可贮存泵压式上面级发动机热控制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于航空、航天技术领域，具体涉及一种可贮存泵压式上面级发动机热控制方法。
【背景技术】
[0002]某泵压式双组元可贮存发动机为运载火箭上面级提供主动力，运载火箭上面级要求发动机两次起动，长时间在轨。发动机在轨工作及滑行期间，面临独特、多变的空间热环境条件，又因为结构复杂，在点火中产生高温燃气的特点，内热源及传热途径复杂。发动机如果不采取热控措施，对热环境与温度进行控制，结构温度超出控温目标会影响发动机起动、工作及关机性能。
[0003]由于满足两次起动的可贮存泵压式上面级发动机在国内尚属于首次研制，对于发动机热控设计缺乏相应的设计方法。与目前国内较成熟的挤压式发动机热控设计相比，由于可贮存泵压式上面级发动机的控温范围更窄，结构更加复杂，高温工况存在涡轮泵“热反浸”等问题，导致在地面试验时难以验证，现有的热控手段难以保证再次起动的起动瞬态问题。
【发明内容】
[0004]为了解决【背景技术】中的问题，本发明提出了一种可适用于泵压式可贮存上面级发动机的热控制方法。
[0005]本发明的具体技术方案是:
[0006]一种可贮存泵压式上面级发动机热控制方法，其特征在于包括下列步骤:
[0007]I)确定控温目标；所述控温目标表示发动机各组件满足发动机两次起动与点火工作的温度范围；
[0008]2)根据发动机在轨工作划分工况；所述工况包括滑行阶段高温工况、滑行阶段低温工况，点火期间高温工况；
[0009]3)确定有热控措施的热数学模型:
[0010]3.1)针对各个工况分别建立无热控措施的热数学模型；
[0011]3.2)根据步骤3.1)的无热控措施的热数学模型，预示发动机在各个工况下温度变化；
[0012]3.3)根据发动机各个工况下温度变化，确定有热控制措施的热数学模型；
[0013]4)制定初步热控方案:
[0014]4.1)根据步骤3.3)的有热控措施的热数学模型，预示发动机在各个工况下的温度变化；
[0015]4.2)将发动机在各个工况下的温度变化与控温目标比较，若温度变化满足控温目标，根据有热控措施的热数学模型，制定初步热控方案；
[0016]若温度变化不满足控温目标，修改有热控措施的热数学模型，直至温度变化满足控温目标，根据修改后的有热控措施的热数学模型，制定初步热控方案；
[0017]5)将步骤4)中初步确定的热控方案在发动机上实施，分别通过真空热平衡试验验证发动机滑行阶段低温工况，高模试车验证发动机点火期间高温工况，高模试车“热反浸”试验验证滑行阶段高温工况，获取发动机在各个工况下的试验预示温度；
[0018]6)比较步骤5)中获取的发动机在各个工况下的试验预示温度与控温目标是否一致；若一致，则确定步骤4)制定的方案为最终的热控方案；若不一致，则修改热控措施，修改有热控措施的热数学模型，重复步骤4)和步骤5)。
[0019]上述热控方案包括多层隔热组件包覆、主动电加热、热控涂层以及发动机起动排放；所述发动机起动排放用于解决涡轮泵“热反浸”导致的再次起动推进剂充填瞬态两相流。
[0020]本发明的优点在于:
[0021]1、本发明方法的提出，确定了一种可满足泵压式可贮存上面级发动机温控目标的热控制方法。
[0022]2、本发明方法针对发动机面临的热环境不同，对工况进行划分，制定出满足各工况的热控方案，控制更加精细。
[0023]3、本发明方法采用发动机起动排放的方式，解决了涡轮泵“热反浸”带来的再次起动推进剂充填瞬态两相流问题。
【附图说明】
[0024]图1是本发明可贮存泵压式上面级发动机热控制方法的流程框图。
【具体实施方式】
[0025]下面针对某上面级对发动机提出的在轨工作X秒，满足一次起动、二次起动两种工作模式的任务要求，两次起动间隔Y秒，点火工作Z秒，结合附图1对本方法的工作流程进行描述:
[0026]该方法的具体步骤是:
[0027]步骤I)确定控温目标；所述控温目标表示发动机各组件满足发动机两次起动与点火工作的温度范围；具体是:对发动机的推力室、燃气发生器、涡轮泵、气瓶、阀门、火药起动器的温度适应性进行分析，再次对发动机起动过程进行温度适应性分析，分析满足正常起动的发动机结构高温限、低温限。
[0028]具体各组件的温度是:推力室(头部与再生冷却段):彡(TC ;燃气发生器(头部与身部):彡(TC ;
[0029]氧化剂阀门:O °C?55 °C ;燃料阀门:-5 °C?60 V
[0030]氧化剂管路:多(TC ;燃料管路:多_5°C ;
[0031]阀门控制器:-4(TC?60?。
[0032]步骤2)根据发动机在轨工作划分工况；所述工况包括滑行阶段高温工况、滑行阶段低温工况，点火期间高温工况；
[0033]各个工况的说明如下:滑行阶段低温工况是指发动机一次起动前滑行阶段，低温恶劣热流条件下，内外受热、散热的状况。
[0034]滑行阶段高温工况是指发动机一次关机后滑行阶段，高温恶劣热流条件下，内外受热、散热的状况。
[0035]点火期间高温工况是指发动机两次点火期间，高温恶劣热流条件下，内外受热、散热的状况。
[0036]步骤3)确定有热控措施的热数学模型:
[0037]步骤3.1)针对各个工况分别建立无热控措施的热数学模型；
[0038]步骤3.2)根据步骤3.1)的无热控措施的热数学模型，预示发动机在各个工况下温度变化；
[0039]步骤3.3)根据发动机各个工况下温度变化，确定有热控制措施的热数学模型；
[0040]其中，热控措施是为保证发动机工作在控温目标范围内所采取的手段，包括:多层隔热组件包覆、热控涂层等被动热控措施，电加热控制等主动热控措施以及发动机起动排放；
[0041]步骤4)制定初步热控方案:
[0042]步骤4.1)根据步骤3.3)的有热控措施数学模型，预示发动机在各个工况下的温度变化；
[0043]步骤4.2)将发动机在各个工况下的温度变化与控温目标比较，若温度变化满足控温目标，根据有热控措施的数学模型，制定初步热控方案；例如:若热控措施为多层隔热组件包覆，则制定的初步热控方案就是多层隔热组件包覆；包覆时需要考虑包覆材料、包覆层厚度等因素；
[0044]若温度变化不满足控温目标，修改有热控措施的数学模型，直至温度变化满足控温目标，根据修改后的有热控措施的数学模型，制定初步热控方案；步骤5)将步骤4)中初步确定的热控方案在发动机上实施，分别通过真空热平衡试验验证发动机滑行阶段低温工况，高模试车验证发动机点火期间高温工况，高模试车“热反浸”试验验证滑行阶段高温工况，获取发动机在各个工况下的试验预示温度；
[0045]步骤6)比较步骤5)中获取的发动机在各工况下的试验预示温度与控温目标是否一致；若一致，则确定其为最终的热控方案；若不一致，则重复修改热控措施，修改有热控措施的热数学模型，步骤4)和步骤5)。
[0046]具体需要说明的是:文中所说的热控方案包括多层隔热组件包覆、主动电加热、热控涂层以及发动机起动排放；发动机起动排放用于解决涡轮泵“热反浸”带来的起动瞬态两相流。
【主权项】
1.一种可贮存泵压式上面级发动机热控制方法，其特征在于包括下列步骤: 1)确定控温目标；所述控温目标表示发动机各组件满足发动机两次起动与点火工作的温度范围； 2)根据发动机在轨工作划分工况；所述工况包括滑行阶段高温工况、滑行阶段低温工况，点火期间高温工况； 3)确定有热控措施的热数学模型: 3.1)针对各个工况分别建立无热控措施的热数学模型； 3.2)根据步骤3.1)的无热控措施的热数学模型，预示发动机在各个工况下温度变化； 3.3)根据发动机各个工况下温度变化，确定有热控制措施的热数学模型； 4)制定初步热控方案: 4.1)根据步骤3.3)的有热控措施热数学模型，预示发动机在各个工况下的温度变化； 4.2)将发动机在各个工况下的温度变化与控温目标比较，若温度变化满足控温目标，根据有热控措施的热数学模型，制定初步热控方案； 若温度变化不满足控温目标，修改有热控措施的热数学模型中的热控措施，直至温度变化满足控温目标，根据修改后的有热控措施的热数学模型，制定初步热控方案； 5)将步骤4)中初步确定的热控方案在发动机上实施，分别通过真空热平衡试验验证发动机滑行阶段低温工况，高模试车验证发动机点火期间高温工况，高模试车“热反浸”试验验证滑行段高温工况，获取发动机在各个工况下的试验预示温度变化； 6)比较步骤5)中获取的发动机在各个工况下的试验预示温度与控温目标是否一致；若一致，则确定步骤4)制定的方案为最终的热控方案；若不一致，则修改热控措施，修改有热控措施的热数学模型，重复步骤4)和步骤5)。
2.根据权利要求1所述的可贮存泵压式上面级发动机热控制方法，其特征在于:所述热控方案包括多层隔热组件包覆、主动电加热、热控涂层以及发动机起动排放；所述发动机起动排放用于解决涡轮泵“热反浸”导致的再次起动推进剂充填瞬态两相流。
【专利摘要】本发明属于航空、航天技术领域，具体涉及一种可贮存泵压式上面级发动机热控制方法。该方法包括步骤是：1)确定控温目标；2)划分工况；3)确定有热控措施的发动机热数学模型；4)制定初步热控方案；5)验证初步热控方案，获得采取初步热控方案的发动机在各个工况下的试验预示温度变化；6)最终热控方案的确定。通过本发明的方法有效地解决了可贮存泵压式上面级发动机热控制问题。
【IPC分类】F02K9-95, F02K9-00
【公开号】CN104675562
【申请号】CN201410783781
【发明人】张敏贵, 赵晓慧, 杨振业, 王春民, 蒲光荣, 黄晓磊, 孙海雨, 单磊
【申请人】中国航天科技集团公司第六研究院第十一研究所
【公开日】2015年6月3日
【申请日】2014年12月16日