低温推进剂长期在轨储存技术研究概述

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1、Vo1．18No．1载人航天第18卷第l期30MannedSpaceflight2012年1月低温推进剂长期在轨储存技术研究概述李鹏，孙培杰，包轶颖，姚秋萍(上海宇航系统工程研究所，上海201108)摘要低温推进剂长期在轨储存技术是我国后续深空探测的支撑性关键技术之一。分析了低温推进剂在轨储存的技术难点，阐述了国外在该项技术上的发展概况及长、短期路线图，着重对该项技术中所涉及到的众多单项技术的技术特点和研究概况进行分类说明，最后对国外低温推进剂在轨储存验证试验项目的策划工作进行介绍。本文对国内低温推进剂长期在轨储存技术的起步研究和未来规划提供有利的参考。关键词低温推进剂

2、；长期在轨储存；深空探测中图分类号：V511文献标识码：A文章编号：1674—5825(2012)Ol一0030—07(1)微重力环境下气液位置不确定1前言空间微重力条件下贮箱内气液存在状态和位置随着深空探测任务，特别是未来载人探月计划不确定，受加速度水平、贮箱尺寸、瞬态过程等因素的开展，低温推进剂(如液氢、液氧、甲烷等)不但要影响很大，从而使得贮箱卸阀的位置设计困难，满足运载火箭发射段短时间使用，而且要适应未来微重力条件下气液界面为曲面，瞬态加速后气液混长时间在轨任务的需求_l_。但是低温推进剂沸点低，合长时间不会消除，在空间实现排气而不排液的贮空间环境中恶劣的热环境

3、会引起低温推进剂的大量箱压力控制变得非常困难。蒸发，这样就不得不涉及到低温推进剂的长期在轨(2)复杂空间热环境储存技术，通过对贮箱进行绝热、防辐射措施、有效飞行器在空间会受到太阳辐射、行星红外辐射、的热交换和合理的压力控制，将蒸发量控制在一定行星反照辐射、黑背景等空间热环境的影响。直接暴的范围。下面着重对低温推进剂长期在轨储存技术露在太阳辐射之下，使得推进剂贮箱正对太阳面以的难点、国外研究路线图和研究进展进行阐述，并通及背对太阳面所接受的太阳辐射强度差别大，极易过对单项技术合理组合，提出不同的低温推进剂长造成贮箱内低温推进剂的温度不均匀f5l，不利于低温期在轨储存系统方

4、案。推进剂的长期储存。(3)热分层现象2低温推进剂长期在轨储存的技术难点低温推进剂贮箱内的热分层来自两部分。一是低温液体长期储存技术地面上已经相对成熟，在地面停放阶段和上升段，由于整流罩内气体对流但是空间微重力、复杂外热流、各种辐射和粒子的环加热和气动加热等原因，在自然对流的作用下，贮箱境条件，以及低功耗、重量轻的严格要求，使得低温近壁面区域的热流体沿壁面向上运动形成热分层。推进剂的长期在轨储存具有极大的技术挑战性，面二是空间飞行阶段，微重力下，对流显著减弱，非均临的主要技术难点包括：匀热源、热瞬态能够产生严重的热分层。热分层现象收稿日期：2011-09—30；修回日期

5、：2011-l1—24作者简介：李鹏(1977一)，男，博士，高工，主要从事航天器热环境分析和热控设计工作。E-,nail：brisum77@hotmail．corn第1期李鹏等：低温推进剂长期在轨储存技术研究概述31直接影响低温推进剂的蒸发，使得贮箱压力升高。已经在低温推进剂长期在轨储存方面积累了大量宝(4)空间基与地面基贵的经验以及技术数据。现有的航天器是由地面发射升空，则相应的低2004年NASA提出实施星座计划，2020年实现温推进剂储存系统对地面基和空间基环境的影响都美国航天员重返月球，低温推进剂长期在轨储存技要适应。地面基储存系统需要考虑地面热环境和发术更是

6、被提上日程，低温流体管理项目(CFM)主要射环境的影响，要考虑能够承受发射较大加速度力致力于低温流体储存系统、低重力推进剂管理系学环境载荷；而空间基储存系统要考虑空间恶劣环统，以及低温流体转移及处理技术等方面的研究。境的影响。所涉及的具体技术有：微重力下的质量流量计技(5)储存使命周期影响『术、}昆合泵技术、液体获取装置(LAD)技术、热力学空间低温推进剂储存系统的使命周期从几小排气系统(TVS)以及低温制冷机等。CFM技术的发时、几天到几个月甚至几年对数天的短期使命可能展将有利于发展未来演化的火箭上面级、EDS、A1一不需要排气，用良好的被动热防护和消除热分层混tai

7、r、推进剂补给站以及其他科学研究和国家安全方合就可以满足需求；对数月到一年的中期使命，不仅面的应用[。需要进行排气压力控制，而且应当在被动热防护和在2010年4月，奥巴马公布了新太空探索计排气之间进行质量优化折中；对数年甚至数十年的划，转而将火星作为美国载人航天计划的目的地。对长期使命，采用被动热防护技术和排气技术可能根于低温推进剂长期在轨储存技术，在2015左右，实本无法满足使命需求，必须与能够从贮箱转移出热现低温推进剂6个月的在轨储存目标，2020年左右，量的主动热防护技术相结合，因此要根据不同的任完成利用制冷机保证低温推进剂长期储存