CN103090723B - 火箭发射喷水降温降噪系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于火箭发射技术领域，具体涉及一种火箭发射喷水降温降噪系统。该系统包括外层喷水装置、内层喷水装置、支撑桁架、下部蓄水器、喷水总引管和高位水箱；发射场设置有高位水箱，从高位水箱引出两条喷水总引管，两条喷水总引管均与下部蓄水器连接，下部蓄水器上设置有外层喷水装置和内层喷水装置；所述外层喷水装置位于发射平台行走部的两侧，并平行发射平台行走方向，且其顶端高于发射平台的台面；所述内层喷水装置的顶端低于发射平台的台面；所述支撑桁架用于支撑外层喷水装置和内层喷水装置。本发明针对捆绑式火箭发射技术条件研制，适用于采用类似热发射技术条件的单喷管火箭发射试验、模拟试验等场合。
Description
技术领域
本发明属于火箭发射技术领域，具体涉及一种火箭发射喷水降温降噪系统。
背景技术
火箭发射过程中，高温、高速、高凝相燃气流对发射设备、发射设施及火箭的烧蚀影响历来是困扰火箭技术人员的工程技术难题之一。火箭发动机排量增加、比冲提高情况下，设施及设备单位面积上承受的燃气流烧蚀强度提高。一些情况下火箭自身重量增加情况下，火起飞推重比下降，将造成设施及设备单位面积上承受的燃气流烧蚀时间延长。随着火箭发射技术对发射支持系统、发射设施要求的提高，原先单一承载火箭重量或加注元器件的发射支持系统、发射设施集成化、自动化、机动化、信息化水平大幅度提高，发射支持系统、发射设施结构方案发生很大变化，例如为适应牵制释放技术、箭底尾端服务塔加注技术等，发射平台将尾端服务塔、多点调平式支承臂、牵制臂结构，发射平台表面由过去简洁式回转结构变为带丛林式凸起结构，发射平台对燃气流排导能力减弱，燃气流剧烈扰动情况下相对驻点区域面积增加很多，进一步造成燃气流烧蚀强度提高、烧蚀时间延长，发射平台热防护难度也大幅度增加。
目前，出于载人航天及深空探测项目需要，火箭发射功率越来越大，采用高燃温、高燃速发动机的火箭型号越来越多，由此引发的喷流噪声与结构耦合破坏以及声敏测发控器件影响火箭发射、控制与测试的风险也越来越大，同时喷流噪声对环境的影响特别是影响发射区居民健康的问题也引起了广泛关注。如上所述，发射支持系统特别是发射平台为适应集成化、自动化、机动化、信息化要求，发射平台台体由过去简洁式回转结构变为带丛林式凸起结构，导致大吨位火箭起飞过程喷流噪声强度提高，进一步凸显喷流噪声控制的必要性。
目前由试验室研究并发展的喷水技术已经证明能够降低喷流燃气温度、有效防护发射设备的作用，美国肯尼迪航天中心为此推入巨资开发适合工程应用的喷水降温降噪系统，最终在航天飞机发射技术领域成功应用，目前已经推广应用于其它火箭型号领域。受美国喷水降温降噪系统开发，欧洲航天局也在阿里安5型号成功研发喷水降温降噪系统。目前，美国航天局及欧洲航天局开发的喷水降温降噪系统技术细节均未公开，随着我国新一代中型、大型及重型运载火箭相继立项，开发适合我国火箭发射的喷水降温降噪系统具有十分重要的工程实践意义。
发明内容
本发明的目的在于基于捆绑式火箭发射技术条件，针对特殊区域特别是烧蚀区域及噪声源区域提供一种分级组合式火箭发射喷水降温降噪系统，以降低发射燃气流温度与噪声强度，改变噪声传播途径，满足上述需求。
为达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：一种火箭发射喷水降温降噪系统包括外层喷水装置、内层喷水装置、支撑桁架、下部蓄水器、喷水总引管和高位水箱；发射场设置有高位水箱，从高位水箱引出两条喷水总引管，两条喷水总引管均与下部蓄水器连接，下部蓄水器上设置有外层喷水装置和内层喷水装置；所述外层喷水装置位于发射平台行走部的两侧，并平行发射平台行走方向，且其顶端高于发射平台的台面；所述内层喷水装置的顶端低于发射平台的台面；所述支撑桁架用于支撑外层喷水装置和内层喷水装置。
所述外层喷水装置包括外层上级喷水装置和外层下级喷水装置，且其结构相同；所述外层下级喷水装置位于外层上级喷水装置的内侧，且外层下级喷水装置的顶端低于外层上级喷水装置的顶端。
所述外层上级喷水装置和外层下级喷水装置的结构为：在下部蓄水器上竖直布置有若干相同供水管路，供水管路的上端均与外层喷水装置上部蓄水器连接，构成“皿”形均压冗余供水管路，外层喷水装置上部蓄水器上布置有“”形喷嘴阵列。
所述若干相同供水管路中单根供水管路由下到上依次为：与下部蓄水器连接有下部供水管B，下部供水管B与控制阀门C连接，控制阀门C与上部供水管B连接，上部供水管B与控制阀门B连接，控制阀门B与供水弯引管B连接，供水弯引管B与供水短引管B连接，供水短引管B与外层喷水装置上部蓄水器连接。
所述内层喷水装置包括发射平台导流孔处喷水装置和发射平台导流槽入口处喷水装置。
所述发射平台导流孔处喷水装置为“中国结”形供水管网系统，包括网状供水管组、外侧分支引管、内侧分支引管和以导流孔入口截面为中心对称均布于网状供水管组上的若干喷嘴；所述网状供水管组为由四个“口”形供水管组构成的“中国结”形，四个“口”形供水管组的外侧和与之对应的外侧分支引管、内侧分支引管连接。
所述“口”形供水管组由两根三通管、三根长直管、两根四通管和两根短直管构成；其中两根三通管与三根长直管构成“”形管路，两根三通管位于“”形两底角处，两根长直管的另一端分别与一根四通管连接，每根四通管分别连接有一根短直管，且两根短直管所在“口”形边中间断开；四个“口”形供水管组通过其四通管连接为一体，构成“中国结”形的网状供水管组，且相邻两个“口”形供水管组共用一根四通管，且每个“口”形供水管组的两根三通管分别连接有外侧分支引管和内侧分支引管，从而构成“中国结”形供水管网系统，即发射平台导流孔处喷水装置。
所述每个外侧分支引管和每个内侧分支引管均与一根弯引管连接，各个弯引管均与内层喷水装置上部蓄水器连接，内层喷水装置上部蓄水器通过若干相同竖直布置的供水管路与下部蓄水器连接，构成“皿”形均压冗余供水管路。
所述若干相同供水管路中单根供水管路由下到上依次为：与下部蓄水器连接有下部供水管A，下部供水管A与控制阀门A连接，控制阀门A与上部供水管A连接，上部供水管A与供水弯引管A连接，供水弯引管A与供水短引管A连接，供水短引管A与内层喷水装置上部蓄水器连接。
所述发射平台导流槽入口处喷水装置整体为圆环形，且布置在发射平台导流孔处喷水装置的外圈，其包括环形蓄水器、均布于环形蓄水器上的“O”形喷嘴阵列和两根连接在环形蓄水器两侧的供水引管，供水引管均与下部蓄水器连接。
本发明所取得的有益效果为：
本发明所述火箭发射喷水降温降噪系统针对捆绑式火箭发射技术条件，即火箭发射的烧蚀区域及噪声源区域研制，可以降低发射燃气流温度与噪声强度，改变噪声传播途径。适用于采用类似热发射技术条件的单喷管火箭发射试验、模拟试验等场合。
附图说明
图1为火箭发射喷水降温降噪系统组装效果图；
图2为火箭发射喷水降温降噪系统总成俯视图；
图3为火箭发射喷水降温降噪系统总成正视图；
图4为外层喷水装置的一支供水管路结构图；；
图5为外层喷水装置的“皿”形均压冗余供水管路结构图；
图6为“中国结”形的发射平台导流孔处喷水装置结构图；
图7为“中国结”形的发射平台导流孔处喷水装置组装结构图；
图8为网状供水管组结构图；
图9为“口”形供水管组结构图；
图10为内层喷水装置的一支供水管路结构图；
图11为内层喷水装置的“皿”形均压冗余供水管路结构图；
图12为发射平台导流槽入口处喷水装置结构图；
图13为简易火箭发射喷水降温降噪系统总成正视图；
图中：1、捆绑式火箭；2、发射平台；3、发射平台导流槽入口；4、外层喷水装置；5、内层喷水装置；6、外层上级喷水装置；7、外层下级喷水装置；8、发射平台导流孔处喷水装置；9、发射平台导流槽入口处喷水装置；10、支撑桁架；11、下部蓄水器；12、喷水总引管；13、高位水箱；14、网状供水管组；15、外侧分支引管；16、内侧分支引管；17、“口”形供水管组；18、喷嘴；19、内层喷水装置上部蓄水器；20、三通管；21、长直管；22、四通管；23、短直管；24、环形蓄水器；25、“O”形喷嘴阵列；26、供水引管；27、下部供水管A；28、控制阀门A；29、上部供水管A；30、供水弯引管A；31、供水短引管A；32、弯引管；33、“”形喷嘴阵列；34、外层喷水装置上部蓄水器；35、供水短引管B；36、供水弯引管B；37、控制阀门B；38、上部供水管B；39、控制阀门C；40、下部供水管B。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
如图1、图2和图3所示，本发明所述火箭发射喷水降温降噪系统包括外层喷水装置4、内层喷水装置5、支撑桁架10、下部蓄水器11、喷水总引管12和高位水箱13；发射场设置有高位水箱13，从高位水箱13引出两条喷水总引管12至发射平台行走部两侧，且发射平台导流槽附近，以在工作时提供水流、水压条件；两条喷水总引管12均与下部蓄水器11连接，下部蓄水器11用于使其中的液体保持均压；在下部蓄水器11上设置有外层喷水装置4和内层喷水装置5，其中外层喷水装置4位于发射平台2行走部的两侧，并平行发射平台2行走方向，且其顶端高于发射平台2的台面，内层喷水装置5的顶端低于发射平台2的台面；支撑桁架10用于支撑外层喷水装置4和内层喷水装置5；
所述外层喷水装置4包括外层上级喷水装置6和外层下级喷水装置7，其结构相同；外层下级喷水装置7位于外层上级喷水装置6的内侧，且外层下级喷水装置7的顶端低于外层上级喷水装置6的顶端；以其中一侧的外层上级喷水装置6为例，如图4、图5所示，在下部蓄水器11上竖直布置有若干相同(至少两根)供水管路，供水管路的上端均与外层喷水装置上部蓄水器34连接，构成“皿”形均压冗余供水管路，外层喷水装置上部蓄水器34上布置有“”形喷嘴阵列33，其中单根供水管路由下到上依次为：下部蓄水器11与下部供水管B40连接，下部供水管B40与控制阀门C39连接，控制阀门C39与上部供水管B38连接，上部供水管B38与控制阀门B37连接，控制阀门B37与供水弯引管B36连接，供水弯引管B36与供水短引管B35连接，供水短引管B35与外层喷水装置上部蓄水器34连接；
所述内层喷水装置5包括发射平台导流孔处喷水装置8和发射平台导流槽入口处喷水装置9；如图6、图7所示，发射平台导流孔处喷水装置8为“中国结”形供水管网系统，包括网状供水管组14、外侧分支引管15、内侧分支引管16和以导流孔入口截面为中心对称均布于网状供水管组14上的若干喷嘴18；如图8所示，网状供水管组14为由四个“口”形供水管组17构成的“中国结”形；如图9所示，每个“口”形供水管组17由两根三通管20、三根长直管21、两根四通管22和两根短直管23构成，其中两根三通管20与三根长直管21构成“”形管路，两根三通管20位于“”形两底角处，两根长直管21的另一端分别与一根四通管22连接，每根四通管22分别连接有一根短直管23，且两根短直管23所在“口”形边中间断开；四个“口”形供水管组17通过其四通管22连接为一体，构成“中国结”形的网状供水管组14，且相邻两个“口”形供水管组17共用一根四通管22，且每个“口”形供水管组17的两根三通管20分别连接有外侧分支引管15和内侧分支引管16，从而构成“中国结”形供水管网系统，即发射平台导流孔处喷水装置8；如图10、图11所示，发射平台导流孔处喷水装置8的每个外侧分支引管15和每个内侧分支引管16均与一根弯引管32连接，各个弯引管32均与内层喷水装置上部蓄水器19连接，内层喷水装置上部蓄水器19通过若干(至少两根)相同竖直布置的供水管路与下部蓄水器11连接，构成“皿”形均压冗余供水管路，其中单根供水管路由下到上依次为：下部蓄水器11与下部供水管A27连接，下部供水管A27与控制阀门A28连接，控制阀门A28与上部供水管A29连接，上部供水管A29与供水弯引管A30连接，供水弯引管A30与供水短引管A31连接，供水短引管A31与内层喷水装置上部蓄水器19连接；
如图12所示，所述发射平台导流槽入口处喷水装置9整体为圆环形，且布置在发射平台导流孔处喷水装置8的外圈，其包括环形蓄水器24、均布于环形蓄水器24上的“O”形喷嘴阵列25和两根连接在环形蓄水器24两侧的供水引管26，供水引管26均与下部蓄水器11连接。
如图13所示，在火箭发射功率较小情况下，可省去外层下级喷水装置7和发射平台导流槽入口处喷水装置9，构成简易火箭发射喷水降温降噪系统。
在捆绑式火箭起飞过程中，发射燃气流依次影响导流槽导流锥、发射平台导流孔、发射平台台面、发射平台台面附近凸起发射设备。经空气动力学专题研究证明：在捆绑式火箭发射技术条件下，捆绑式火箭的高温、高速燃气流将形成导流锥面、发射平台导流孔面、发射平台台面、发射平台台面附近凸起发射设备结构表面集中烧蚀区域，同时形成捆绑式火箭两类特殊的高声强发射喷流噪声源——“瓶口效应”型发射喷流噪声源与“墙壁效应”型发射喷流噪声源，“瓶口效应”发射喷流噪声源主要位于发射平台导流孔入口附近及发射平台导流槽入口附近，“墙壁效应”型发射喷流噪声源主要位于发射平台台面附近及发射平台台面凸起发射设备附近空间。
(1)针对上述喷流噪声源区域及集中烧蚀区域，本发明所述火箭发射喷水降温降噪系统同时配置有外层喷水装置和内层喷水装置。其中内层喷水装置主要抑制“瓶口效应”型发射喷流噪声源区域及导流槽导流锥、发射平台导流孔集中烧蚀区域燃气流烧蚀强度；外层喷水装置主要抑制“墙壁效应”型发射喷流噪声源区域及发射平台台面、发射平台台面凸起发射设备表面集中烧蚀区域燃气流烧蚀强度；
(2)内层喷水装置为较好地达到抑制“瓶口效应”型发射喷流噪声及燃气流烧蚀强度的目的，布置有发射平台导流孔处喷水装置和发射平台导流槽入口处喷水装置两级喷水装置，发射平台导流孔处喷水装置为“中国结”形，其各个管路采用相同公称直径及管材，同时对应的管路长度方向控制尺寸一致或接近，以确保水流经外侧分支引管和内侧分支引管流入相关三通管前水压、水流量相对接近，也即维持均压、均流条件；设计成“中国结”形，主要为适应发射平台多个导流孔条件下喷水水压均衡控制及水流速度均匀控制的需要，且在局部供水故障条件下邻近旁路可起到及时补充供水的特殊作用，同时外侧分支引管组与内侧分支引管组配套，进一步起到均压、冗余供水的目的；发射平台导流槽入口处喷水装置为“O”形，以确保喷出的水流尽快进入燃气流区域与燃气流渗混；
(3)外层喷水装置为较好地达到抑制“墙壁效应”型发射喷流噪声及燃气流烧蚀强度的目的，在发射平台行走部两侧均平行布置有外层上级喷水装置和外层下级喷水装置两级喷水装置，且外层上级喷水装置和外层下级喷水装置的上端，沿平行发射平台行走方向均布置有“”形喷嘴阵列，且喷嘴阵列直接连接在蓄水器上，以确保喷嘴阵列喷出的水流速度均匀；
(4)可根据捆绑式火箭发射功率对该火箭发射喷水降温降噪系统做适当简化：在捆绑式火箭发射功率较小时，可省去内层喷水装置中的发射平台导流槽入口处喷水装置和外层喷水装置中的外层下级喷水装置，保留内层喷水装置中的“中国结”形的发射平台导流孔处喷水装置和外层喷水装置中的外层上级组合喷水装置，足以达到抑制指定主要区域噪声强度与喷流烧蚀强度的目的；
(5)“皿”形均压冗余供水管路一方面用于控制喷嘴阵列均匀喷水，另一方面用于水量冗余供给，以确保火箭发射过程中某一供水管路上某控制阀门故障时能够提供发射燃气流降温降噪所需的水流量、水压条件；
(6)喷水总引管确保引入的水流起始压力接近，下部蓄水器、内层喷水装置上部蓄水器、外层喷水装置上部蓄水器均为保持水压均匀，以确保各个喷嘴均匀喷水。
Claims (10)
1.一种火箭发射喷水降温降噪系统，其特征在于：该系统包括外层喷水装置(4)、内层喷水装置(5)、支撑桁架(10)、下部蓄水器(11)、喷水总引管(12)和高位水箱(13)；发射场设置有高位水箱(13)，从高位水箱(13)引出两条喷水总引管(12)，两条喷水总引管(12)均与下部蓄水器(11)连接，下部蓄水器(11)上设置有外层喷水装置(4)和内层喷水装置(5)；所述外层喷水装置(4)位于发射平台(2)行走部的两侧，并平行发射平台(2)行走方向，且其顶端高于发射平台(2)的台面；所述内层喷水装置(5)的顶端低于发射平台(2)的台面；所述支撑桁架(10)用于支撑外层喷水装置(4)和内层喷水装置(5)。
2.根据权利要求1所述的火箭发射喷水降温降噪系统，其特征在于：所述外层喷水装置(4)包括外层上级喷水装置(6)和外层下级喷水装置(7)，且其结构相同；所述外层下级喷水装置(7)位于外层上级喷水装置(6)的内侧，且外层下级喷水装置(7)的顶端低于外层上级喷水装置(6)的顶端。
3.根据权利要求2所述的火箭发射喷水降温降噪系统，其特征在于：所述外层上级喷水装置(6)和外层下级喷水装置(7)的结构为：在下部蓄水器(11)上竖直布置有若干相同供水管路，供水管路的上端均与外层喷水装置上部蓄水器(34)连接，构成“皿”形均压冗余供水管路，外层喷水装置上部蓄水器(34)上布置有“”形喷嘴阵列(33)。
4.根据权利要求3所述的火箭发射喷水降温降噪系统，其特征在于：所述若干相同供水管路中单根供水管路由下到上依次为：与下部蓄水器(11)连接有下部供水管B(40)，下部供水管B(40)与控制阀门C(39)连接，控制阀门C(39)与上部供水管B(38)连接，上部供水管B(38)与控制阀门B(37)连接，控制阀门B(37)与供水弯引管B(36)连接，供水弯引管B(36)与供水短引管B(35)连接，供水短引管B(35)与外层喷水装置上部蓄水器(34)连接。
5.根据权利要求1所述的火箭发射喷水降温降噪系统，其特征在于：所述内层喷水装置(5)包括发射平台导流孔处喷水装置(8)和发射平台导流槽入口处喷水装置(9)。
6.根据权利要求5所述的火箭发射喷水降温降噪系统，其特征在于：所述发射平台导流孔处喷水装置(8)为“中国结”形供水管网系统，包括网状供水管组(14)、外侧分支引管(15)、内侧分支引管(16)和以导流孔入口截面为中心对称均布于网状供水管组(14)上的若干喷嘴(18)；所述网状供水管组(14)为由四个“口”形供水管组(17)构成的“中国结”形，四个“口”形供水管组(17)的外侧和与之对应的外侧分支引管(15)、内侧分支引管(16)连接。
7.根据权利要求6所述的火箭发射喷水降温降噪系统，其特征在于：所述“口”形供水管组(17)由两根三通管(20)、三根长直管(21)、两根四通管(22)和两根短直管(23)构成；其中两根三通管(20)与三根长直管(21)构成“”形管路，两根三通管(20)位于“”形两底角处，两根长直管(21)的另一端分别与一根四通管(22)连接，每根四通管(22)分别连接有一根短直管(23)，且两根短直管(23)所在“口”形边中间断开；四个“口”形供水管组(17)通过其四通管(22)连接为一体，构成“中国结”形的网状供水管组(14)，且相邻两个“口”形供水管组(17)共用一根四通管(22)，且每个“口”形供水管组(17)的两根三通管(20)分别连接有外侧分支引管(15)和内侧分支引管(16)，从而构成“中国结”形供水管网系统，即发射平台导流孔处喷水装置(8)。
8.根据权利要求7所述的火箭发射喷水降温降噪系统，其特征在于：所述每个外侧分支引管(15)和每个内侧分支引管(16)均与一根弯引管(32)连接，各个弯引管(32)均与内层喷水装置上部蓄水器(19)连接，内层喷水装置上部蓄水器(19)通过若干相同竖直布置的供水管路与下部蓄水器(11)连接，构成“皿”形均压冗余供水管路。
9.根据权利要求8所述的火箭发射喷水降温降噪系统，其特征在于：所述若干相同供水管路中单根供水管路由下到上依次为：与下部蓄水器(11)连接有下部供水管A(27)，下部供水管A(27)与控制阀门A(28)连接，控制阀门A(28)与上部供水管A(29)连接，上部供水管A(29)与供水弯引管A(30)连接，供水弯引管A(30)与供水短引管A(31)连接，供水短引管A(31)与内层喷水装置上部蓄水器(19)连接。
10.根据权利要求5所述的火箭发射喷水降温降噪系统，其特征在于：所述发射平台导流槽入口处喷水装置(9)整体为圆环形，且布置在发射平台导流孔处喷水装置(8)的外圈，其包括环形蓄水器(24)、均布于环形蓄水器(24)上的“O”形喷嘴阵列(25)和两根连接在环形蓄水器(24)两侧的供水引管(26)，供水引管(26)均与下部蓄水器(11)连接。
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