在轨低温贮箱主被动防绝热系统数值分析

摘要

低温推进剂作为一种无毒、高比冲的动力来源，被广泛应用于各类太空任务。而航天器在轨运行阶段（尤其深空探测任务中），由于受到复杂的外热流影响，位于推进剂贮箱内的低温推进剂极易蒸发，影响整个动力系统正常工作。有效的防绝热系统能很好地改善推进剂贮箱的受热情况，减少低温推进剂的蒸发，使在轨飞行航天器的动力系统保持良好的工作状态。因此，为贮箱选用实用的主被动防绝热系统对控制内部低温推进剂蒸发具有重要意义。　　从工程应用角度分析维持低温推进剂贮箱长期在轨工作需求下的被动及主动热防护措施。针对在轨航天器飞行姿态、飞行轨道及主被动热防护措施等对低温推进剂贮箱在轨受热的影响因素，使用航天器热分析软件SINDA/FLUINT对在轨飞行期间贮箱外部外热流场及航天器外部及内部温度场、贮箱内推进剂相变场进行数值模拟分析，研究在上述影响因素下低温推进剂贮箱内部温度场及推进剂蒸发率变化规律。　　首先，针对航天器飞行姿态和飞行轨道对低温推进剂贮箱飞行期间外热流场和温度场的影响进行数值模拟分析。分别研究了航天器采用对日定向飞行姿态、对地定向飞行姿态、航天器飞行过程中自旋、飞行过程中不自旋等四项条件组合的八个姿态工况，还研究了同步卫星圆轨道和椭圆轨道等不同飞行轨道条件下航天器外热流场和温度场的变化规律。　　其次，针对航天器采用的多种被动热防护措施情况，对低温推进剂贮箱飞行期间的外热流场和温度场影响进行数值模拟分析。分别研究了八种被动热防护材料、六种结构材料、以及多层隔热材料布置到航天器及低温推进剂贮箱的情况下航天器外热流分布及温度场影响规律。　　最后，对采用被动及主动热防护措施下的在轨低温贮箱内部的推进剂蒸发率进行数值模拟分析。研究了不同飞行轨道、飞行姿态和几种典型被动热防护措施下的贮箱内推进剂蒸发率变化规律。数值模拟热力学排气系统与主动冷却系统等主动热防护措施的工作过程，研究不同工作状态下低温推进剂贮箱内部相变蒸发情况，以此分析不同飞行条件及主被动防绝热措施对贮箱内部推进剂蒸发率的影响。根据数值模拟结果，分析各类主被动防绝热措施的有效性和实用性，对防绝热系统提出合理化建议。

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