运载火箭液氧煤油增压输送

20世纪后半叶以来 ,航天技术日趋成熟并快速发展 ,提升进入空间与开发利用空间的能力已成为各航天大国的国家空间战略。运载火箭将各类飞行器送入空间轨道 ,代表了进入空间的能力 ,决定了空间活动的规模 ,是实现国家空间战略的基础和保障。
我国现役长征系列运载火箭具有可靠性高、性价比高等特点 ,已实施 200多次发射 ,成功保障了我国卫星发射、载人航天与月球探测等重大工程的实施,并进入国际商业发射服务市场。随着无毒无污染推进剂的广泛应用 ,新一代运载火箭系列在我国得到了飞速发展 ,其动力系统全面改进 ,运载能力和可靠性都得到提升。为了进一步总结运载火箭研制成果 ,尤其是新一代运载火箭研制经验及突破的关键技术、建立和应用的设计方法等 ,有必要开展相关书籍的编写和出版 ,以指导后续运载火箭的研制工作。
运载火箭动力系统的主要功能是为运载火箭发射一定的有效载荷达到预定目标提供必要的推力。动力系统又主要由增压输送系统和发动机系统组成 ,新一代运载火箭主要采用液氧煤油发动机 ,使用液氧和煤油作为新的推进剂 ,增压输送系统与现役火箭有了很大的区别。尤其是增压系统气液相变、输送系统的低温两相流动、发动机预冷以及相关管路、阀门等单机设计都有较大的变化,对增压输送系统设计提出了新的要求 ,因此 ,方法要创新 ,技术要进步 ,才能研制出新一代运载火箭。
现有运载火箭增压输送系统方面的书籍主要基于现役运载火箭研制基础 ,对新一代无毒无污染的低温推进剂引起的动力系统重大变化描述较少 ,尤其是与液氧煤油火箭总体设计相关的增压输送系统部分描述不多。本书结合我国新一代运载火箭的工程研制实践 ,围绕以液氧煤油为推进剂的增压输送系统进行了总结和提炼。 
2011年发布的《2011年中国的航天》白皮书中明确提出要加强航天运输系统建设 ,不断完善运载火箭型谱 ,提升进入空间的能力。这对我国运载火箭的运载能力和可靠性等都提出了新的需求。《运载火箭液氧煤油增压输送》这部著作正是在航天事业蓬勃发展、对新一代运载火箭需求旺盛的背景下编写的。本书凝练了新一代运载火箭研制过程中的创新成果和实践经验 ,为运载火箭增压输送系统的后续发展提供了支持。希望随着我国新一代运载火箭研制的推进 ,有更多的著作出版。 

本书系统而详尽地描述了运载火箭液氧煤油增压输送系统，结合新一代运载火箭研制的工程实践，介绍了相关工程实现方案。主要内容包括增压输送系统设计和仿真分析、液氧煤油发动机预冷、动力系统总装、低温推进剂纵向耦合振动(POGO)、低温阀门及系统可靠性设计等。根据新一代液氧煤油火箭增压输送系统的特点，给出了系统的增压计算和仿真模型，对低温预冷、动力总装、阀门设计、POGO抑制等相关技术进行了深入研究，形成了一套相对完整的液氧煤油增压输送系统设计理论体系、关键技术和主要产品等的系统论述。
本书可作为从事运载火箭增压输送系统设计工作的工程技术人员和研究人员的参考书，也可作为相关专业研究生和本科生的教材。

张卫东同志现任我国新一代长征六号运载火箭总设计师、总指挥，长期从事运载火箭研制和科研管理工作，主要完成了液氧煤油增压输送系统研究，解决了液氧箱自生增压、液氧煤油发动机预冷和POGO抑制等重大关键技术，达到国际领先水平。曾获得国家科技进步二等奖1项、国防科技进步一等奖1项、国务院政府津贴等，入选百千人才工程。

第1章绪论  1 
1.1引言 
 1 

1.2增压输送系统 
 1 

1.3增压系统概述 
 3 

1.
3.1自生增压系统  5 

1.
3.2惰性气体增压系统  6 

1.
3.3预增压系统  8 

1.4输送系统概述 
 8 

1.4.1输送系统 
 9 

1.
4.2防漩防塌装置  10 

1.
5增压输送系统试验  11 

1.
6液氧煤油火箭增压输送系统  12 

1.
6.1液氧煤油发动机概述  12 

1.
6.2液氧煤油火箭增压输送系统设计  14 

1.
6.3发动机预冷系统  16 

1.
6.4低温推进剂加注 16 

第2章液氧自生增压系统  19 
2.1引言 
 19 

2.
2自生增压方案概述  19 

2.
2.1国外火箭液氧自生增压方案  19 

2.
2.2国内液氧煤油高压补燃发动机增压方案  21 

2.
3自生增压系统组成  21 

2.
4自生增压系统设计  22 

2.4.1系统设计 
 22 

2.
4.2氧系统自生增压模型  24 

2.
5液氧自生增压系统试验  34 

2.
5.1氧系统冷流试验  35 

2.
5.2动力系统热试车  36 

第3章氦气增压系统  38 
3.1引言 
 38 

3.2氦气增压 
 38 

3.
2.1常温氦增压方案  38 

3.
2.2冷氦增压方案  39 

3.
2.3超临界氦增压方案  42 

3.
3氦气增压系统设计  45 

3.3.1 
“开式 ”氦气增压系统  45 

3.3.2 
“闭式 ”氦气增压系统  46 

3.
3.3预增压系统及补压系统设计  48 

3.4氦气增压计算 
 48 

3.
4.1气瓶放气过程计算  48 

3.
4.2增压气路计算  50 

3.
4.3输送管流阻计算  54 

3.
4.4发动机入口压力计算  54 

3.
4.5贮箱增压计算  54 

3.4.6算例 
 56 

3.
5氦气增压系统试验与全系统冷流试验  57 

3.
5.1氦气增压系统试验  57 

3.
5.2全系统冷流试验 57 

第4章液氧煤油发动机预冷系统  59 
4.
1发动机预冷系统概述  59 

4.2间歇泉现象 
 60 

4.
2.1间歇泉现象机理分析  60 

4.
2.2解决间歇泉问题的措施  68 

4.
3发动机预冷方案国内外发展概况  73 

4.
3.1排放预冷方案  73 

4.
3.2自然循环预冷方案  75 

4.
3.3强制循环预冷方案  77 

4.
3.4组合式预冷方案  78 

4.
4预冷系统仿真分析  79 

4.
4.1物理模型概述  79 

4.4.2基本方程 
 79 

4.
4.3两相流动流型判别  83 

4.
4.4沸腾传热特征点的判别  85 

4.
4.5相间摩擦模型  87 

4.4.6空泡份额 
 88 

4.
5预冷系统设计原则  91 

4.
5.1预冷方案的确定  91 

4.
5.2预冷系统布局设计  92 

4.
5.3回流管参数设计  93 

4.
5.4氦气引射系统设计  94 

4.
5.5强排时间的选择  94 

4.6预冷案例分析 
 94 

4.
6.1地面循环预冷  空中引射循环  95 

4.
6.2地面循环预冷  空中排放预冷 99 

第5章增压输送系统总装设计  103 
5.
1增压输送系统总装布局  103 

5.
1.1管路系统布局  103 

5.
1.2阀门附件布局  105 

5.
2增压输送系统安装  105 

5.2.1管路安装 
 105 

5.
2.2阀门附件安装  107 

5.
3增压输送系统管路设计  108 

5.
3.1导管材料选用  108 

5.
3.2导管焊接要求  110 

5.
3.3小直径导管设计  110 

5.
3.4大直径导管设计  111 

5.
3.5导管强度校核与计算  114 

5.
3.6导管强度试验  118 

5.4密封结构设计 
 119 

5.
4.1泄漏与密封  119 

5.
4.2影响密封的因素  120 

5.
4.3密封形式及选择  120 

5.
4.4法兰连接密封设计  125 

5.
4.5螺纹连接密封结构设计  130 

5.
4.6低温密封设计和使用准则  131 

5.
4.7密封结构安装要求  131 

5.
4.8密封结构检漏  132 

5.
4.9密封结构试验  132 

5.5补偿器设计 
 134 

5.5.1补偿器简介  134 

5.
5.2补偿器设计标准  135 

5.
5.3补偿器的结构设计  136 

5.
5.4补偿器强度校核  139 

5.
5.5补偿器试验  141 

5.
5.6补偿器制造技术  143 

5.6紧固件选用 
 143 

5.
6.1紧固件选用一般要求  144 

5.
6.2典型紧固件选用  144 

5.
6.3低温下紧固件选用要求  145 

5.7绝热设计 
 146 

5.8防热设计 
 146 

5.
9低温氧系统安全性  147 

5.
9.1脱脂一般要求  147 

5.
9.2管路及阀门附件脱脂要求 148 

第6章增压输送系统仿真分析  149 
6.
1贮箱三维仿真分析  149 

6.
1.1液氧贮箱物理模型  149 

6.
1.2液氧贮箱数学模型  150 

6.1.3典型算例 
 152 

6.
2全系统仿真分析  154 

6.2.1模块化建模  155 

6.
2.2全系统建模及分析 160 第7章低温推进剂 POGO抑制设计  164 

7.1 
POGO的起源  164 

7.2 
POGO振动原理及抑制方法  164 

7.2.1 
POGO振动原理  164 

7.2.2 
POGO抑制方法  165 

7.3 
POGO抑制设计一般方法  167 

7.3.1数学模型 
 167 

7.
3.2频率窗口曲线  171 

7.
3.3稳定性分析  171 

7.
3.4蓄压器参数设计  177 

7.3.5 
POGO试验  178 

7.4低温推进剂 
POGO抑制特点  182 

7.4.1数学模型 
 183 

7.
4.2低温蓄压器设计  186 

7.4.3低温 
POGO试验 189 

第8章阀门设计、分析与试验  192 
8.
1阀门基本设计原则  192 

8.
1.1密封性和漏率要求  193 

8.
1.2压降和流通能力  193 

8.
1.3环境和工作条件的适应性  194 

8.1.4响应时间 
 195 

8.
1.5工作寿命和贮存期限  195 

8.
1.6工作可靠性  195 

8.
1.7维护使用性能  196 

8.
1.8尺寸、质量和成本  196 

8.
2阀门产品典型结构设计  196 

8.2.1加注阀 
 197 

8.
2.2液氧排气阀  199 

8.2.3安全阀 
 200 

8.
2.4气瓶充气阀  201 

8.2.5电磁阀 
 202 

8.2.6电爆阀 
 203 

8.2.7减压阀 
 204 

8.
2.8压力信号器  206 

8.
2.9破裂膜片阀  208 

8.
2.10其他阀门及附件  208 

8.
3阀门产品仿真分析  211 

8.
3.1动态特性分析  211 

8.
3.2内部流场分析  214 

8.
3.3结构强度有限元分析  216 

8.
3.4弹性元件有限元分析  218 

8.
3.5冲击载荷有限元分析  219 

8.
3.6电磁铁仿真设计与分析  222 

8.
4阀门产品试验技术  225 

8.4.1概述 
 225 

8.4.2试验项目 
 227 

8.
4.3阀门产品试验与要求 227 

第9章增压输送系统可靠性设计  239 
9.1可靠性设计 
 239 

9.2可靠性分析 
 239 

9.
2.1