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松鼠的空天随笔

 
 
 

日志

 
 

火箭贮箱“减肥”记  

2013-09-29 21:11:28|  分类: Discuz |  标签: |举报 |字号 订阅

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http://www.spacechina.com/n25/n144/n206/n216/c528130/content.html

来源: 中国航天报     日期:2013/09/29

  火箭推力来自火箭发动机燃烧推进剂,把卫星等有效载荷送到预定轨道。火箭总重的90%以上均为加注的推进剂。推进剂在飞行过程中并不能燃烧殆尽,每发火箭都会有一些推进剂剩留在贮箱中,以不可用推进剂的形式成为火箭的死重,随贮箱一起被抛掉。

  如果提高这部分不可用推进剂的使用率,为火箭减肥,火箭是不是就能带更多的有效载荷上天,完成更多的任务呢?为此,一院一部进行了为期2年的探索。

  被忽视的不可用推进剂

  长期以来,推进剂一直都是一个被忽视的默默无闻的角色。

  火箭飞行过程中,推进剂经过贮箱底出流装置流出,供给至发动机入口,最终燃烧产生推力将火箭送到太空。随着贮箱内推进剂的消耗,增压气体源源不断地充进贮箱维持箱压,以保持贮箱结构及发动机入口推进剂压力。

  随着火箭飞行过程中推进剂的不断消耗,当推进剂下降至贮箱底部附近时,如果贮箱内出现漩涡或液面塌陷,则会造成增压气体随推进剂进入发动机入口,最终造成发动机液面塌陷,最终造成发动机涡轮气蚀,叶片损坏,直至发生爆炸。

  为防止这种现象,人们只有在推进剂还没有完全燃烧完之前就提前关机,而剩下的这部分推进剂不再使用。不可用推进剂的重量越大,火箭的运载能力就越小。

  传统装置浪费巨大

  出流大家都不陌生。家里的洗脸池放水时,当水流到池底时,常会形成一个漩涡,这个漩涡使水排放更有吸力。

  同样,在火箭贮箱中也可能出现这种状况,在推进剂出流过程中,一旦出现这种状况就要终止出流。而终止出流的时间越早,不可用推进剂数量越大,那么,能不能研制出一种新的出流装置,大幅减少不可用推进剂量呢?

  2011年,这个问题摆在了一院一部115组邵业涛面前。那时,长征五号和长征七号运载火箭正在紧张的研制过程中,不同于常规运载火箭,长征五号的贮箱规格大,且是球形底,长征七号输送管更粗,均不利于出流。

  相同液面塌陷高度,5米贮箱的剩余量会较普通贮箱高3倍多。试验之初,采用常规型号使用的出流装置,形成的不可用推进剂量始终远大于总体要求,个别贮箱经过多次尝试,剩余量最小也达800公斤以上,占推进剂总量的约千分之八

  如果这部分不可用推进剂能够尽可能多地被应用起来,不仅会减少浪费,还能减轻火箭自重,让火箭运载更多的有效载荷上天。

  不可用推进剂减少50%

  新出流装置研发起来并没有那么容易,然而,研制人员并没有动摇,他们在广泛调研国外文献资粮,分析不同装置的防塌陷效果,通过自学数值仿真软件进行新装置的有效性数值分析,想方设法将剩余量减少下来。

  功夫不负有心人,201211月,经过近百次试验,适用于长征五号和长征七号火箭的全新消漩防塌装置应运而生。

  消漩防塌装置完全不同于在飞型号的出流装置,它以盖板加叶片形式防止贮箱内的推进剂出现页面 塌陷和漩涡,装在火箭贮箱出流口位置。使长征五号一级氧箱、长征七号各单出口贮箱的推进剂剩余量减少了50%其他双贮箱也实现了20%30%的剩余量减少,大幅提升了两型火箭的运载能力。

  通过提高推进剂的使用率,研发人员成功为火箭贮箱进行了减肥,提升了火箭的运载能力。(张娟娟)


总结讨论:

根据官方报道,CZ-5的一级氧箱应该是单出口和氢箱是双出口,氧箱剩余量降低50%,氢箱降低20%以上。按早期长征五号的数据:
5米直径模块主要总体参数
总长度         31.0225m
液氧加注量     133.3吨/117.28立方米
液氢加注量     24.7吨/350.69立方米
推进剂加注总量 158.0吨
结构质量       17.8吨
加注后总质量   175.8吨
发动机工作时间  465.4秒
在对比上述的最小800公斤剩余量,这个约千分之八很可能就是CZ-5的一级氧箱的数据,以此推算采用新装置后可用液氧增加了400千克。
考虑到液氢密度更小,氢箱的剩余量应该小于约千分之八,假定和氧箱同样高度产生塌陷和漩涡,则剩余液氢约50千克,降低20~30%的话,意味着增加了约10~15千克的液氢。
总的说来,可用推进剂增加400千克以上,即使不考虑这部分推进剂产生的ΔV,CZ-5B的运力也会增加400千克以上

---------------------------------------分割---------------------------------------

发现计算还是有问题,液氢密度低,氢箱出口直径更大,产生塌陷和漩涡的高度肯定更高,所以剩余的液氢不能那么算,不过这不影响CZ-5B可以增加400+千克运力的结论,只影响+多少的问题

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