液體運載火箭艙段防結露吹除流量控制技術研究

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(北京宇航系統工程研究所，北京 100076)

0 引言

我國液體火箭大多采用常規推進劑，夏季來臨時，推進劑加注后溫度偏低、環境溫度偏高使系統漏熱加劇，各艙段內的溫度逐漸降低，外界空氣抽吸進入艙段內產生凝結形成結露現象，在多雨季節潮濕空氣結露更加明顯。目前花費了相當大的精力開展防水設計和落實工作，對一枚火箭來說，這些防護工作量相當龐大，且仍存在風險。

對于低溫液體運載火箭，系統各艙段漏熱帶來的安全隱患更加明顯：1)外界空氣將抽吸進入艙段內，產生凝結；2)艙段內溫度低于所安裝單機設計溫度，氣瓶內壓力下降，姿控發動機低溫條件下催化劑活性不足導致可能出現爆燃等；3)系統泄漏的危險氣體將積存在艙段內，存在一定的安全隱患。為了減小低溫系統漏熱的影響，滿足儀器設備溫度控制的需求，在低溫推進劑加注后需要對存在漏熱的各艙段進行熱氮吹除。

近年來，國內外學者針對氣體吹除控制進行了大量深入的研究。2003年，Bystrom[1]利用 Laval 噴管假定和氣體等熵流動建立了氣體吹除的數理模型；Hamed等[2]、Ghaffari等[3]針對氣體流動提出了多種控制方法，包括邊界層吸除[2]、氣體吹除[3-5]、起伏進氣道[6-7]等。其中，氣體吹除法具有結構簡單、參數調節方便等優點。

本文對防結露吹除流量控制技術進行研究，在吹除用量精準性、用量影響因素等方面進行分析，提出了改進措施，在滿足吹除效果的前提下更具經濟性，研究成果對于低溫運載火箭存在的漏熱進行熱氮吹除同樣適用。

1 結露機理

1.1 增大水蒸氣分壓力形成結露

對于未飽和濕空氣，若在溫度不變的情況下，向濕空氣持續增加水蒸氣量，則水蒸氣分壓力將不斷增加，水蒸氣分壓力達到最大值即飽和分壓力，此時的相對濕度達到100%。如果在溫度保持不變的情況下，繼續向飽和空氣加入水蒸氣，則將有水滴出現并析出，而濕空氣相對濕度維持在100%。

1.2 降低溫度至露點溫度形成結露

對于未飽和濕空氣，若在水蒸氣分壓力不變的情況下，降低溫度，當溫度降低到露點溫度時，此時相對濕度達到100%。若此時繼續降低溫度，則將有水蒸氣以水滴形式析出，濕空氣相對濕度維持在100%。

1.3 空氣狀態參數的計算

高貴軍等[8]提出了以下幾種空氣狀態參數的計算方法：

露點溫度計算公式為

(1)

式中，t表示潮濕空氣的溫度，單位為℃；φ表示潮濕空氣的相對濕度。

當t=-100℃～0℃時，水蒸氣飽和分壓力ps計算公式為

(2)

式中，c8=-5800.2206；c9=1.3914993；c10=-0.048640239；c11=0.41764768×10-4；c12=-0.14452093×10-7；c13=6.5459673;T表示熱力學溫度，T=273.15+t，單位為K。

相對濕度計算公式為

(3)

式中，pv為水蒸氣分壓力，單位為Pa。

含濕量計算公式為

(4)

式中，B表示大氣壓，單位為Pa；d的單位為g/kg。

由上文可知，造成結露有兩個主要原因，即露點溫度和水蒸氣分壓。防止結露措施一是減少外部潮濕空氣的進入，二是控制艙段溫度在露點溫度以上。本文通過吹除的方法防止外部潮濕空氣進入，從而解決結露問題。

2 理論模型

防結露吹除問題實質是穩態工作情況下氣體流動問題，是氣體能量和質量不斷交換達到平衡的過程，在一定輸入能量流率的情況下，氣體和箱壁進行充分換熱后排出氣體，達到穩態平衡，此時艙段吹除所需的空氣質量流量與推進劑溫度、貯箱熱導率、艙段內壓力要求、氣體流速、艙段幾何外形等因素有關。

典型的火箭艙段空氣吹除能量和質量傳遞過程如圖1所示。

進艙入口質量流量； Ti-進艙入口溫度；Pi-進艙入口壓力；Q1-氧化劑箱漏熱；出口質量流量； To-艙內溫度；Po-出口環境壓力； Q2-燃燒劑箱漏熱；P1-艙內壓力圖1 典型的火箭艙段空氣吹除示意圖Fig.1 Typical schematic of rocket section air blowing

在穩態工作情況下，進入艙段和排出艙段的空氣之間的熱量差等于兩個貯箱的漏熱，對于如圖1所示的空氣吹除流動過程，根據熱力學定律，得到如下能量守恒方程為

(5)

heff·A2·(To-T2)

(6)

式中,heff為當量換熱系數，自然對流換熱系數一般在3W/(m2·K)～8W/(m2·K)范圍，此處取heff=5W/(m2·K)；A為最小流通截面積。

由式(5)、式(6)導出所需要的空氣質量流量關系式為

(7)

上述計算得出的吹除流量，是進行艙內保持熱平衡所需的基本流量，實現艙內防結露還需要保證艙內正壓，且艙內壓力足以抵御風速，所產生的流量應不小于換熱所需的基本流量，因此還應從氣體流動角度對約束條件加以分析，具體如下。

超臨界流動狀態：吹入質量流量為

(8)

排出質量流量為

(9)

亞臨界流動狀態：吹入質量流量為

(10)

排出質量流量為

(11)

式中,k為氣體比熱比，空氣取1.4；R為氣體常數，單位為J/( kg·K )，空氣取287；μ為流量系數，取0.9。

上述艙段吹除模型建立過程中，結合氣體連續流動并最終達到穩態過程的特點，采用如下假設：

1)燃燒劑和氧化劑溫度低于艙內溫度；

2)吹除氣體進入艙段后壓力、溫度瞬時均勻；

3)排出艙段的氣體溫度和艙段內氣體溫度相同，為T0；

5)艙段內氣流僅與冷源壁面進行自然對流換熱，對流換熱系數相同；

6)艙內正壓保護壓力為P1；

7)環境風速按照5m/s考慮。

3 仿真驗證

選取火箭某艙段并設定邊界條件開展計算， 表1給出了各計算參數的取值。

表1 防結露吹除系統基本參數

根據上述數值計算模型，將式(5)～式(11)聯立求解。為了進一步核實計算的正確性，采用系統級動態仿真平臺AMESim進行了計算，AMESim是經過流體工程領域實際應用證明了的成熟正確方法，可以用于結果驗證。如圖2建立AMESim簡易模型，采用與數值計算相同的入口邊界條件開展計算。

仿真計算結果如圖3所示，圖3顯示仿真驗證與表2數值計算結果幾乎一致，證明了上述數值模型和仿真結果的正確性。

圖2 艙段吹除AMESim驗證模型Fig.2 Section blowing AMESim verification model

圖3 艙段溫度、壓力仿真計算結果Fig.3 Simulation results of section temperature and pressure

艙段需要最小入口面積/mm2平衡艙內溫度/K需要質量流量/(kg/s)數值計算結果2837.4287.243.5334仿真驗證結果2837.4288.463.5398

4 影響因素分析

防結露吹除流量控制盡可能采用最小正壓保護，用消耗最少的氣體達到防結露的目標，據此考慮按以下步驟開展影響因素分析。

1)確定實現熱平衡所需的基本流量；

2)確定抵御風速所需要的艙內最小壓力；

3)滿足上述條件基礎上優化艙口出口面積，減少氣體消耗；

4)調整進艙入口壓力和入口面積，實現進出口流量平衡。

4.1 根據風速算艙內需要最小壓力

在無風情況下，理論上艙內氣體壓力大于零即可滿足防結露條件，但考慮抵御地面風阻的影響，艙內要求最小壓力還應大于地面風速產生的動壓，由動量定理可推出抵御風速艙內要求最小壓力應滿足P1≥ρ空氣v2。艙內需要壓力與風速計算結果如圖4所示。由圖4可以看出，艙內需要壓力與風速平方成正比關系，風速越大需要的艙內壓力越大，根據地面風速應不超過5m/s可以得出艙內需要最小壓力應不低于3.2×10-5MPa，適當考慮設計裕度后艙內需要壓力則可以確定，為分析方便，此處取艙內壓力為3.2×10-4MPa。

圖4 艙內需要壓力與風速關系Fig.4 Relationship between pressure and wind speed in cargo

根據氣體臨界流動判斷公式知，艙內壓力為3.2×10-4MPa時氣體流出應為亞臨界流動狀態。

4.2 出口面積變化對吹除用量的影響

當艙內壓力確定后，吹除用量將由出口面積決定，假設艙內壓力始終保持3.2×10-4MPa不變，當逐漸增加出口面積時，吹除用量的變化規律如圖5所示。由圖5可以看出，吹除用量隨著出口面積變化而增加，這是因為艙內壓力確定，改變出口面積，則流出量發生變化。出口面積增加則吹除流出量增加，此時要求進入量也同步增加，否則艙內壓力會下降達到新的平衡，出口面積減小則與之恰好相反，否則艙內壓力會上升達到新的平衡。

上述分析表明，在艙內壓力一定的情況下，且滿足熱平衡所需基本流量時，減少出口面積有利于減少吹除用量。

圖5 吹除流出量與出口面積關系Fig.5 Relationship between blowing outflow and export area

4.3 入口壓力和入口面積對吹除用量的影響

假設入口面積不變，增加入口壓力后吹除用量變化計算結果如圖6(a)所示。由圖6(a)可以看出，吹除用量隨著入口壓力的升高而升高，入口壓力越大吹除進入量越大，艙內平衡壓力需要更高才能滿足流量平衡， 吹除流出量也同等程度增大，吹除用量增加。

同樣，在入口壓力不變的情況下，增加入口面積后吹除用量變化的計算結果如圖6(b)所示。由圖6(b)可以看出，吹除用量隨著入口壓力的升高而升高，入口面積越大吹除進入量越大。

綜上可以得出，吹除用量確定后，可以通過提高入口壓力或增加入口面積增加吹除用量，也可以通過減少入口壓力或入口面積減少吹除用量調整流量，根據實際條件進行調整。

(a)吹除流入量與入口壓力變化關系

(b)吹除流入量與入口面積變化關系圖6 吹除流入量與入口壓力和面積變化關系Fig.6 Relationship between blowing inflow and import pressure and area

4.4 小結

上述步驟完成即已實現了吹除用量的優化設計，防結露吹除過程氣體流動是一個平衡過程，當進出艙口當量面積確定后，艙內壓力會隨著入口壓力的變化而自動調節，最終達到平衡。艙內平衡壓力由入口壓力、入口當量面積、出口當量面積等多種因素決定，小結如下：

1)吹除流量應不小于艙內換熱所需基本流量；

2)艙內壓力應不小于抵御風速所需最小壓力；

3)在滿足上述要求的情況下，減少出口面積有利于控制吹除流量，增加艙內壓力；

4)在滿足上述要求的情況下，減少入口壓力或入口面積有利于控制吹除流量。

5 結論

我國常溫推進劑液體火箭加注后至發射前為關鍵時段，防結露吹除系統設計關鍵是吹除用量，本文建立了一種防結露吹除流量計算分析模型，研究表明：1) 吹除用量由艙內壓力、出口當量面積決定，艙內壓力是吹除過程達到流量平衡后的結果，由入口壓力、進口當量面積、出口當量面積共同決定。控制艙內壓力可從控制入口壓力、進口當量面積、出口當量面積等3方面綜合考慮。2) 艙內達到流量平衡后，艙內溫度較為穩定，與氣源溫度接近。