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火箭科学与飞行大师

韩国航空航天研究所验证使用Flomaster的NARO航天器燃料方案

由迈克·克罗格编辑,航空航天工业经理,导师,188bet西门子公司

如何

L像大多数太空运载火箭一样,韩国航空航天研究所(KARI)奈罗太空船使用液氧和煤油作为推进剂。这两种液体分别被输送到火箭发动机,当它们被点燃时,它们会作出反应,产生巨大的推力,推动这些重型飞船穿过地球大气层。这不是一项新技术,对于火箭科学来说是相对直接的。这些系统的真正挑战,正在给车辆加油。液氧的波动性和同时为火箭三个阶段提供燃料的需要使得燃料方案的优化和验证变得至关重要。

由于液氧是一种低温液体,它必须保持在一个非常低的温度,并且总是有一定量的燃料在火箭燃料加注时沸腾成气态。因此,该系统必须能够排出气态氧,并保持一个平衡的加油策略。此外,低温液体液氧可能会突然注入射弹罐和液氧供给线,最初保持正常室温,导致热冲击损伤。因此,为了防止这种热冲击现象,对射弹箱和液氧供给线进行预冷是必要的。

Kari利用Flomaster的能力运行稳态和瞬态模拟,以验证管道系统和填充方案是否按预期执行。

图1是LOX系统的示意图。液氧加注系统储存和供应运载火箭所需的液氧,并在取消发射期间安全地将液氧从运载火箭中排出。也可用于对液氧样品进行质量控制。液氧加注系统由一个位于中央设施的储罐组成。一个低温阀和一个输送泵。供应线冷却后,LOX向全弹丸提供操作模式。

坦克开始了。此时,液氧罐的灌装方式分为大流量灌装。小流量填充,补充大流量填充,补充小流量灌装。执行补充填充模式,以补偿从罐壁吸收和蒸发的罐内低温流体量和热加压气体。通过调节低温阀的开度来改变每种填充方式。当弹丸箱完全充满时,供给操作模式终止。

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图1。液氧加注系统示意图。

图2是煤油加注系统的示意图。与液氧填充系统不同,对于煤油加注系统,由于所供流体的温度不处于低温状态,因此不需要单独的冷却操作程序。此外,煤油对温度的敏感性比液氧低,因此,蒸发现象的发生频率较低。因此,与液氧加注系统相比,煤油加注系统具有相对简单的系统操作模式。LOX灌装系统共有四种灌装方式,但煤油加注系统只有两种加注方式:大流量加注和小流量加注。

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图2。煤油加注系统示意图

在这项研究中,选择了三级纳罗火箭稳定装填方式所需的液氧和煤油装填方案,并相应地选择了装填流量。采用Flomaster构建了一个满足所选充注流量的充注系统。液氧填充的代表系统如图3所示。

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图3。液氧充填系统的一维分析模型

通过稳态分析,确定了低温流量控制阀的容量。然后,根据稳态分析结果进行了瞬态分析。这允许计算通过每个灌装线向储罐供应的总灌装流速和量,以确定它们满足设计操作条件。

奈良的液氧灌装系统由三条进料线组成。对于第一个油箱进油管路,三个流量控制阀用于控制流量。两个流量控制阀用于控制第二个和第三个水箱的流量。最后,还有一条回收线,将剩余的液氧回收回液氧储存罐。液氧储存罐中储存的液氧在每个阶段都通过液氧泵供给射弹罐。表1显示了位于KSLV两端的液氧罐的容量和计划安装的高度。

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表1。液氧罐规格

选择满足液氧全充时间条件的每种模式下的充注流速(约90分钟)。射弹药箱的液氧装填主要采用小流量装填和大流量装填两种方式。

弹丸箱首先用小流量进料填充30%的容量,然后用大流量填充模式填充95%。最后,其余5%采用小流量填充模式。假设每个弹丸罐的装填是同时完成的,按各阶段填充方式计算的供给流量如表2所示。

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表2。液氧填充情况下的流量计算结果。

利用流量控制阀的计算容量值,通过瞬态分析,分析了液氧罐的充注过程。填充模式和填充时间。图4表示执行液氧填充模式时,第一阶段提供的液氧流速和第一阶段液氧罐的液位(%)。图5和图6表示提供给二级和三级液氧罐的液氧流速以及每个液氧罐的液位(%)。分别。

作为瞬态分析的结果,确认单级液氧罐充注完成时间约98分钟。这比液氧完全充电时间条件(90分钟)高9%。在设计误差10%的允许范围内。第二和第三阶段的液氧罐在97分钟和95分钟内注满,分别。因此,确认各液氧罐满充时间差在5分钟以内。

煤油供给系统还利用煤油罐容量和满充时间条件(70分钟)确定供给流量。煤油罐容量及安装高度见表1。煤油罐的安装高度与液氧罐相似。与液氧填充系统不同,煤油加注系统在初次加注时加注5分钟,高达95%的流量填充,其余5%采用小流量灌装方式。

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图4。一级液氧储罐的容积流量和液位曲线。
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图5。二级液氧贮槽容积流量及液位曲线。
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图6。三级液氧贮槽容积流量及液位曲线。

图7表示煤油加注系统的煤油供给系统的1d Flomaster模型,两个孔用于控制每个阶段的流量。此外,煤油通过提供恒定流量的叶片泵供给射弹,剩余的煤油回收回煤油储罐。通过一维稳态流动分析,确定了满足计算充水条件的孔板尺寸。

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图7。煤油加注系统一维分析模型

利用稳态分析计算的孔直径进行瞬态分析。由瞬态分析得到的装填流量和煤油罐液位变化特性如图8所示。9,三个坦克10个,分别。煤油加注方式由小流量加注方式改为大流量加注方式后,随着装填的进行,一级罐的流量逐渐减小。相反地,二级罐的流量逐渐增大。经证实,三级罐的流量也逐渐增大。这是因为第一级煤油罐的压头值比其他罐显著增加。因此,减少的一级煤油进料流量分配到二级和三级进料管线。确认第一个水箱在66分钟内完成了加注。第二个64分钟,第三分钟63分钟。这满足煤油加注时间条件(70分钟)。同时确认各煤油罐的充装时间差在5分钟以下。

Kari的工程师能够利用Flomaster的灵活性和准确性来预测正确的控制阀设置和孔尺寸,以实现液氧和煤油流向各个阶段的流速,并证明系统设计和加注方案为NARO推进剂加注系统提供了稳定的加注操作模式。

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图8一级煤油储罐容积流量及液位曲线
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图9。二级煤油储罐容积流量及液位曲线
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图10。二级煤油储罐容积流量及液位曲线

本文对韩国航天运载火箭推进剂供给系统的装填方式进行了分析。Jaejun Leea。Sangmin Parka。Sunil Kangb。Hwayoung Ohb。Eun Sang Jungc*先进技术学院,现代重工有限公司韩国。B发射综合小组,韩国航空航天研究所,韩国。C生物环境能源部,釜山国立大学,朝鲜

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