CN107741373A - 一种适用于绝热结构冷冲击试验的贮箱试验件和试验方法 - Google Patents

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黄诚
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刘力源
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Abstract

一种适用于绝热结构冷冲击试验的贮箱试验件和试验方法，试验件包括贮箱和绝热结构；贮箱包括贮箱箱底、贮箱箱筒段、上、下两个叉形环、法兰、贮箱短壳；贮箱箱底、叉形环和贮箱箱筒段包围的空间用于贮存推进剂；绝热结构通过喷涂或者粘贴方式包覆在贮箱外侧，用于抑制推进剂与外部环境的热交换；叉形环连接贮箱箱底和贮箱箱筒段；贮箱短壳与叉形环相连，用于支撑和传力；法兰位于箱底上，用于液体推进剂的加注、泻出以及气体推进剂的排出。

Description

一种适用于绝热结构冷冲击试验的贮箱试验件和试验方法
技术领域
本发明涉及一种适用于绝热结构冷冲击试验的贮箱试验件和试验方法。
背景技术
低温火箭是国际航天运输系统的发展趋势，贮箱是火箭贮存低温推进剂的结构部段，为提高推进剂的利用率，低温贮箱与外界环境必须进行热隔离，即对低温贮箱进行绝热。
贮箱绝热结构的主要功能是降低推进剂和外界环境之间的热交换，除此以外，还应满足从绝热结构生产直到发射结束，绝热结构保持完整，避免有影响安全的事件发生。影响安全的事件主要有：
a)推进剂加注后、火箭起飞前，绝热结构大面积鼓包或脱落，导致无法发挥绝热功能，贮箱推进剂蒸发过快；
b)火箭起飞后，绝热结构大面积开裂、脱落，威胁火箭的飞行安全。
冷冲击试验是贮箱绝热结构研制过程中最必须且最关键的试验，用于筛选适应多次加注泄出环境的贮箱绝热结构方案，考察绝热结构在加注推进剂后的绝热性能，同时考察绝热结构与金属贮箱在降温和升温过程中的变形匹配性，因为推进剂可能存在重复加注泄出的工况，必须充分考虑绝热结构的完整性对绝热性能及飞行安全的影响。
过去，冷冲击试验受经费和试验条件影响，一般选用与真实贮箱尺寸相差较大的缩比贮箱(见图1)开展试验，缩比金属贮箱内径D1一般在0.5m～0.8m，而真实贮箱内径D0一般在3m～5m，因此单位截面积内的缩比贮箱热容仅为真实贮箱1/100～1/36，而绝热结构厚度相同，因此缩比贮箱内推进剂介质增发速度比真实贮箱快很多，计算得到的有效热导率明显偏大。此外，试验件绝热结构在边界处理上过于简单，导致贮箱特殊结构——如叉形环、法兰结构附近绝热结构考核不到位，经历温度循环后绝热结构的问题无法提前暴露，给后期研制工作带来了被动。缩比贮箱的箱底上有叉形环(序号a)、法兰(序号b)结构，以往绝热结构会将这些特殊金属结构都包覆起来，以便于将热导率简化到一维进行计算，但这种做法得不偿失，大大增加了箱底绝热结构的强度，使得试验中原本应力变化最复杂、最易出现问题的叉形环与箱筒段夹角区域考核不充分；法兰也是如此，由于内外刚度不连续，在推进剂加注、气化过程中法兰沿径向温度场不同，可能引起周围绝热结构的应力变化进而结构破坏，而过度包覆的绝热结构阻止了现象的发生。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对现有技术的不足，提出一种适用于绝热结构冷冲击试验的贮箱试验件及试验方法，极大降低了试验件与真实贮箱尺寸差异以及边界条件对试验结果的负面影响，可以较为准确地表征贮箱绝热结构经历温度循环后的性状，达到贮箱绝热结构方案筛选和优化的目的。
本发明的技术方案是：一种适用于绝热结构冷冲击试验的贮箱试验件，包括贮箱和绝热结构；贮箱包括贮箱箱底、贮箱箱筒段、上、下两个叉形环、法兰、贮箱短壳；贮箱箱底、叉形环和贮箱箱筒段包围的空间用于贮存推进剂；绝热结构通过喷涂或者粘贴方式包覆在贮箱外侧，用于抑制推进剂与外部环境的热交换；叉形环连接贮箱箱底和贮箱箱筒段；贮箱短壳与叉形环相连，用于支撑和传力；位于箱底上，用于液体推进剂的加注、泻出以及气体推进剂的排出。
除叉形环与贮箱箱筒段夹角区域以外，绝热结构在贮箱上的剩余其他部段上的厚度保持一致。
所述贮箱箱底为球冠形或椭球冠形或锥形；贮箱箱筒段为圆筒形；叉形环剖面形状为“Y”形。
所述各部段以焊接方式连接。
所述贮箱箱筒段包覆的绝热结构沿箭轴方向的长度超过贮箱箱底包覆的位置。
一种适用于绝热结构冷冲击试验的贮箱试验方法，步骤如下：
1)试验前，对试验件进行气密性检查，确保无泄露；
2)将液体推进剂加注至贮箱内；
3)推进剂加注至预定液位后，停止加注，静置过程中测量得到推进剂蒸发的质量流率、绝热结构外表面温、绝热结构内表面温度度；
4)计算得到绝热结构的有效热导率。
所述计算得到绝热结构的有效热导率的公式为：
其中：——推进剂蒸发的质量流率；
γ——推进剂蒸发潜热；
FW——推进剂浸没面积；
Δx——箱筒段绝热结构厚度；
TW——绝热结构外表面温度；
TA——绝热结构内表面温度。
所述步骤2)中推进剂加注量尽可能多，最少应浸没整个贮箱箱筒段。
如果是液氢试验系统，加注液体推进剂前对于贮箱内气体进行多次置换，在排气阀出口进行气体成分分析，保证满足操作要求后再进行液氢加注。
所述操作要求为：同时满足气氢纯度≥99.9％、O2<20PPM、H2O<30PPM。
本发明与现有技术相比的优点在于：
约束了试验贮箱与真实贮箱的直径比例，约束了试验贮箱各个部段壁厚差值，使得试验中推进剂热容对绝热结构热导率的影响在贮箱设计可容忍的范围内，同时也使得后处理传热计算时，可以简化模型。
改变了现有技术将箱底、叉形环完全包覆起来作为试验边界的做法，将箱底、叉形环绝热结构作为试验对象的一部分，使得叉形环与箱筒段夹角区域、以及变厚度的箱底法兰区域，绝热结构在多次冷冲击试验中结构应力和温度应力叠加的工况得到考核。在后处理传热计算时，箱底和叉形环对热导率的影响将作为修正系数，参与到分析中。
本专利所设计的试验件经过5个绝热方案共计76次试验，充分考核了冷冲击试验(多次加注泄出)绝热结构与金属贮箱的变形匹配性，计算得到的绝热性能(有效热导率)与真实贮箱蒸发量试验得到值差异在15％以内。
附图说明
图1为现有技术参与绝热结构冷冲击试验的贮箱试验件。
图2为本技术参与绝热结构冷冲击试验的贮箱试验件。
具体实施方式
如图2所示，本发明一种适用于绝热结构冷冲击试验的贮箱试验件，包括贮箱和绝热结构3；贮箱包括贮箱箱底1、贮箱箱筒段2、上、下两个叉形环a、法兰b、贮箱短壳4；贮箱箱底1、叉形环a和贮箱箱筒段2包围的空间用于贮存推进剂；绝热结构3通过喷涂或者粘贴方式包覆在贮箱外侧，用于抑制推进剂与外部环境的热交换；叉形环a连接贮箱箱底1和贮箱箱筒段2；贮箱短壳4与叉形环a相连，用于支撑和传力；法兰b位于箱底上，用于液体推进剂的加注、泻出以及气体推进剂的排出。
除叉形环a与贮箱箱筒段2夹角区域以外，绝热结构3在贮箱上的剩余其他部段上的厚度保持一致。
所述贮箱箱底1为球冠形或椭球冠形或锥形；贮箱箱筒段2为圆筒形；叉形环a剖面形状为“Y”形。
所述各部段以焊接方式连接。
所述贮箱箱筒段2包覆的绝热结构3沿箭轴方向的长度超过贮箱箱底1包覆的位置。
一种适用于绝热结构冷冲击试验的贮箱试验方法，步骤如下：
1)试验前，对试验件进行气密性检查，确保无泄露；
2)将液体推进剂加注至贮箱内；
3)推进剂加注至预定液位后，停止加注，静置过程中测量得到推进剂蒸发的质量流率、绝热结构外表面温、绝热结构内表面温度度；
4)计算得到绝热结构的有效热导率。
所述计算得到绝热结构的有效热导率的公式为：
其中：——推进剂蒸发的质量流率；
γ——推进剂蒸发潜热；
FW——推进剂浸没面积；
Δx——箱筒段绝热结构厚度；
TW——绝热结构外表面温度；
TA——绝热结构内表面温度。
所述步骤2)中推进剂加注量尽可能多，最少应浸没整个贮箱箱筒段2。
如果是液氢试验系统，加注液体推进剂前对于贮箱内气体进行多次置换，在排气阀出口进行气体成分分析，保证满足操作要求后再进行液氢加注。
所述操作要求为：同时满足气氢纯度≥99.9％、O2<20PPM、H2O<30PPM
如图1所示，现有试验件直径D1一般在0.5m～0.8m，而真实贮箱内径D0一般在3m～5m，单位截面积内的缩比贮箱热容仅为真实贮箱1/100～1/36；贮箱箱筒段2绝热结构厚度d1与真实贮箱相同，贮箱箱底1，包括叉形环和法兰)被厚厚的绝热结构3包覆，在计算中箱底与环境的热量交换为0，试验贮箱被简化成沿箱壁厚度方向的一维导热模型，由于试验贮箱热容量小，蒸发速度快，热流密度过大，而有效热导率与热流密度成正比，此种试验件得到的有效热导率明显过大。
如图2所示，本发明试验件一方面单位截面积内的缩比贮箱热容不小于真实贮箱的1/16，通过传热计算，满足设计允许的偏差范围，另一方面，贮箱的结构应力与内压与直径的乘积成正比，即内压工况下，试验贮箱的结构应力与真实贮箱相当，可以考核叉形环、法兰等绝热结构高应力区在温度循环条件下叠加温度应力后的表现。箱筒段包覆的绝热结构3沿箭轴方向的长度应超过箱底包覆的位置，是由于贮箱短壳4是热桥，应尽可能减小短壳传热的面积。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种适用于绝热结构冷冲击试验的贮箱试验件，其特征在于：包括贮箱和绝热结构(3)；贮箱包括贮箱箱底(1)、贮箱箱筒段(2)、上、下两个叉形环(a)、法兰(b)、贮箱短壳(4)；贮箱箱底(1)、上、下叉形环(a)和贮箱箱筒段(2)包围的空间用于贮存推进剂；绝热结构(3)通过喷涂或者粘贴方式包覆在贮箱外侧，用于抑制推进剂与外部环境的热交换；上、下叉形环(a)连接贮箱箱底(1)和贮箱箱筒段(2)；贮箱短壳(4)与叉形环(a)相连，用于支撑和传力；法兰(b)位于箱底上，用于液体推进剂的加注、泻出以及气体推进剂的排出。
2.根据权利要求1所述的一种适用于绝热结构冷冲击试验的贮箱试验件，其特征在于：除上、下叉形环(a)与贮箱箱筒段(2)夹角区域以外，绝热结构(3)在贮箱上的剩余其他部段上的厚度保持一致。
3.根据权利要求1所述的一种适用于绝热结构冷冲击试验的贮箱试验件，其特征在于：所述贮箱箱底(1)为球冠形或椭球冠形或锥形；贮箱箱筒段(2)为圆筒形；上、下叉形环(a)剖面形状为“Y”形。
4.根据权利要求1-3任意所述的一种适用于绝热结构冷冲击试验的贮箱试验件，其特征在于：所述各部段以焊接方式连接。
5.根据权利要求1-3任意所述的一种适用于绝热结构冷冲击试验的贮箱试验件，其特征在于：所述贮箱箱筒段(2)包覆的绝热结构(3)沿箭轴方向的长度超过贮箱箱底(1)包覆的位置。
6.一种利用权利要求1-5任意所述试验件进行贮箱试验方法，其特征在于步骤如下：
1)对试验件进行气密性检查；
2)将液体推进剂加注至贮箱内；
3)推进剂加注至预定液位后，停止加注，静置过程中测量得到推进剂蒸发的质量流率、绝热结构外表面温、绝热结构内表面温度度；
4)计算得到绝热结构的有效热导率。
7.根据权利要求6所述的一种适用于绝热结构冷冲击试验的贮箱试验方法，其特征在于：所述计算得到绝热结构的有效热导率的公式为：
<mrow> <mi>&amp;lambda;</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mover> <mi>m</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>&amp;gamma;</mi> </mrow> <msub> <mi>F</mi> <mi>W</mi> </msub> </mfrac> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mfrac> <mrow> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>x</mi> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>T</mi> <mi>W</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>T</mi> <mi>A</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mfrac> <mo>,</mo> </mrow>
其中：——推进剂蒸发的质量流率；
γ——推进剂蒸发潜热；
FW——推进剂浸没面积；
Δx——箱筒段绝热结构厚度；
TW——绝热结构外表面温度；
TA——绝热结构内表面温度。
8.根据权利要求6或7所述的一种适用于绝热结构冷冲击试验的贮箱试验方法，其特征在于：所述步骤2)中推进剂加注量尽可能多，最少应浸没整个贮箱箱筒段(2)。
9.根据权利要求6或7所述的一种适用于绝热结构冷冲击试验的贮箱试验方法，其特征在于：如果是液氢试验系统，加注液体推进剂前对于贮箱内气体进行多次置换，在排气阀出口进行气体成分分析，保证满足操作要求后再进行液氢加注。
10.根据权利要求9所述的一种适用于绝热结构冷冲击试验的贮箱试验方法，其特征在于：所述操作要求为：同时满足气氢纯度≥99.9％、O2<20PPM、H2O<30PPM。
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