在搜集國內(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,作者對所積累的資料進(jìn)行了整理、研究與探討,編寫成《航空-航天飛行器推進(jìn)增壓輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)》,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。本書可供有關(guān)研究院所的設(shè)計(jì)工程技術(shù)人員及高等院校相應(yīng)專業(yè)師生參考。
半個(gè)多世紀(jì)以來,隨著航天技術(shù)的迅速發(fā)展,人類開發(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、空間探測和星際航行最主要的推進(jìn)裝置,可以預(yù)見,在今后相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi),它仍將具有很強(qiáng)的生命力。
近十多年來,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。各主要航天國家正在積極研制與發(fā)展此類飛行器?梢,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;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題。如果解決方法不當(dāng),就會危及火箭發(fā)動機(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,再從空間返回地球,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(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)動機(jī)等專業(yè)。在火箭設(shè)計(jì)研制中,火箭發(fā)動機(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)動機(jī)型號已經(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)開展工作,才能使火箭總體和增壓輸送系統(tǒng)與發(fā)動機(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,特別是對于新興的空天兩者兼容飛行方面的問題,目前尚缺乏系統(tǒng)的研究與論述。為此,作者在搜集國內(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,對所積累的資料進(jìn)行了整理、研究與探討,編寫成《航空-航天飛行器推進(jìn)增壓輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)》一書,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)誤之處敬請批評指正。
本書根據(jù)國內(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)。本書還介紹了國外推進(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。
在編寫過程中曾考慮過應(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,后來便沉靜了下來。隨后,以火箭發(fā)動機(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。
本書在編寫、整理出版過程中,作者分別得到了裝備技術(shù)研究學(xué)院原院長常顯奇教授、國防科技大學(xué)研究生院王振國教授、中國航天科技集團(tuán)公司第一研究院型號總師唐一華同志的支持,還得到了中國航天科技集團(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
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
5.3.1X33飛行器
5.3.2X34飛行器
5.3.3X37飛行器
5.3.4X37B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
5.4.2Demo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
5.5.3太空船二號
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)動機(jī)系統(tǒng)
6.3推進(jìn)系統(tǒng)綜合和測試
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分析評估
7.3氣動和吹除系統(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)流體動力分析
7.6.1投放過程推進(jìn)劑箱氣/液運(yùn)動
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
9.4加注、輸送、排氣和排放管路
9.5氣動閥
9.6增壓和氣動系統(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)動機(jī)和推進(jìn)系統(tǒng)測試平臺
10.160 K Fastrac發(fā)動機(jī)
10.1.1發(fā)動機(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氣動系統(tǒng)
10.1.9儀器和控制系統(tǒng)
10.2推進(jìn)系統(tǒng)測試平臺
10.2.1設(shè)計(jì)原則
10.2.2設(shè)計(jì)要求
10.2.3測試內(nèi)容
10.2.4測試平臺組成