一种低温运载火箭舱段环境温控气体吹除系统的制作方法

本发明涉及一种低温运载火箭舱段环境温控气体吹除系统，适用于液氢、液氧低温运载火箭，属于气封吹除技术领域。

背景技术：

当低温运载火箭加注液氢、液氧低温推进剂后，舱段内温度会降低至所安装产品的设计温度以下，出现产品功能失效、气瓶内压力下降等问题；外界湿空气进入舱段内会产生凝结水，严重时结成冰，导致低温阀门卡滞、箭上电气设备如电插头/仪器芯片等遇水或受潮易发生漏电，影响测试精度，甚至导致火箭发射失败；同时系统泄漏的氢气、氧气积存在舱段内，存在安全隐患等。为了减小低温系统导热的影响，满足仪器设备温度的使用要求，在低温推进剂加注后必须对火箭的各舱段进行热氮气或氦气吹除，以进行舱段环境温度控制。

现有吹除系统设计时，为了计算方便，往往按理论方法计算流阻(忽略管路焊接、生产误差等)或者忽略流阻；忽略管路流阻，限流元件孔径计算结果往往偏小，在进行试验验证后再进行更改。部分火箭为了达到吹除流量准确的目的，舱段吹除单独供气，这样就增加了箭地接口数量。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种低温运载火箭舱段环境温控气体吹除系统，可在一路供气情况下，不需要进行试验验证，可以实现多分支分吹除流量满足要求，使各舱段温度达到单机使用要求。

本发明解决技术的方案是：一种低温运载火箭舱段环境温控气体吹除系统，该系统包括箭地吹除接口、吹除主管、n个限流元件、n根吹除分管，箭地吹除接口连接吹除主管，n根吹除分管与吹除主管连接，形成n个吹除分支，限流元件连接在吹除分管上，限流元件的孔径决定进入吹除分管的流量，吹除分管分别进入运载火箭不同舱段，位于限流元件后的吹除分管以环绕的方式安装在舱段壁上，形成吹除环管，各吹除环管上设有m个吹除孔，用于同时对各舱段内进行气体吹除，使得各舱段内的温度均满足预设要求，n大于等于低温温运载火箭舱段数量，m大于等于1。

所述限流元件的孔径通过如下步骤确定：

s1、根据吹除后每个舱段需要达到的温度所确定的分吹除流量、吹除分管管内允许的最大气体流动速度，计算得到每根吹除分管的最小内径，并按管材型号选取吹除分管；

s2、将所有分吹除流量相加，得到总吹除流量，根据总吹除流量、吹除总管管内允许的最大气体流动速度，计算得到吹除总管的最小内径，并按管材型号选取吹除总管；

s3、分别计算吹除总管和每一根吹除分管的管路流阻损失；

s4、采用箭地接口的吹除压力范围的中值减去吹除分管接入吹除总管的接入点的管路流阻损失，计算到达吹除分管的压力；

s5、采用到达吹除分管的压力减去限流元件接入吹除分管前的管路流阻损失，计算各吹除分管上限流元件前的压力；

s6、根据各吹除分管上限流元件前的压力、分吹除流量、气体种类和气体温度，计算限流元件孔径。

所述步骤s1吹除分管的最小内径和步骤s2中吹除总管的最小内径通过如下公式确定：

其中，dmin为吹除分管或吹除总管的最小内径，单位：m；qm为分吹除流量或总吹除流量，ρ为吹除气体的密度，单位kg/m³，v为吹除分管或吹除总管管内允许的最大气体流动速度，单位m/s。

所述流阻损失为沿程阻力损失δpf与δpξ之和。

所述沿程阻力损失δpf的计算公式为：

其中，l为管路长度，单位m，d为管路直径，单位m，ρ为气体密度，单位：kg/m³，λ为沿程阻力系数，无量纲，v为吹除分管或吹除总管管内允许的最大气体流动速度，单位m/s。

所述局部管路损失δpξ的计算公式为：

其中，ρ为气体密度，单位：kg/m³，ξ为局部阻力系数，无量纲，v为吹除分管或吹除总管管内允许的最大气体流动速度，单位m/s。

所述步骤s6限流元件孔径通过如下公式得到：

其中，qm为质量流量，单位kg/s，p为限流元件前的压力，c为限流元件流量系数，无量纲，k为气体常数，无量纲，a为限流元件通流面积，单位m²，dl为限流元件孔径，单位m，t为气体温度，单位k。

所述沿程阻力系数λ、局部阻力系数ξ由相同型号管材型号吹除试验数据分析得到。

所述吹除环管上的吹除孔数量m按照吹除孔数量乘以吹除孔面积大于吹除环管前限流元件通流面积的4倍的原则确定。

所述吹除孔的孔径为1～2mm。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)、本发明吹除系统限流元件考虑了吹除管路的沿程流阻，相比现有技术中的按理论方法或者忽略沿程流阻的方法，计算结果更加准确；

(2)、本发明限流元件口径的利用了对以前进行过的吹除试验数据进行分析，通过管路阻力损失估计沿程阻力系数和局部阻力系数，使用流阻系数可以准确计算出新设计管路的流阻，得到准确的限流元件孔径，该方法减少了试验验证环节，效率更高；

(3)、本发明吹除系统供气为一路供气，减少了箭地接口数量；

(4)、本发明现已应用于低温运载火箭的舱段环境控制，各舱段温度满足单机使用要求，箭上电气设备如电插头、仪器芯片状态良好，产品工作正常。

附图说明

图1为本发明实施例低温运载火箭舱段环境温控气体吹除系统示意图；

图2(a)为已有试验结果的仿真模型图；

图2(b)为本发明实施例建立的仿真模型图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

本发明吹除系统及方法如图1所示，所述低温运载火箭舱段环境温控气体吹除系统包括箭地吹除接口、吹除主管、n个限流元件、n根吹除分管，箭地吹除接口连接吹除主管，n根吹除分管与吹除主管连接，形成n个吹除分支，限流元件连接在吹除分管上，限流元件的孔径决定进入吹除分管的流量，吹除分管分别进入运载火箭不同舱段，位于限流元件后的吹除分管以环绕的方式安装在舱段壁上，安装于仪器设备中间，形成吹除环管，各吹除环管上设有m个吹除孔，用于同时对各舱段内进行气体吹除，使得各舱段内的温度均满足预设要求，n大于等于低温温运载火箭舱段数量，m大于等于1。箭地接口采用统一供配气方式，即箭地接口只设计一个吹除接口，通过吹除分管对各舱段进行热气吹除。

所述吹除总管和吹除分管一般为圆形结构。

优选地，所述限流元件的孔径通过如下步骤确定：

s1、根据吹除后每个舱段需要达到的温度所确定的分吹除流量、吹除分管管内允许的最大气体流动速度，计算得到每根吹除分管的最小内径，并按管材型号选取吹除分管；

s2、将所有分吹除流量相加，得到总吹除流量，根据总吹除流量、吹除总管管内允许的最大气体流动速度，计算得到吹除总管的最小内径，并按管材型号选取吹除总管；

所述步骤s1吹除分管的最小内径和步骤s2中吹除总管的最小内径通过如下公式确定：

其中，dmin为吹除分管或吹除总管的最小内径，单位：m；qm为分吹除流量或总吹除流量，ρ为吹除气体的密度，v为吹除分管或吹除总管管内允许的最大气体流动速度，单位m/s，一般取马赫数在0.15～0.2之间。

s3、分别计算吹除总管和每一根吹除分管的管路流阻损失；

所述流阻损失为沿程阻力损失δpf与局部管路损失δpξ之和，单位为mpa。

所述沿程阻力损失δpf的计算公式为：

其中，l为管路长度，单位m，d为管路直径，单位m，ρ为气体密度，单位：kg/m³，λ为沿程阻力系数，无量纲，v为吹除分管或吹除总管管内允许的最大气体流动速度，单位m/s。

所述局部管路损失δpξ的计算公式为：

其中，ρ为气体密度，单位：kg/m³，ξ为局部阻力系数，无量纲，v为吹除分管或吹除总管管内允许的最大气体流动速度，单位m/s。

所述沿程阻力系数λ、局部阻力系数ξ由相同型号管材型号吹除试验数据分析得到。根据沿程阻力损失δpf与局部管路损失δpξ的计算公式倒推。

s4、采用箭地接口的吹除压力范围的中值减去吹除分管接入吹除总管的接入点的管路流阻损失，计算到达吹除分管的压力；例如，如果箭地接口的吹除压力范围为20mpa～22mpa的话，则取21mpa。

吹除分管接入吹除总管的接入点的管路流阻损失根据吹除分管接入吹除总管的接入点与箭地接口的距离计算。

s5、采用到达吹除分管的压力减去限流元件接入吹除分管前的管路流阻损失，计算各吹除分管上限流元件前的压力；

s6、根据各吹除分管上限流元件前的压力、分吹除流量、气体种类和气体温度，计算限流元件孔径。

限流元件孔径通过如下公式得到：

其中，qm为质量流量，单位kg/s，p为限流元件前的压力，单位pa，c为限流元件流量系数，无量纲，k为气体常数，无量纲，例如，氮气为0.0398，氦气为0.0159，a为限流元件通流面积，单位m²，dl为限流元件孔径，单位m，t为气体温度，单位为k。

所述吹除环管上的吹除孔数量m按照吹除孔数量乘以吹除孔面积大于吹除环管前限流元件通流面积的4倍的原则确定。所述吹除孔的孔径为1～2mm。

其中，dk为吹除孔的直径。

所述吹除分管上吹除孔一般均匀分布，吹除方向对准舱内仪器设备。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。