一種姿控動(dòng)力系統(tǒng)氧化劑管路的熱控仿真分析

楊志松 張 鵬 王 浩 令狐榮波 龍麗娟

（貴州航天朝陽(yáng)科技有限責(zé)任公司，貴州 遵義 563000）

運(yùn)載火箭及上面級(jí)飛行器中的推進(jìn)劑輸送管路主要用于將貯箱中的推進(jìn)劑輸送到發(fā)動(dòng)機(jī)，供發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒工作，為飛行器飛行提供動(dòng)力。因此，需要保證輸送管路中的推進(jìn)劑溫度范圍滿足要求，對(duì)于確保發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作以及飛行器正常運(yùn)行具有重要的意義。運(yùn)載火箭上面級(jí)屬于一種新型空間飛行器，其是在基礎(chǔ)級(jí)火箭上面增加相對(duì)獨(dú)立的一級(jí)，推進(jìn)劑輸送管路會(huì)遇到完全不同于火箭的熱環(huán)境，控溫要求高。

1 氧化劑管路的特點(diǎn)

運(yùn)載火箭及上面級(jí)在冬季執(zhí)行發(fā)射任務(wù)的過程中，上面級(jí)液體姿控動(dòng)力系統(tǒng)受外界極端低溫環(huán)境影響。上面級(jí)液體姿控動(dòng)力系統(tǒng)處于運(yùn)載火箭整流罩內(nèi)，發(fā)射前約3h打開運(yùn)載火箭發(fā)射車的保溫倉(cāng)（保溫倉(cāng)為含有液體姿控動(dòng)力系統(tǒng)的整流罩提供保溫工作），運(yùn)載火箭整流罩直接暴露在冬季極端低溫環(huán)境中，其中，液體姿控動(dòng)力系統(tǒng)的氧化劑為綠色四氧化二氮（MON-3）。由于其冰點(diǎn)溫度相對(duì)較高（冰點(diǎn)溫度為-13.6℃），在執(zhí)行冬季發(fā)射任務(wù)的過程中，氧化劑供應(yīng)管路內(nèi)推進(jìn)劑可能存在結(jié)冰風(fēng)險(xiǎn)。因此，須重點(diǎn)關(guān)注氧化劑管路內(nèi)氧化劑溫度情況。

氧化劑供應(yīng)管路外表面實(shí)施被動(dòng)熱控，包覆一定單元數(shù)量的多層隔熱組件，達(dá)到推進(jìn)劑溫控要求。上面級(jí)液體姿控動(dòng)力系統(tǒng)在執(zhí)行發(fā)射任務(wù)前120s通電打開電爆閥，使氧化劑填充至發(fā)動(dòng)機(jī)電磁閥前，在這期間防止管路結(jié)冰是保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。該文針對(duì)上面級(jí)液體推進(jìn)姿控動(dòng)力系統(tǒng)冬季發(fā)射任務(wù)環(huán)境條件，利用有限元軟件ANSYS Workbench中的Transient Thermal模塊對(duì)推進(jìn)劑供應(yīng)管路內(nèi)氧化劑溫度變化進(jìn)行瞬態(tài)傳熱仿真分析，求解推進(jìn)劑供應(yīng)管路內(nèi)氧化劑溫度變化過程，了解不同管徑、不同熱控包覆層厚度對(duì)氧化劑溫度的影響，并判斷在該上面級(jí)液體姿控動(dòng)力系統(tǒng)執(zhí)行冬季發(fā)射任務(wù)的過程中是否存在結(jié)冰風(fēng)險(xiǎn)。

2 管路傳熱仿真建模

2.1 模型概述

以氧化劑管路所處溫度場(chǎng)環(huán)境為對(duì)象進(jìn)行建模，對(duì)于控溫算法的穩(wěn)定性進(jìn)行定量對(duì)比，并進(jìn)行控溫算法仿真。對(duì)基本情況進(jìn)行如下假設(shè)：管路中的液體氧化劑為綠色四氧化二氮，管路外包多層隔熱組件，多層隔熱組件由多層芯和外包覆層組成，n單元多層芯由n+1層反射層與n層間隔層相間組合而成。以一根長(zhǎng)度為500mm，外徑為6mm，管路壁厚為1mm的鈦合金管路為對(duì)象進(jìn)行研究。

2.2 傳熱學(xué)計(jì)算方法

通過熱傳導(dǎo)、對(duì)流換熱原理分析，將管路傳熱問題歸結(jié)為求解圓柱體導(dǎo)熱微分方程組[1]、對(duì)流換熱微分方程組，其對(duì)流換熱微分方程組為傳熱學(xué)中的連續(xù)性微分方程、動(dòng)量微分和能量微分方程[2]。圓柱體導(dǎo)熱微分方程如公式（1）所示。

連續(xù)性微分方程如公式（2）所示。

動(dòng)量微分方程如公式（3）所示。

能量微分方程如公式（4）所示。

2.3 建立仿真模型

根據(jù)發(fā)射任務(wù)需要，仿真初始條件設(shè)定如下：外界環(huán)境溫度-20℃，管路初始溫度-20℃，氧化劑初始溫度15℃。在仿真初始條件中氧化劑管路初始溫度-20℃，不考慮整流罩及太陽(yáng)輻射環(huán)境情況下，是氧化劑管路（不考慮推進(jìn)劑工質(zhì)）最惡劣的工況溫度。采用5單元多層隔熱組件時(shí)，隔熱組件厚度為0.5mm；當(dāng)采用15單元多層隔熱組件時(shí)，隔熱組件厚度為2mm。產(chǎn)品材料及相關(guān)物性參數(shù)見表1。在對(duì)氧化劑管路溫度仿真過程中建立簡(jiǎn)化模型，如圖1所示，調(diào)出ANSYS軟件材料屬性界面，并對(duì)3種材料的主要參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，產(chǎn)品材料及相關(guān)物性參數(shù)見表1。管路內(nèi)部填充氧化劑流體，外部繪制一個(gè)實(shí)體模型代替多層隔熱組件。施加邊界條件是有限元分析過程中很重要的環(huán)節(jié)，邊界條件是根據(jù)物理模型的實(shí)際工況在模型邊界節(jié)點(diǎn)上施加的必要約束，考慮空氣自然對(duì)流，對(duì)多層隔熱組件模型外壁面設(shè)置表面對(duì)流換熱系數(shù)10W/m2?K，環(huán)境溫度-20℃；使用APDL命令，對(duì)氧化劑賦予初始溫度15℃，管路及多層隔熱組件賦予初始溫度-20℃。

圖1 簡(jiǎn)化模型

表1 產(chǎn)品材料及相關(guān)物性參數(shù)

2.4 網(wǎng)格劃分情況

利用ANSYS Workbench自帶的Mesh對(duì)推進(jìn)劑供應(yīng)管路內(nèi)氧化劑模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在數(shù)值模擬仿真計(jì)算中，一般來(lái)說，網(wǎng)格劃分得越多，分析得就越精確，因?yàn)檫@里只對(duì)推進(jìn)劑供應(yīng)管路內(nèi)氧化劑模型進(jìn)行溫度分析，所以為了計(jì)算速度快，將推進(jìn)劑供應(yīng)管路內(nèi)氧化劑模型的各部分劃分網(wǎng)格疏松一些，將推進(jìn)劑供應(yīng)管路內(nèi)氧化劑模型的網(wǎng)格劃分得緊密一些。但是，網(wǎng)格尺寸參數(shù)直接影響計(jì)算的精度與計(jì)算速度，為保證仿真結(jié)果的精確度，同時(shí)縮短計(jì)算時(shí)間，分別對(duì)模型不同區(qū)域設(shè)置網(wǎng)格單元尺寸控制，不斷加密網(wǎng)格模型，進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，并設(shè)置4組不同單元尺寸的網(wǎng)格：1）第一組。多層單元網(wǎng)格尺寸1.0mm，管路單元網(wǎng)格尺寸0.6mm，氧化劑單元網(wǎng)格尺寸0.4mm，網(wǎng)格總數(shù)量4.1萬(wàn)。2）第二組。多層單元網(wǎng)格尺寸0.6mm，管路單元網(wǎng)格尺寸0.4mm，氧化劑單元網(wǎng)格尺寸0.3mm，網(wǎng)格總數(shù)量11.6萬(wàn)。3）第三組。多層單元網(wǎng)格尺寸0.6mm，管路單元網(wǎng)格尺寸0.5mm，氧化劑單元網(wǎng)格尺寸0.2mm，網(wǎng)格總數(shù)量21.8萬(wàn)。4）第四組。多層單元網(wǎng)格尺寸0.6mm，管路單元網(wǎng)格尺寸0.4mm，氧化劑單元網(wǎng)格尺寸0.15mm，網(wǎng)格總數(shù)量41.4萬(wàn)。4組網(wǎng)格結(jié)果表明，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)達(dá)到21.8萬(wàn)后，網(wǎng)格尺寸的加密對(duì)模型計(jì)算結(jié)果影響較小。因此，選擇第三組作為仿真計(jì)算的網(wǎng)格單元尺寸設(shè)置依據(jù)。

3 管路傳熱仿真結(jié)果分析

3.1 ?6mm管路包覆多層隔熱組件

0s～900s?6mm管路（外徑6mm，內(nèi)徑4mm）氧化劑外壁面與中心溫度隨時(shí)間變化曲線如圖2所示。其中，圖2（a）為包覆5單元多層隔熱組件仿真結(jié)果，圖2（b）為包覆15單元多層隔熱組件仿真結(jié)果。由仿真結(jié)果可知，最低溫度分布在氧化劑與管道接觸壁面，最高溫度位于氧化劑中心；初始階段氧化劑中心溫度從15℃開始降低，靠近管路壁面溫度從-20℃開始升高，二者溫度平衡后開始同步均勻下降。

圖2 ?6mm管路氧化劑溫度變化曲線

根據(jù)液體姿控動(dòng)力系統(tǒng)氧化劑管路溫控要求，?6mm管路實(shí)際包覆15單元多層隔熱組件，其不同時(shí)刻氧化劑的外壁面溫度與中心溫度情況見表2。當(dāng)500s時(shí)氧化劑中心溫度由初始時(shí)刻的15℃降至-12.57℃，當(dāng)500s時(shí)氧化劑中心溫度降至-12.41℃，均未達(dá)到氧化劑冰點(diǎn)溫度-13.6℃。

表2 ?6mm管路不同時(shí)刻氧化劑溫度

3.2 ?14mm管路包覆多層隔熱組件

0s～900s ?14mm管路（外徑14mm，內(nèi)徑12mm）氧化劑外壁面與中心溫度隨時(shí)間變化曲線如圖3所示。由仿真結(jié)果可知，在0s～900s，?14mm管路氧化劑外壁面與中心溫差較?6mm管路更高，由于?14mm管路內(nèi)氧化劑熱容更大，氧化劑導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較低，因此溫度傳導(dǎo)初期存在較大的溫度梯度，氧化劑外壁面與中心溫度較長(zhǎng)時(shí)間后才處于相對(duì)穩(wěn)定的溫度下降階段。

圖3 ?14mm管路氧化劑溫度變化曲線

液體姿控動(dòng)力系統(tǒng)?14mm管路實(shí)際包覆5單元多層隔熱組件，其不同時(shí)刻氧化劑外壁面與中心溫度變化情況見表3。當(dāng)達(dá)到900s時(shí)氧化劑外壁面溫度僅為-8.41℃，中心溫度僅為-7.288℃，遠(yuǎn)高于氧化劑冰點(diǎn)溫度。

表3 ?14mm管路不同時(shí)刻氧化劑溫度

3.3 ?6mm與?14mm管路包覆不同多層隔熱組件

分析?6mm與?14mm管路包覆5單元、15單元多層隔熱組件時(shí)氧化劑中心溫度數(shù)據(jù)，?6mm管路開始階段氧化劑中心溫度急劇降低，900s時(shí)?6mm管路包覆5單元多層隔熱組件氧化劑中心溫度由初始時(shí)刻的15℃降至-17.87℃；?6mm管路包覆15單元多層隔熱組件氧化劑中心溫度由初始時(shí)刻的15℃降至-15.59℃，與包覆5單元多層隔熱組件溫度相比高12.76%。

與?6相比，?14mm管路開始階段氧化劑中心溫度下降管路更平緩，其原因是?14mm管路內(nèi)徑較大，氧化劑的熱容較高，當(dāng)900s時(shí)?14mm管路包覆5單元多層隔熱組件氧化劑中心溫度由初始時(shí)刻的15℃降至-7.19℃；?14mm管路包覆15單元多層隔熱組件氧化劑中心溫度由初始時(shí)刻的15℃降至-2.93℃，與包覆5單元多層隔熱組件溫度相比高59.25%。

綜上所述，當(dāng)?6mm與?14mm管路包覆同樣厚度的多層隔熱組件時(shí)，?6mm管路溫度下降更快，比?14mm管路更易出現(xiàn)結(jié)冰風(fēng)險(xiǎn)，由于?14mm管徑較大，因此氧化劑熱容較高。

氧化劑管路仿真設(shè)置的初始溫度-20℃，為了不考慮整流罩及太陽(yáng)輻射環(huán)境條件，是氧化劑管路（不考慮推進(jìn)劑工質(zhì)）最惡劣的工況溫度，而實(shí)際工況考慮整流罩及太陽(yáng)輻射環(huán)境，氧化劑管路初始溫度明顯高于-20℃，因此該液體姿控動(dòng)力系統(tǒng)在執(zhí)行發(fā)射任務(wù)期間氧化劑不存在結(jié)冰風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)具有一定的安全裕度。

4 結(jié)論

該文主要通過ANSYS Workbench中的Transient Thermal模塊對(duì)某姿控動(dòng)力系統(tǒng)氧化劑管路內(nèi)溫度變化進(jìn)行瞬態(tài)傳熱仿真分析，得到以下4個(gè)結(jié)論：1）與包覆5單元多層隔熱組件狀態(tài)氧化劑中心溫度相比，?6mm管路包覆15單元多層隔熱組件高12.76%。2）與包覆5單元多層隔熱組件狀態(tài)氧化劑中心溫度相比，?14mm管路包覆15單元多層隔熱組件高59.25%。3）?6mm與?14mm管路在包覆同樣厚度的隔熱組件的過程中，?6mm管路溫度下降更快，比?14管路更易發(fā)生結(jié)冰風(fēng)險(xiǎn)。4）?6mm管路包覆15單元多層隔熱組件狀態(tài)下，當(dāng)500s時(shí)，氧化劑中心溫度為-12.41℃，外壁面溫度為-12.57℃，均高于氧化劑冰點(diǎn)溫度，證明在發(fā)射前120s內(nèi)通電打開貯箱下游電爆閥期間氧化劑不存在結(jié)冰風(fēng)險(xiǎn)，且具有一定的安全裕度。該文分析結(jié)果對(duì)液體姿控動(dòng)力系統(tǒng)后續(xù)熱控包覆的層數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。