海绵表面张力管理装置的设计与分析

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1、第36卷第5期2010年10月火箭推进JOURNALOFROCKETPROPULSIONV01．36，No．50ct．2010海绵表面张力管理装置的设计与分析穆小强，陈祖奎，宁继荣，马键(西安航天动力研究所，陕西西安710100)摘要：介绍了一种推进剂管理装置——海绵表面张力管理装置。阐述了该管理装置的结构组成和工作原理，对该管理装置进行了设计和分析。概述了相关试验考核情况。试验结果表明：该管理装置的性能满足设计要求。该装置可推广应用于其它类似系统。关键词：海绵表面张力管理装置；设计；分析中图分类号：V434—33文献标识

2、码：A文章编号：(2010)05—0013—05DesignandanalysisforthespongesurfacetensionpropellantmanagementdeviceMUXiao—qiang，CHENZu-kui，NINGJi-rong,MAJian(xi’allAerospacePropulsionInstitute，Xi’all710100，China)Ah血act：Asurfacetensionpropellantmanagementdevicecalledspongeisintroducedin

3、thispa-per．Thestructureandworkingprincipleareelaborated．Thedesignandanalysisofpropellantmall-agementareperformed．Theexperimentationofthemanagementdeviceissummarized．Theexperi—mentalresultindicatesthattheperformanceoftheproductionaccordswiththerequirementofdesign．T

4、hedeviceCanbeusedinothersimilarsystems。Kcywor&：spongesurfacetensionpropellantmanagementdevice；design；analysis0引言上世纪60年代至今，表面张力推进剂管理装置以其相容性好、可靠性高、推进剂排空效率高等优点，在卫星、上面级、星际探测器、航天飞机以及空间站上得到广泛应用。表面张力推进剂管理装置包括通道、叶片、槽、海绵、启动篮等。海绵表面张力管理装置(以下简称海绵)是一种能够反复填充的开放式推进剂管理装置单元，既可以单独使

5、用，也可以与其他管理装置联合使用，实现管理推进剂的功能。海绵能够在中、低加速度下利用表面张力作用蓄留推进剂，具有一定的向海绵中心导流和供液能力，并可以反复进行再填充。基于上述特点，海绵主要应用在以下三种场合：第一，发动机初始点火；第二，为了实现特定机动要求，需要重复使用一定量的推进剂；第三，贮箱内推进收稿日期：2010-08—10；修回日期：2010-08—20作者简介：穆小强(1982一)，男，工程师，研究领域为液体火箭推进系统14火箭推进2010年10月剂的控制。海绵的性能已经在众多飞行器的在轨飞行中得到充分考验，例如

6、：海盗75飞行器贮箱、德尔它II上面级的双组元推进系统贮箱、HS601平台推进剂贮箱等。目前国外有广泛的工程应用，而这一领域在我国应用较少。本文结合海绵的研制，阐述了其组成、工作原理及设计分析方法，并对其性能进行了试验验证。1海绵的功能和性能要求该海绵用于二次启动系统，一次工作结束后，轴向过载1．5s内从2g减小到0g，海绵需保持住贮箱出口的推进剂；在两次工作间隙，轴向和侧向过载分别为：L-0．002g，海绵需在贮箱出口附近蓄留一部分推进剂；二次启动前，姿控发动机对推进剂进行沉底，海绵实现推进剂气液分离。具体设计指标见表1

7、。表1推进剂管理装置设计指标Tab．1Designrequirementsofpmpellantmanagementdevice2海绵的组成及工作原理2．1海绵的组成一般来说，海绵由多个叶片组成的楔形结构和底部收集装置组成。叶片的排列方式有：锥状、折叠锥状和辐射状。底部收集装置通常采用筛网和多孔板等。海绵由中心支柱l，盖板2，叶片3、筛网4和出液口5组成，如图1所示。中心支柱用于支撑海绵盖板和叶片。盖板一方面用于消除边界效应，一方面起固定海绵叶片的作用。叶片组成辐射状的楔形结构，用于蓄留一定量的推进剂。筛网用于阻挡气体进入

8、下游管路。l一中心支柱；2-盖板；3-叶片；4-筛网；5-出液口图1海绵结构图Fig．1Spongeconfiguration2．2海绵的工作原理下面介绍海绵的工作原理。图2所示为在侧向加速度作用下海绵内推进剂的分布情况。在上液面曲率半径比下液面曲率半径足够小的情况下，由于液体表面张力的作用产生驱动力，