低温推进剂在轨零蒸发贮存研究进展

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1、第２３卷第２期载人航天Ｖｏｌ．２３Ｎｏ．２２０１７年４月ＭａｎｎｅｄＳｐａｃｅｆｌｉｇｈｔＡｐｒ．２０１７低温推进剂在轨零蒸发贮存研究进展１２２１１王博杰，耑锐，张亮，齐超，王文（１.上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海２００２４０；２．上海宇航系统工程研究所，上海２０１１０８）摘要：采用低温制冷机与低温贮箱耦合的方式，可以实现低温推进剂在太空环境下的零蒸发贮存。从系统分析、机理研究及试验研究三个方面对低温推进剂零蒸发贮存技术的现状进行了综述，阐述了现有的系统分析方法、理论分析模型及零蒸发试验方案，可为低温推进

2、剂空间贮存的发展提供参考。关键词：低温推进剂；零蒸发；在轨贮存；压力控制；热分层中图分类号：Ｖ５１文献标识码：Ａ文章编号：１６７４⁃５８２５（２０１７）０２⁃０２３６⁃０９ＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｇｒｅｓｓｏｆＺｅｒｏＢｏｉｌｏｆｆＳｔｏｒａｇｅｏｆＣｒｙｏｇｅｎｉｃＰｒｏpｅｌｌａｎｔＯｎ⁃ｏｒｂｉｔ１２２１１ＷＡＮＧＢｏｊｉｅ，ＺＨＵＡＮＲｕｉ，ＺＨＡＮＧＬｉａｎｇ，ＱＩＣｈａｏ，ＷＡＮＧＷｅｎ（１．ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＲｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎａｎｄＣｒｙｏｇｅｎｉｃｓ，ＳｈａｎｇｈａｉＪｉａｏＴｏｎｇＵｎ

3、ｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２００２４０，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｈａｎｇｈａｉＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＡｅｒｏｓｐａｃｅＳｙｓｔｅｍｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０１１０８，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｒｙｏｃｏｏｌｅｒｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｗｉｔｈｔｈｅｃｒｙｏｇｅｎｉｃｔａｎｋｃａｎａｃｈｉｅｖｅｚｅｒｏｂｏｉｌ⁃ｏｆｆｓｔｏｒａｇｅｏｆｃｒｙｏ⁃ｇｅｎｉｃｐｒｏｐｅｌｌａｎｔｉｎｓｐａｃｅ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｓｕｍｍａｒｉｚｅｄｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎｄｔｅｃｈｎｉｃａｌｄｅｖｅｌ

4、ｏｐｍｅｎｔｏｆｚｅｒｏｂｏｉｌｏｆｆｓｔｏｒａｇｅｉｎｏｒｂｉｔ，ａｎｄｌｉｓｔｅｄｓｅｖｅｒａｌａｎａｌｙｓｉｓｍｅｔｈｏｄｓ，ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｓａｎｄｔｅｃｈｎｉｃａｌｐｒｏ⁃ｇｒａｍｓ，ａｎｄａｎａｌｙｚｅｄｔｈｅｉｒａｄｖａｎｔａｇｅｓａｎｄｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ．Ｉｔｍａｙｐｒｏｖｉｄｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｔｈｅｆｕｔｕｒｅｄｅ⁃ｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｃｒｙｏｇｅｎｉｃｐｒｏｐｅｌｌａｎｔｓｔｏｒａｇｅｉｎｏｒｂｉｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｒｙｏｇｅｎｉｃｐｒｏｐｅｌｌａｎｔ；ｚ

5、ｅｒｏｂｏｉｌ⁃ｏｆｆ；ｓｔｏｒａｇｅｉｎｏｒｂｉｔ；ｐｒｅｓｓｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌ；ｔｈｅｒｍａｌｓｔｒａｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ需要进行排气，这种控压方式使得低温液体在长１引言［３］时间的在轨运行中会大量损失。另外，在太空低温推进剂可以应用于上面级、探月、深空探环境中，低温液体的排放有很多限制。首先，微重测及空间燃料站等多个航天领域。但低温推进剂力环境使气液界面不确定，若无气液分离器，排气沸点低、极易蒸发、难以存储等特点限制了其长时过程中将有大量液体被排出；其次，排出的气体由间在轨使用。同时，对于低温推进剂长时间

6、贮存于微重力的影响会弥漫在航天器周围，如果是易的研究需要考虑空间微重力、复杂外热流、各种辐燃易爆的低温推进剂，将严重危害航天器以及宇射和粒子的影响并兼顾功耗低、重量轻的严格要航员的安全。另外，定期的排放使低温液体的携［１］求，使得其具有极大的技术挑战性。带量远远大于额定需液量，这就直接影响到贮箱［４］低温推进剂的共同特点是具有较低的饱和温的质量，增加了运行负荷和发射费用。度，尽管绝热技术的发展能使低温贮箱的绝热性低温推进剂零蒸发贮存（ＺｅｒｏＢｏｉｌ⁃ｏｆｆ，ＺＢＯ）能达到很高的水平，但还是因为漏热会导致低温的概

7、念是随着低温制冷机与绝热技术的发展被提［２］［５］推进剂升温或蒸发，致使箱内压力上升。为确出来的。低温推进剂零蒸发贮存技术在航天保低温贮箱的安全，当箱内压力上升到一定值时，器长期运行中较常规的排气方式有很大的优越收稿日期：２０１６⁃０６⁃１４；修回日期：２０１７⁃０３⁃０１第一作者：王博杰，男，博士研究生，研究方向为低温液体的储存与管理。Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｂｏｊｉｅｗ＠１２６．ｃｏｍ第２期王博杰，等．低温推进剂在轨零蒸发贮存研究进展２３７性，其主要体现在对低温推进剂携带量与发射成术（ＢｒｏａｄＡｒｅａＣｏｏｌｉｎｇ，

8、ＢＡＣ）的提出，使箱内冷却［６］本的收益，Ｐｌａｃｈｔａ等认为在短期的贮存中，ＺＢＯ与混流结构可以得到一定程度的简化，Ｐｌａｃｈｔａ［１４］系统因为需要额外增加主动冷却装置，较传统被等在实验中发现仅通过高效的ＢＡＣ系统能够动系统优势不大，但在贮存时间超过一定天数时完全实现液氧的零蒸发贮存，以及液氢的低蒸发（液氧是１周，液态甲烷是２周，液氢是２个月），贮存。ＺＢＯ系统在低温