[发明专利]一种氧化亚氮储箱自增压过程预测方法

说明书

技术领域

本发明属于航天器微推进技术领域，具体涉及一种氧化亚氮储箱自增压过程预测方法。

背景技术

随着航天技术的发展及世界各国对环保问题的日益关注，寻找安全、廉价、无毒、无污染的高性能推进剂已成为各航天大国的研究目标。采用氧化亚氮作为推进剂，已经成为发展无毒推进剂的一个重要选择。而将氧化亚氮应用于单组元微推进系统，也成为目前微推进领域的一个新的发展方向。氧化亚氮单组元微推进系统既可以利用氧化亚氮液态储存、密度比冲高的特点，又可利用氧化亚氮饱和蒸汽压高的特点，实现自增压式的推进剂输送，简化系统结构及降低系统质量，因而相对于传统的微推进模式独具优势。

为保证氧化亚氮单组元微推进系统工作过程中推进剂的自增压稳定供给，必须掌握氧化亚氮自增压过程中的储箱压力的变化特性，从而为整个推进剂输送系统的设计提供基本设计参数。唐铖等人在《小型航天器液化气推进系统的数值模拟》(清华大学学报(自然科学版)，2007，47(5)：730-733)一文中提到了一种针对液化气储箱工作过程的计算模型，假设储箱中液体部分始终处于系统压力下的饱和状态。此种方式在流量较小的情况下预测比较准确。但当流量增大到一定值时，储箱中液态部分蒸发速度势必跟不上气体流出速度，此时液体温度将出现分层现象，这是上述方法所无法进行预测的。Zilliac and Karabeyoglou在《Modeling of Propellant Tank Pressurization》(AIAA 2005-3549，2005)一文中提出另一种针对氧化亚氮储箱自增压过程的预测模型，采用一种全新的分层假设，可以预测较大流量下液体温度分层的情况。但是此模型是针对固液式火箭发动机的储箱的工作过程来设计的，其采用氮气增压储箱及液态氧化亚氮作为推进剂的工作模式与直接采用气态氧化亚氮来工作的方式有着很大区别。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种氧化亚氮储箱自增压过程预测方法，该预测方法不但适用于氧化亚氮储箱自增压过程的预测，在通过开展试验对其中经验因子进行修正后同样也适合用于具有类似工作特点的其它液化气储箱的工作过程的预测。本发明提出的氧化亚氮储箱自增压过程预测方法从数学上能够降低针对储箱自增压过程开展分析及预测的难度，从工程上能对液化气储箱自增压过程中物性变化规律做出较准确的预测，能够为相关应用带来有利指导，且简单易行、成本极低。

本发明提出一种氧化亚氮储箱自增压过程预测方法，包括以下几个步骤：

步骤一、构建储箱物理模型：

将储箱内从上到下依次划分为气相区、饱和液相层区和过热液相区，设各区内部温度均匀，饱和液相层区温度为恒处于氧化亚氮气体压力下的饱和温度，饱和液相层区的物理厚度视为零，进出饱和液相层区的物质量及能量均是守恒的。过热液相区与饱和液相区间换热为沸腾换热，沸腾换热率远大于“液-液”导热和“气-液”对流的换热率，气相区与饱和液相层区间换热为自然对流换热，其换热率被称为自然对流换热率，沸腾换热率与自然对流换热率成正比，气相区、饱和液相层区和过热液相区的氧化亚氮液相压力与氧化亚氮气相压力相等，氧化亚氮液相及气相总焓仅与温度相关；氧化亚氮气相符合真实气体状态方程；储箱的内壁满足绝热边界条件。

步骤二、建立微分代数方程组：

按照整个储箱的气相区、饱和液相层区、过热液相区三部分控制容积，根据开口系统能量方程、质量守恒方程及步骤一中建立的储箱物理模型中的假设条件，获得包含九方程及九未知数的微分代数方程组，如公式(1)～(9)所示：

质量守恒方程：mG·=mLV·-mprop·---(1)]]>