一种用于低温推进剂长期在轨蒸发量控制的代价评估方法与流程

本发明涉及一种用于低温推进剂长期在轨蒸发量控制的代价评估方法，属于低温推进剂长期在轨贮存与管理领域。

背景技术：

低温推进剂由于其比冲高、无毒无污染、价格相对低廉，在国内外运载火箭和上面级上得到了广泛的应用。低温推进剂被认为是进入空间及轨道转移最经济、效率最高的化学推进剂，也是未来人类月球探测、火星探测及更远距离的深空探测的首选推进剂。低温推进剂虽然性能高，但其沸点低，易因受热而蒸发，难于长时间存储，由于低温推进剂的损耗会显著影响运载火箭的性能及任务的执行。因此通过采取合理有效的措施解决低温推进剂蒸发量的控制问题，最终实现无损贮存，是低温推进剂长时间在轨应用的重要前提，也是亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种用于低温推进剂长期在轨蒸发量控制的代价评估方法，该方法获取低温推进剂长期在轨贮存系统蒸发量和蒸发率，再获得蒸发量控制措施带来的重量代价，进而获得重量代价最小的最优设计工况，用于指导低温推进剂在轨贮存系统的设计。

本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：

一种用于低温推进剂长期在轨蒸发量控制的代价评估方法，包括如下步骤：

(1)、确定低温推进剂在轨贮存净漏热量Q_loss；

(2)、根据净漏热量Q_loss、低温推进剂饱和温度对应蒸发潜热γ和在轨工作时间t，获得不同工况下的低温推进剂蒸发量及蒸发率i表示不同的工况，i＝1，2，……,N，其中N为工况数量；

(3)、获得不同工况下引入制冷机带来的重量增加将同一工况下的与对应的蒸发量求和得到该工况下的系统重量代价遍历所有工况下的系统重量代价寻找系统重量代价的最小值；

(4)、记录系统重量代价取最小值时对应的工况，作为最优工况。

在上述用于低温推进剂长期在轨蒸发量控制的代价评估方法中，所述步骤(1)中确定低温推进剂在轨贮存净漏热量Q_loss的具体方法如下：

Q_loss＝Q_MLI+Q_struts+Q_parastitic+Q_penetrations-Q_vapor-Q_cryocooler

其中：Q_MLI表示推进剂贮箱表面隔热材料漏热量；Q_struts表示推进剂贮箱支撑结构的漏热量；Q_parastitic表示制冷机漏热量；Q_penetrations表示贮箱管路漏热量；Q_vapor表示低温推进剂排气可利用冷量；Q_cryocooler表示制冷机的制冷量。

在上述用于低温推进剂长期在轨蒸发量控制的代价评估方法中，推进剂贮箱表面隔热材料漏热量Q_MLI的计算公式如下：

其中，T_hot为贮箱隔热层外侧温度；T_cold为贮箱内部液态低温推进剂温度，N_s为多层隔热材料总层数。

在上述用于低温推进剂长期在轨蒸发量控制的代价评估方法中，推进剂贮箱支撑结构的漏热量Q_struts的计算公式如下：

对于液氧推进剂的Q_struts：

其中：C₁为设计余量因子，C₂为0.44，M_tank为低温推进剂贮箱重量；M_propellant为低温推进剂重量；

对于液氢推进剂的Q_struts：

其中：C'₂为0.021。

在上述用于低温推进剂长期在轨蒸发量控制的代价评估方法中，贮箱管路漏热量Q_penetrations的计算公式如下：

其中：C₁为设计余量因子；T_hot为贮箱隔热层外侧温度；T_cold为贮箱内部液态低温推进剂温度，V_tank为贮箱体积。

在上述用于低温推进剂长期在轨蒸发量控制的代价评估方法中，制冷机漏热量Q_parastitic的计算公式如下：

其中，为制冷机输入功率，T_ho_t为贮箱隔热层外侧温度；T_cold为贮箱内部液态低温推进剂温度；C₁为设计余量因子，C″₂为阴影因子。

在上述用于低温推进剂长期在轨蒸发量控制的代价评估方法中，低温推进剂排气可利用冷量Q_vapor的计算公式如下：

其中，t为在轨时间，c_p,T为推进剂在排气出口压力下的比热容，T_{vapor_begin}为排气出口温度，T_{vapor_last}为排气可利用冷量利用完之后的温度。

在上述用于低温推进剂长期在轨蒸发量控制的代价评估方法中，所述步骤(2)中获得不同工况下的低温推进剂蒸发量及蒸发率的具体方法如下：

在上述用于低温推进剂长期在轨蒸发量控制的代价评估方法中，所述步骤(3)中引入制冷机带来的重量增加包括制冷机自身重量辐射器重量太阳能电池阵重量电子设备重量管路重量和线缆重量

在上述用于低温推进剂长期在轨蒸发量控制的代价评估方法中，制冷机自身重量的计算公式如下：

其中：T_c为制冷机的冷头温度。

在上述用于低温推进剂长期在轨蒸发量控制的代价评估方法中，辐射器重量的计算公式如下：

太阳能电池阵重量的计算公式如下：

电子设备重量的计算公式如下：

管路重量的计算公式如下：

线缆重量的计算公式如下：

其中:为制冷机输入功率；为制冷机自身重量。

在上述用于低温推进剂长期在轨蒸发量控制的代价评估方法中，所述制冷机输入功率的计算公式如下：

在上述用于低温推进剂长期在轨蒸发量控制的代价评估方法中，所述步骤(3)中还包括不同工况下引入的隔热材料重量将同一工况下的与对应的蒸发量求和得到该工况下的系统重量代价遍历所有工况下的系统重量代价寻找系统重量代价的最小值。

在上述用于低温推进剂长期在轨蒸发量控制的代价评估方法中，隔热材料重量的计算公式如下：

其中：ρ_m为多层隔热材料反射屏的平均面密度；t_m为反射屏厚度；ρ_s为多层隔热材料间隔物的平均面密度，t_s为间隔物厚度；为多层隔热材料层间密度，N_s为多层隔热材料总层数，A为多层隔热材料面积。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)、本发明全面考虑了低温推进剂长期在轨贮存蒸发量控制系统各组件的漏热量，以及排气可利用冷量，设计了一种在轨蒸发量控制的代价评估方法，该方法首先获取低温推进剂长期在轨贮存系统蒸发量和蒸发率，再获得蒸发量控制措施带来的重量代价，进而获得重量代价最小的最优设计工况，用于指导低温推进剂在轨贮存系统的设计。

(2)、本发明以系统重量轻、功率少、可实现性等系统效率指标为优化目标，建立工程评估方法,可有效开展低温推进剂长期在轨蒸发量控制系统分析。

(3)、本发明低温推进剂长期在轨蒸发量控制的代价评估方法遍历了所有在轨时间，所有制冷量、所有隔热材料厚度和所有推进剂重量等工况，考虑因素全面，大大提高了评估方法的准确性和可靠性。

(4)、本发明低温推进剂长期在轨蒸发量控制的代价评估方法具有高可靠、覆盖性广、精度高等优点。

附图说明

图1为本发明实施例中低温推进剂长期在轨蒸发量控制的代价评估方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

本发明在轨蒸发量控制的代价评估方法的具体实现步骤如下：

(一)、低温推进剂长期在轨贮存蒸发量控制系统净漏热量Q_loss计算方法：

根据能量平衡，系统净漏热计算见式(1)：

Q_loss＝Q_MLI+Q_struts+Q_parastitic+Q_penetrations-Q_vapor-Q_cryocooler (1)

其中：Q_MLI表示推进剂贮箱表面隔热材料漏热量；Q_struts表示推进剂贮箱支撑结构的漏热量；Q_parastitic表示制冷机漏热量；Q_penetrations表示贮箱管路漏热量；Q_vapor表示低温推进剂排气可利用冷量；Q_cryocooler表示制冷机的制冷量。

推进剂贮箱表面隔热材料漏热量Q_MLI的计算公式见式(2)：

其中，T_hot为贮箱隔热层外侧温度，单位K；T_cold为贮箱内部液态低温推进剂温度，单位K；N_s为多层隔热材料总层数，例如，N_s取值为10～100。

推进剂贮箱支撑结构的漏热量Q_struts计算基于NASA所研制的支撑隔热结构(PODS)热导率数据：

对于液氧推进剂的Q_struts的计算公式见式(3)：

其中，C₁为设计余量因子，例如取值为1～1.2，C₂为0.44，M_tank为低温推进剂贮箱重量，单位kg；M_propellant为低温推进剂重量，单位kg。

对于液氢推进剂的Q_struts的计算公式见式(4)：

其中，C₁为设计余量因子，例如取值为1～1.2，C'₂为0.021。

贮箱管路漏热量Q_penetrations的计算公式如下

其中，C1为设计余量因子，例如取值为1～1.1，V_tank为贮箱体积。

制冷机未工作时通过制冷机进入系统的热量主要基于“Spacecraft Thermal Control Handbook”中AIRS制冷机的数据，制冷机漏热量Q_parastitic的计算公式如下：

其中，C₁为设计余量因子，取值1～1.2，C″₂为阴影因子(表示飞行器在阴影中时间的比例，制冷机在阴影区时不工作),为制冷机输入功率。

低温推进剂蒸发排气可利用冷量Q_vapor的计算公式如下：

其中，为低温推进剂蒸发量，t为在轨时间，取值1～500；c_p,T为推进剂在排气出口压力下的比热容；T_{vapor_begin}为排气出口温度，T_{vapor_last}为排气可利用冷量利用完之后的温度。

低温制冷机冷量由其制冷能力决定，这里特指推进剂贮存温度下(饱和温度)对应的低温制冷机制冷量Q_cryocooler，取值0～80。

(二)、联立式(1)～(9)，根据低温推进剂饱和温度对应蒸发潜热γ和在轨工作时间t，获得不同工况下的净漏热量Q_loss、低温推进剂蒸发量及蒸发率i表示不同的工况，i＝1，2，……,N，其中N为工况数量；

(三)、系统代价计算方法

获得不同工况下引入制冷机带来的重量增加将同一工况下的与对应的蒸发量求和得到该工况下的系统重量代价遍历所有工况下的系统重量代价寻找系统重量代价的最小值。

引入制冷机带来的重量增加包括制冷机自身重量辐射器重量太阳能电池阵重量电子设备重量管路重量和线缆重量

即：

根据目前的低温制冷机性能给出不同工况下制冷机自身重量的计算公式如下：

其中：T_c为制冷机的冷头温度。

辐射器重量的计算公式如下：

太阳能电池阵重量的计算公式如下：

电子设备重量的计算公式如下：

管路重量的计算公式如下：

线缆重量的计算公式如下：

其中:为制冷机输入功率；为制冷机自身重量。

上述公式中制冷机输入功率计算公式如下：

该工况下的系统重量代价表示如下：

此外该步骤中还包括不同工况下引入的隔热材料重量将同一工况下的与对应的蒸发量求和得到该工况下的系统重量代价遍历所有工况下的系统重量代价寻找系统重量代价的最小值。

即可以表示如下：

其中隔热材料重量的计算公式如下：

其中：ρ_m为多层隔热材料反射屏的平均面密度；t_m为反射屏厚度；ρ_s为多层隔热材料间隔物的平均面密度，t_s为间隔物厚度；为多层隔热材料层间密度，N_s为多层隔热材料总层数，A为多层隔热材料面积。

本实施例中具体取值为：取15～25layers/cm，ρ_m＝0.00881kg/m²；t_m＝0.0064mm；ρ_s＝0.0073kg/m²，t_s＝0.13mm；N_s取10～100，A与贮箱表面积相等。

如图1所示为本发明实施例中低温推进剂长期在轨蒸发量控制的代价评估方法流程图，本发明实施例中根据上述方法获得最优的工况为：对于液氧推进剂，在轨时间大于7天，相比仅采用被动隔热措施而言，增加主动制冷机后具有明显技术优势，系统代价最小。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。