液体运载火箭低温动力系统工程设计 载人航天出版工程

国内外低温液体火箭发动机相关著作颇丰,常温和低温增压输 送系统也有专著,但从低温火箭动力系统总体视角系统、全面地介绍低温动力系统工程设计的文献资料和书籍较鲜见.本书在我国新一代大型低温运载火箭成功研制的基础上,结合国内外运载火箭动力系统设计成果,系统总结了运载火箭低温动力系统设计方法及研制经验.希望本书能为高等院校航天飞行器设计专业研究生和航天飞行器设计领域的研究人员、工程设计人员提供一套完整、实用的参考资料.

 

国内外低温液体火箭发动机相关著作颇丰,常温和低温增压输 送系统也有专著,但从低温火箭动力系统总体视角系统、全面地介绍低温动力系统工程设计的文献资料和书籍较鲜见.本书在我国新一代大型低温运载火箭成功研制的基础上,结合国内外运载火箭动力系统设计成果,系统总结了运载火箭低温动力系统设计方法及研制经验.希望本书能为高等院校航天飞行器设计专业研究生和航天飞行器设计领域的研究人员、工程设计人员提供一套完整、实用的参考资料.

目录

 

第1章运载火箭的发展及其动力系统1

 

1.1运载火箭的发展1

 

1.1.1运载火箭早期雏形1

 

1.1.2现代航天理论的建立1

 

1.1.3近现代运载火箭发展2

 

1.1.4我国航天运载火箭成就3

 

1.2液体运载火箭动力系统及其发展5

 

1.2.1液体运载火箭动力系统作用及组成5

 

1.2.2液体运载火箭动力系统发展特点6

第2章低温动力系统设计基础9

 

2.1热力学基础9

 

2.1.1系统及参数定义9

 

2.1.2热力学定律10

 

2.1.3热力学第二定律12

 

2.1.4开口系统能量状态方程12

 

2.2流体力学基础13

 

2.2.1主要物性参数13

 

2.2.2流体运动的描述16

 

2.2.3流体力学控制方程19

 

2.2.4可压缩气体流体23

 

2.2.5两相及多相流体27

 

2.3低温流体传热传质29

 

2.3.1低温流体特性29

 

2.3.2传热与传质30

 

2.4微重力34

 

2.5燃烧理论基础37

 

2.5.1概述37

 

2.5.2燃烧过程及分类38

 

2.5.3液体燃烧分区39

第3章低温动力系统总体设计42

 

3.1设计范畴42

 

3.2系统特点42

 

3.3设计原则44

 

3.3.1总则44

 

3.3.2工程研制准则45

 

3.3.3“三化”设计准则45

 

3.3.4经济性准则45

 

3.3.5高可靠性准则46

 

3.3.6技术继承性与先进性准则46

 

3.3.7安全性准则46

 

3.4研制阶段47

 

3.4.1方案设计阶段47

 

3.4.2初样设计阶段47

 

3.4.3试样设计阶段48

 

3.5设计方法48

第4章低温液体火箭发动机49

 

4.1概述49

 

4.1.1液体火箭发动机基本组成49

 

4.1.2世界主要液体火箭发动机50

 

4.1.3液体火箭发动机发展趋势56

 

4.2发动机系统及其性能57

 

4.2.1火箭发动机系统57

 

4.2.2发动机系统分析58

 

4.3发动机对火箭总体性能影响61

第5章低温推进剂系统62

 

5.1系统设计特点62

 

5.2低温火箭发动机预冷63

 

5.2.1预冷方式63

 

5.2.2预冷方式比较66

 

5.2.3主要运载火箭预冷方式66

 

5.2.4发动机预冷方式需考虑的因素67

 

5.2.5预冷过程热分析69

 

5.3低温推进剂的热分层72

 

5.3.1热分层的影响73

 

5.3.2热分层研究的基本方法74

 

5.3.3湍流边界层下热分层计算75

 

5.3.4微重力下推进剂热力学分析79

 

5.3.5热分层抑制82

 

5.4低温推进剂加注设计83

 

5.4.1低温贮箱加注前置换84

 

5.4.2加注过程85

 

5.5低温推进剂管路87

 

5.5.1管路补偿设计88

 

5.5.2绝热方案设计90

 

5.6推进剂出流设计92

 

5.6.1典型夹气情况92

 

5.6.2无塌陷出流口设计95

 

5.6.3出流试验97

 

5.7涌泉现象及其抑制98

 

5.7.1涌泉的形成98

 

5.7.2涌泉的抑制100

第6章低温贮箱增压系统105

 

6.1增压系统功能及要求105

 

6.2贮箱增压方式分析106

 

6.3贮箱增压过程热力学分析112

 

6.3.1低温贮箱增压热力学过程112

 

6.3.2低温贮箱增压过程集总参数法113

 

6.3.3低温贮箱增压过程分布参数法122

 

6.4气瓶充放气过程热力学分析126

 

6.5贮箱需要增压压力分析130

 

6.5.1贮箱结构设计需要压力130

 

6.5.2发动机工作需要的压力131

 

6.5.3贮箱需要增压压力计算134

 

6.6增压气体质量估算136

 

6.7增压过程能量分配140

第7章低温火箭POGO抑制设计146

 

7.1POGO机理146

 

7.2POGO稳定性分析148

 

7.2.1传递函数模型149

 

7.2.2状态空间模型151

 

7.3低温火箭POGO抑制技术157

 

7.3.1膜盒式蓄压器POGO抑制159

 

7.3.2注气式蓄压器POGO抑制161

 

7.3.3主动式POGO抑制169

第8章低温动力系统供配气设计172

 

8.1供配气系统172

 

8.2供配气设计173

 

8.2.1设计准则173

 

8.2.2设计流程173

 

8.2.3用气量需求分析177

 

8.3气封吹除设计178

第9章低温动力系统仿真技术180

 

9.1动力系统仿真技术发展及应用180

 

9.1.1国外动力系统仿真工具发展181

 

9.1.2国内动力系统仿真工具发展201

 

9.2动力系统仿真模型204

 

9.2.1动力系统时域模型204

 

9.2.2动力系统频域模型213

 

9.3模块化通用仿真技术216

 

第10章低温动力系统试验技术218

 

10.1低温动力系统试验体系218

 

10.2低温动力系统试验方法219

 

10.2.1贮箱增压试验219

 

10.2.2发动机预冷试验221

 

10.2.3推进剂出流试验222

 

10.2.4涌泉抑制试验222

 

10.2.5POGO抑制试验222

 

10.2.6动力系统试车225

参考文献230

《载人航天出版工程》总序

 

中国载人航天工程自1992年立项以来，已经走过了20多年的发展历程。经过载人航天工程全体研制人员的锐意创新、刻苦攻关、顽强拼搏，共发射了10艘神舟飞船和1个目标飞行器，完成了从无人飞行到载人飞行、从一人一天到多人多天、从舱内实验到出舱活动、从自动交会对接到人控交会对接、从单船飞行到组合体飞行等一系列技术跨越，拥有了可靠的载人天地往返运输的能力，实现了中华民族的千年飞天梦想，使中国成为世界上第三个独立掌握载人航天技术的国家。我国载人航天工程作为高科技领域代表性的科技实践活动之一，承载了中国人民期盼国家富强、民族复兴的伟大梦想，彰显了中华民族探索未知世界、发现科学真理的不懈追求，体现了不畏艰辛、大力协同的精神风貌。航天梦是中国梦的重要组成部分，载人航天事业的成就，充分展示了伟大的中国道路、中国精神、中国力量，坚定了全国各族人民实现中华民族伟大复兴中国梦的决心和信心。

载人航天工程是十分复杂的大系统工程，既有赖于国家的整体科学技术发展水平，也起到了影响、促进和推动着科学技术进步的重要作用。载人航天技术的发展，涉及系统工程管理，自动控制技术，计算机技术，动力技术，材料和结构技术，环控生保技术，通信、遥感及测控技术，以及天文学、物理学、化学、生命科学、力学、地球科学和空间科学等诸多科学技术领域。在我国综合国力不断增强的今天，载人航天工程对促进中国科学技术的发展起到了积极的推动作用，是中国建设创新型国家的标志性工程之一。

我国航天事业已经进入了承前启后、继往开来、加速发展的关键时期。我国载人航天工程已经完成了三步走战略的步和第二步阶段的研制和飞行任务，突破了载人天地往返、空间出舱和空间交会对接技术，建立了比较完善的载人航天研发技术体系，形成了完整配套的研制、生产、试验能力。现在，我们正在进行空间站工程的研制工作。2020年前后，我国将建造由20吨级舱段为基本模块构成的空间站，这将使我国载人航天工程进入一个新的发展阶段。建造具有中国特色和时代特征的中国空间站，和平开发和利用太空，为人类文明发展和进步做出新的贡献，是我们航天人肩负的责任和历史使命。要实现这一宏伟目标，无论是在科学技术方面，还是在工程组织方面，都对我们提出了新的挑战。

以图书为代表的文献资料既是载人航天工程的经验总结，也是后续任务研发的重要支撑。为了顺利实施这项国家重大科技工程，实现我国载人航天三步走的战略目标，我们必须充分总结实践成果，并充分借鉴国际同行的经验，形成具有系统性、前瞻性和实用性的，具有中国特色的理论与实践相结合的载人航天工程知识文献体系。

《载人航天出版工程》的编辑和出版就是要致力于建设这样的知识文献体系。书目的选择是在广泛听取参与我国载人航天工程的各专业领域的专家意见和建议的基础上确定的，其中专著内容涉及我国载人航天科研生产的技术成果，译著源于世界著名的出版机构，力图反映载人航天工程相关技术领域的当前水平和发展方向。

《载人航天出版工程》凝结了国内外载人航天专家学者的智慧和成果，具有较强的工程实用性和技术前瞻性，既可作为从事载人航天工程科研、生产、试验工作的参考用书，亦可供相关专业领域人员学习借鉴。期望这套丛书有助于载人航天工程的顺利实施，有利于中国航天事业的进一步发展，有益于航天科技领域的人才培养，为促进航天科技发展、建设创新型国家做出贡献。

 

 

2013年10月