竖管-叶片式表面张力管理装置的设计与分析

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1、第39卷第1期2013年2月火箭推进JOURNALOFROCKETPROPULSIONV01．39．№．1Feb．2013竖管一叶片式表面张力管理装置的设计与分析穆小强，陈祖奎(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(PMD)，竖管一叶片式表面张力管理装置的方案和结构，讨论了该管理装置设计中的竖管、叶片和收集通道的设计等方面问题，并通过对该管理装置性能进行设计分析和计算，验证了该管理装置蓄留和供应推进剂的性能。关键词：表面张力管理装置；竖管；叶片中图分类号：V434+．23文献标识码：A文章编号：1672—9374(2013)01

2、—0015—04DesignandanalysisforstandpipeanditsvanesurfacetensionmanagementdeviceMUXiao-qiang．CHENZu—l(ui(Xi’anAerospacePropulsionInstitute，Xi’an710100，China)Abstraot：Adesignschemeandstructureofapropellantmanagementdevice(PMD)calledsmnd—pipewithvanesurfacetensionmanagementdeviceisintroduc

3、edinthispaper．Thedesignissuesofstandpipe，vaneandcollectionpassagewayinPMDdesignarediscussed．ThePMDperformancetostoreandsupplypropellantwasvalidatedbythedesignanalysisandperformancecalculationofPMD．Keywords：surfacetensionmanagementdevice；standpipe；vane0引言表面张力贮箱以其相容性好、可靠性高、长寿命和推进剂排空效率高等

4、优点，在卫星、上面级、飞船、星际探测器、航天飞机以及空间站上都得到广泛的应用。推进剂管理装置(PMD)作为表面张力贮箱的核心部件，由筛网、通道、叶片、中心支柱、收集器、槽、海绵和气泡陷阱等元件通过不同的组合达到不同的设计目标，适应特定的飞行任务要求。对于可贮存推进剂而言，管理装置的主要功能为在任务周期内向发动机提供不夹气的推进剂和质心控制，该类管理装置的设计和应用较为成熟。对于低温推进剂而言，除了实现上述功能外，还需考虑以下问题：第一，由于低温推进剂的沸点都很低，对于密封的贮箱，推进剂液体受热，液面上方充满饱和蒸气，这使贮箱压力不断上升。如果不采取措施，可能会导致

5、贮箱破裂。一般为避免此类问题发生，在贮箱上要设计安全收稿日期：2012—07—04；修回日期：20t2—11—20基金项目：总装备部预研项目(2007AA705303)作者简介：穆小强(1982一)，男，工程师，研究领域为姿控发动机总装设计16火箭推进2013年2月放气阀，但在微重力条件下，推进剂可能会覆盖排气口，如果箱压过高时，就不能直接排气。因此需要通过管理装置限制气垫位置，避免排气口被液体覆盖的情况出现。第二，需要考虑由于温度梯度而引起的贮箱结构中的热应力和气液两相混合温度梯度所引起的热应力。因此，针对低温推进剂管理装置的特殊要求，本文提出了竖管一叶片式表面

6、张力管理装置方案，并进行了设计和分析。1设计基本条件表1所示为管理装置的设计基本条件。管理装置的功能是在整个任务周期内，向发动机提供不夹气的推进剂；实现晃动和质心控制；实现将气垫定位于排气口处，有助于贮箱排气；排空效率不小于99％。表1设计基本条件Tab．1DesignconditionofPMD2管理装置方案图1所示为管理装置方案。推进剂由叶片捕获并由竖管收集，从竖管下部通过底收集器供应发动机，贮箱排气和增压接口设置在竖管对应端。在微重力条件下，竖管内部充满液体，在贮箱出口形成蓄液池，同时由于叶片的捕获作用，液态推进剂始终存在于竖管周围，气垫位置则一直处于竖管上

7、方，便于贮箱排气。采用竖管和叶片结合的管理装置，叶片可作为不同温度流体热传导的介质，使管理装置的流体温度梯度减小，保持贮箱内流体温度均匀。贮箱壁面附近布置收集通道，当少量推进剂处于贮箱顶部时，仍可以实现不夹气的供应。同时，可以采用将主动换热器置于管理装置的竖管中，叶片作为换热元件，或者将主动换热装置作为收集通道布置在贮箱壁面附近，结合压力控制技术，将不同温度分层的推进剂进行混合，达到控制温度分层的目的。誉‘XX、＼屋羹瓢汐．=_zd‰目i目1。·恭上』ol；；；二；；替，＼／i／掣<．—／1一竖管；2-叶片；3-出液口；4-增压口；5一排气口；6-收集通道；7-底

8、收集器图1