液氧/液甲烷低溫推進劑深度過冷加注實驗研究

相比于常溫推進劑,低溫推進劑因其比沖高、無毒無污染等優勢,已經廣泛應用于新一代運載火箭

。其中,液氧/液氫組合(LO

/LH

)在比沖方面具有顯著優勢,成為未來遠距離深空探測任務的首選,而液氧/液甲烷組合(LO

/LCH

)因其在成本上的顯著優勢,得到了商業航天領域的高度關注

。然而,低溫推進劑沸點很低,在近飽和狀態下極易受熱蒸發,給發動機工作及推進系統熱管理帶來了諸多挑戰。若采用過冷狀態的低溫推進劑,不僅能夠有效改善低溫推進劑蒸發問題,也有益于降低系統質量、提升發動機性能、延長在軌貯存時間等

。因此,低溫推進劑過冷技術(也稱作致密化技術)具有重要應用價值。

NASA針對單級入軌可重復使用航天器(SSTO RLV)進行系統評估時指出:過冷推進劑密度更高,可以降低貯箱、管路、閥門、泵等系統部件尺寸;過冷推進劑操作壓力更低,進而可以減小貯箱壁厚和增壓系統;過冷推進劑具有更多冷量,在相同貯存時間要求下可以減少保溫層等絕熱結構,從而帶來發射系統整體質量的顯著降低

。如果使用66.7 K液氧和15.0 K液氫組合,RLV發射質量可以降低20%左右

。隨后,在X-33項目中,波音公司開發了第一代液氫過冷裝置,羅克韋爾公司設計搭建了基于液氮浴過冷的78 K液氧過冷系統,格林研究中心基于兩級液氮浴式換熱器實現了66.7 K過冷液氧的大規模制備

。近年來,Johnson等

針對Altair上升級,從成本、安全性、動力性能等方面對比了26種液甲烷過冷方案,最終推薦了采用換熱器進行降溫過冷的方案。……