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过冷低温推进剂的性能优势及其应用前景

谢福寿;雷刚;王磊;邢科伟;厉彦忠

【摘要】针对处于沸点温度以下过冷低温推进剂的特点,以热力学原理分析了过冷

低温推进剂的性能优势及其获取方式,其热力学性能相对于饱和状态会有显著改善,

如提高密度、降低气化压力和增加单位体积显冷量.在介绍了国外过冷低温推进剂

研究与应用的基础上,讨论了我国的研究现状和应用前景.理论分析和初步地面试验

结果表明,过冷低温推进剂作为航天燃料应用于航天运载工具之中优势明显,可显著

增加有效载荷,降低发射成本,延长深空探测任务时间,但对于实际应用中可能遇到的

技术难题,应作进一步的深入研究.文中的研究结果对未来中国开展过冷低温推进剂

的研究和应用具有一定的借鉴和参考意义.

【期刊名称】《西安交通大学学报》

【年(卷),期】2015(049)005

【总页数】9页(P16-23,127)

【关键词】低温推进剂;过冷;燃料;有效载荷;发射成本

【作者】谢福寿;雷刚;王磊;邢科伟;厉彦忠

【作者单位】西安交通大学能源与动力工程学院,7100491,西安;航天低温推进剂技

术国家重点实验室,100028,北京;西安交通大学能源与动力工程学院,7100491,西安;

航天低温推进剂技术国家重点实验室,100028,北京;西安交通大学能源与动力工程

学院,7100491,西安;航天低温推进剂技术国家重点实验室,100028,北京

【正文语种】中文

【中图分类】V511+.6

液氢/液氧推进剂由于具有无毒、无污染、低成本、高比冲和大推力等优势,成为

应用于大型运载火箭最广泛的一组推进剂,比冲比常温推进剂高30%～40%。目前,

低温推进剂应用时的热力学状态大部分都处于沸点温度附近,热物理性能明显不足,

尤其是液氢,其突出缺点是密度和单位体积显冷量小。低温推进剂质量一定时,密度

小会导致低温推进剂贮箱体积尺寸增大,使运载火箭总的起飞质量增加,而单位体积

显冷量小会导致低温推进剂气化损失增加,尤其是长期在轨航天运载器采用的低温

推进剂,漏热所导致的气化升压在所难免。由于航天运载器贮箱有压力控制要求,压

力过高时就要向外排放,如果排放的气体过多,会造成推进剂浪费,液氢/液氧推进剂

由高比冲带来的优势将会削弱。而且从排放的角度来看,微重力环境下的气体排放

是一个棘手的难题,且排放会干扰飞行姿态。

为了提高低温推进剂热力学性能,研究者采用过冷的手段来改善低温推进剂自身的

不足,效果非常显著。例如,液氢推进剂从标准沸点(20.39K)过冷至三相点温度

(13.8K),密度会增加8.8%,单位体积显冷量将会增加20%,从三相点处继续降温,直

到出现60%的固氢(俗称浆氢),密度将增加16.8%,单位体积显冷量增加34%[1],而

液氢密度增加8%,液氧密度增加10%,运载火箭总的起飞质量将减少20%[2]。

1.1低温推进剂过冷过程

从热力学角度来看,低温推进剂过冷有增压过冷、等压过冷和减压过冷3种方式。

本文以液氢为例,分别描述3种过冷方法的热力学过程,如图1所示。热力学状态N

点是氢的标准沸点(NBP),压力为101.325KPa,温度为20.39K,大部分液氢/液氧运

载火箭加注时贮箱内的液氢推进剂热力学状态就处于该点。

假设液氢推进剂的热力学状态(温度和压力)沿着气-液饱和曲线N-M降低,这个过

程称为减压过冷。减压过冷是一个抽气排放过程,低温液体推进剂始终处于饱和状

态,但温度却随着压力降低而下降。苏联能源-暴风雪号航天飞机和美国X-33空天

飞机就利用该过程对液氢/液氧推进剂进行过冷[3-4]。假设压力不变,液氢推进剂温

度沿着N-D线降低,称为等压过冷。该过程利用外在冷源(如降压后的低温液体)实

现对液体推进剂的冷却过冷,推进剂保持压力不变但温度降低。Shuvo等人利用该

过程提出了热力学过冷系统(TCS)的概念[5-6]。

通过上述两种方法都可将液氢推进剂温度降至期望达到的温度范围内(16～14.5K),

如图1中灰色区域所表示的推荐过冷区域[5]。如果过冷度太小,液氢推进剂性能提

升效果不明显,从性能提升的角度看过冷度越大越好,但过冷度太大,接近三相点容易

出现固氢,故设定推进剂过冷温度范围。在推荐过冷区域与固-液饱和线之间保留一

个缓冲区,以防止固氢的出现。如果过冷液氢推进剂进一步降温,到达三相点温度

(TP)或者跨过固液饱和线以下,将会出现固氢,此时出现固