌任務(wù)的需求，因此低溫推進(jìn)劑長期在軌蒸發(fā)量控制將是一個(gè)必須解決的關(guān)鍵問題?？刂频蜏赝七M(jìn)劑蒸發(fā)量，是低溫推進(jìn)劑長時(shí)間在軌應(yīng)用的前提。

目前，低溫推進(jìn)劑蒸發(fā)量控制手段主要分為被動控制技術(shù)和主動控制技術(shù)。被動控制技術(shù)主要從改進(jìn)貯箱的隔熱措施、合理進(jìn)行低溫貯箱布局、設(shè)計(jì)遮擋屏等方面減小外界環(huán)境對低溫推進(jìn)劑的加熱影響，減少低溫推進(jìn)劑蒸發(fā)損耗。然而，被動措施并不能完全阻止空間環(huán)境漏熱的影響，隨著在軌運(yùn)行時(shí)間的不斷延長，被動防熱面臨著熱飽和的限制，采用主動方法對低溫推進(jìn)劑蒸發(fā)量進(jìn)行控制是必然的趨勢。主動技術(shù)主要通過采用流體混合、主動制冷以及在軌排氣等方式來實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)量控制。其中，熱力學(xué)排氣系統(tǒng)（Thermodynamic Vent System，TVS）很好地整合了這3種方式，是實(shí)現(xiàn)低溫推進(jìn)劑長期在軌貯存的有效方法。

NASA已經(jīng)就 TVS開展了充分的理論與實(shí)驗(yàn)研究，證明了該技術(shù)的可行性。Flachbart[1]等人詳細(xì)介紹了噴霧棒型TVS的結(jié)構(gòu)與原理，并對地面開展的TVS相關(guān)試驗(yàn)進(jìn)行了簡要介紹；VanO-verbeke[2]和Flachbart[3]分別以液氮和液態(tài)甲烷為工質(zhì)，開展了TVS性能測試試驗(yàn)；Hedayat[4,5]等人介紹了在馬歇爾空間飛行中心在MHTB上進(jìn)行的液氫貯箱內(nèi)TVS運(yùn)行試驗(yàn)，并對含有氦氣的貯箱，進(jìn)行了TVS工作性能的試驗(yàn)研究，同時(shí)采用一維模型對相關(guān)工況進(jìn)行了數(shù)值預(yù)測[6]。TVS能有效破壞貯箱內(nèi)熱分層，控制貯箱壓力和推進(jìn)劑蒸發(fā)量，深入研究TVS控制機(jī)理、工作性能及相關(guān)技術(shù)對于中國航天事業(yè)的發(fā)展是十分有必要的。然而，中國對TVS的研究起步較晚，現(xiàn)有的文獻(xiàn)主要是針對國外相關(guān)研究的綜述性介紹[1,7～11]，尚未看到專題研究報(bào)告，與國際水平仍有較大差距。

本文建立了低溫貯箱熱力學(xué)排氣系統(tǒng)自增壓和壓力控制仿真模型，對熱力學(xué)排氣系統(tǒng)中 J-T排氣閥、換熱器以及排氣系統(tǒng)進(jìn)行耦合計(jì)算，得到相應(yīng)的仿真數(shù)據(jù)，并與相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比對。

1 物理模型及工作流程

圖1為試驗(yàn)工作流程示意，圖2為與之對應(yīng)的壓-焓圖（p-h圖）。在外部漏熱的情況下，低溫箱體內(nèi)部氣枕壓力升高，氣液相溫度也隨之升高。當(dāng)箱體壓力達(dá)到所設(shè)定的壓力上限的時(shí)候，此時(shí)液相仍處于過冷狀態(tài)，為此開啟循環(huán)泵，采用箱體底部過冷流體冷卻氣相溫度，以此達(dá)到降低箱體壓力的目的。但該過程只是實(shí)現(xiàn)了熱量在氣液相間的轉(zhuǎn)移，并沒有將外部漏熱帶出箱體外部。因此，隨著時(shí)間的增加箱體內(nèi)部液相溫度會隨之增加。該增壓過程具體如圖2中1-2過程。當(dāng)液體達(dá)到狀態(tài)點(diǎn) 2時(shí)，此時(shí)溫度已經(jīng)達(dá)到 Pmin對應(yīng)飽和溫度Tsat，TVS制冷系統(tǒng)開始工作。貯箱液體在泵的作用下從箱底抽出并加壓，具體過程如圖2中2-3過程。此后，小部分流體經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流并進(jìn)入換熱器為主流體提供冷量，換熱后經(jīng)背壓孔排出系統(tǒng)，具體過程如圖2中3-4-6過程；主流體直接進(jìn)入換熱器內(nèi)被冷流體冷卻，后經(jīng)噴霧棒射入貯箱內(nèi)，具體過程如圖2中3-5-1＇過程。當(dāng)貯箱內(nèi)液體降溫1＇點(diǎn)后，TVS制冷系統(tǒng)停止工作。

圖1 TVS工作流程示意Fig.1 Schematic Diagram of TVS

圖2 TVS p-h示意Fig.2 p-h Diagram of TVS Thermodynamic Process

本文針對常規(guī)重力條件下的液氫貯箱的自增壓過程以及TVS的控壓過程進(jìn)行了仿真。整個(gè)仿真計(jì)算過程在SINAPs軟件上完成，建立了低溫貯箱自增壓模型和熱力學(xué)排氣系統(tǒng)耦合模型。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 多層隔熱材料漏熱模型

多層隔熱材料的漏熱可以通過Modified Lockheed方程得到：

式中 q為通過多層隔熱材料的熱流密度；Tavg為多層隔熱材料冷熱端的平均溫度；N*為多層隔熱材料層密度；Ns為多層隔熱材料層數(shù)；Th為熱端溫度；Tc為冷端溫度；ε為多層隔熱材料表面發(fā)射率，為 0.031；P為氣體壓力；常數(shù)Cr=4.944×10-10；常數(shù)Cg=14 600。

2.2 傳熱系數(shù)選擇

貯箱壁面與氣枕之間的換熱通過豎直平板自然對流關(guān)系得到（下標(biāo)l和t分別表示層流和湍流）：

式中 Nu為怒賽爾數(shù)；Ra為瑞利數(shù)；Pr為普朗特?cái)?shù)；C為修正系數(shù)；m為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，m=6。

2.3 貯箱增壓過程中氣液傳熱傳質(zhì)模型

在蒸發(fā)傳質(zhì)的過程中，假設(shè)氣液界面間有一層飽和層，因此有Tl=Tsat(Pv)，其中 Pv為低溫推進(jìn)劑的氣枕壓力。飽和層吸收來自氣枕的熱量QUI并向液相進(jìn)行傳熱QIL，兩者的傳熱之差則轉(zhuǎn)化成了相變傳質(zhì)過程。具體控制方程如下：

氣枕向界面層的傳熱為

氣枕向界面層的傳熱為

低溫推進(jìn)劑蒸發(fā)量為

式中 hfg為低溫推進(jìn)劑的蒸發(fā)焓；hUI，hIL為傳熱系數(shù)，由自然對流換熱關(guān)系得到：

式中 KH為修正系數(shù)，KH=0.5；C為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，C=0.27；n為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，n=0.25。

模型中假設(shè)氣液界面兩端傳熱系數(shù)相同，處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)。

2.4 熱力學(xué)排氣系統(tǒng)模型

熱力學(xué)排氣系統(tǒng)計(jì)算模型主要是用來模擬液氫貯箱地面貯存過程中采用TVS的運(yùn)行情況。貯箱表面由多層絕緣覆蓋，并使用熱力學(xué)排氣系統(tǒng)來減少蒸發(fā)量損失。貯箱由低導(dǎo)熱率元件支撐。液氫從貯箱底部抽取，通過焦湯節(jié)流閥節(jié)流后進(jìn)入換熱器，整個(gè)換熱器完全浸沒在貯箱內(nèi)的液氫中。內(nèi)部熱交換器內(nèi)剩下的液體蒸發(fā)，吸收貯箱內(nèi)部的熱量。換熱器排出的氣體通過控制閥排放到真空空間中。

3 結(jié)果分析

根據(jù)上述熱力學(xué)排氣系統(tǒng)仿真模型，分別對 TVS運(yùn)行過程仿真計(jì)算與MHTB試驗(yàn)進(jìn)行了對比分析，研究了TVS運(yùn)行過程中不同貯箱高度位置的氣枕溫度變化，對貯箱內(nèi)部的傳熱規(guī)律隨TVS運(yùn)行過程進(jìn)行了計(jì)算。圖3為由美國航空航天局MHTB低溫試驗(yàn)臺所得的TVS試驗(yàn)數(shù)據(jù)與本文所采用的TVS計(jì)算模型得到的TVS仿真數(shù)據(jù)的對比。

圖3 TVS運(yùn)行過程仿真計(jì)算與MHTB試驗(yàn)的貯箱控壓情況對比Fig.3 Comparison between TVS Simulation and MHTB Experiment

從圖3中可以看出，TVS仿真計(jì)算模型的控壓效果與MHTB試驗(yàn)平臺控壓效果保持一致，在具體控壓過程中出現(xiàn)一定的差異，仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的差別主要是由于氣液界面處傳熱傳質(zhì)過程中的不確定性造成。另外，模型中假設(shè)流體從噴霧棒中噴射出流體均勻分布在氣枕節(jié)點(diǎn)中，這也給仿真計(jì)算帶來一定的誤差，這種誤差可通過改進(jìn)氣枕熱分層模型進(jìn)行消除，通過CFD計(jì)算對模型進(jìn)行修改也可以進(jìn)一步消除誤差。

圖 4為不同高度低溫貯箱內(nèi)部氣枕節(jié)點(diǎn)的溫度變化情況。從圖4中可以看出，不同位置處的自增壓過程中氣枕溫度的升溫速率基本是一致的，在TVS運(yùn)行過程中兩者同樣從基本相同的溫度變化率進(jìn)入控壓過程。

圖4 TVS運(yùn)行過程中不同貯箱高度位置的氣枕溫度變化Fig.4 Variation of Lump Temperature with Different High Level of Propellant Tank

圖5為低溫推進(jìn)劑貯箱內(nèi)部熱負(fù)荷情況。仿真計(jì)算所得到的熱載荷數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)[3]中的數(shù)據(jù)吻合的非常好。另外，值得注意的是，當(dāng)?shù)蜏赝七M(jìn)劑充灌率為50%時(shí)，液相區(qū)和氣枕區(qū)的熱負(fù)荷是均勻分布的。從圖 5中還可以觀察到，氣枕向液相推進(jìn)劑的傳熱與貯箱壁面向液相區(qū)和氣枕區(qū)的傳熱處于同一量級，說明優(yōu)化TVS性能的過程中要注重氣液之間的傳熱傳質(zhì)。氣枕區(qū)向液相區(qū)的傳熱從TVS開啟之后開始階段性下降，然而貯箱壁面的傳熱不隨時(shí)間發(fā)生變化。進(jìn)入貯箱內(nèi)部的熱量主要取決于外部隔熱結(jié)構(gòu)的性能。

圖5 貯箱內(nèi)部的傳熱規(guī)律隨TVS運(yùn)行過程中的變化Fig.5 Variation of Heat Transfer Inside the Tank under TVS Operation Process

圖6為低溫推進(jìn)劑貯箱氣枕位置不同節(jié)點(diǎn)的溫度情況隨TVS運(yùn)行過程的變化，氣枕流體節(jié)點(diǎn)4和節(jié)點(diǎn)高點(diǎn)和最低點(diǎn)。自增壓過程完成后，TVS開啟，貯箱內(nèi)部節(jié)點(diǎn)溫度開始下降，TVS噴霧棒噴射前的溫度越高，TVS開啟后溫度下降越快。

圖6 貯箱內(nèi)部不同氣枕流體節(jié)點(diǎn)的溫度變化Fig.6 Temperature Variation of Different Lump Fluid Nodes Inside the Tank

圖 7為氣枕上部最接近貯箱頂部的節(jié)點(diǎn)沿徑向方向的溫度變化，圖8為氣枕下部最接近氣液界面位置處節(jié)點(diǎn)沿徑向方向的溫度變化。圖7、圖8中所描述的溫度變化不包括多層隔熱材料內(nèi)部的溫度變化情況，泡沫結(jié)構(gòu)層的溫降要明顯大于貯箱壁面層的溫度變化。TVS開啟后，上部氣枕節(jié)點(diǎn)的溫度變化要明顯大于下部氣枕節(jié)點(diǎn)的溫度變化情況，說明TVS混合制冷后產(chǎn)生的效果從貯箱內(nèi)部上方到下方呈逐漸遞減的趨勢。

圖7 氣枕上部節(jié)點(diǎn)溫度徑向變化Fig.7 Radial Temperature Variation of the Upper Lump Nodes

圖8 氣枕下部節(jié)點(diǎn)溫度徑向變化Fig.8 Radial Temperature Variation of the Bottom Lump Nodes

4 結(jié) 論

本文針對低溫推進(jìn)劑長期在軌蒸發(fā)量控制的問題，采用了利用少量排放氣體節(jié)流后的熱力學(xué)焓對低溫貯箱內(nèi)剩余低溫推進(jìn)劑進(jìn)行冷卻的蒸發(fā)量控制方法，解決了低溫貯箱內(nèi)部推進(jìn)劑蒸發(fā)引起的壓力控制問題，建立了低溫貯箱熱力學(xué)排氣系統(tǒng)仿真模型，能夠開展低溫貯箱內(nèi)部自增壓過程以及熱力學(xué)排氣系統(tǒng)運(yùn)行特性仿真研究。

該模型考慮了低溫貯箱隔熱結(jié)構(gòu)與貯箱壁面之間的傳熱、貯箱壁面與貯箱內(nèi)部氣枕和液相之間的對流換熱過程。利用Modified Lockheed模型建立了貯箱壁面與多層隔熱材料的顯式傳熱方程以及輻射熱流方程，通過固體壁面節(jié)點(diǎn)可耦合求解能量方程得到貯箱壁面的溫度分布。另外，通過模型還可計(jì)算氣枕和液體推進(jìn)劑之間的傳熱傳質(zhì)過程。自增壓模型中還考慮了熱力學(xué)排氣系統(tǒng)的制冷和降壓作用，建立的熱力學(xué)排氣系統(tǒng)模型與低溫貯箱自增壓模型耦合模型。整個(gè)熱力學(xué)排氣系統(tǒng)運(yùn)行過程的仿真數(shù)據(jù)與美國MHTB試驗(yàn)平臺數(shù)據(jù)吻合得很好，可開展低溫推進(jìn)劑貯箱熱力學(xué)排氣系統(tǒng)仿真計(jì)算。