航天器推进系统气路减压阀温度特性研究

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1、第29卷第4期航天器环境工程2012年8月SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING445航天器推进系统气路减压阀温度特性研究苏生，马巨印，陈阳（北京空间飞行器总体设计部，北京100094）摘要：针对航天器推进系统，分析了氦气在气路上的工作过程，研究了氦气节流效应及其对减压阀阀体温度的影响。研究结果表明，在航天器气路正常工作的温度与压力范围内，氦气经过减压阀节流后的温升在65～68K之间，并随减压阀进、出口压力差的增大而增大。氦气温度变化引起减压阀阀体温度的变化，因此了解阀体温度特性

2、是减压阀热控设计的依据。关键词：航天器；减压阀；节流效应；温度特性中图分类号：TH138.52文献标识码：A文章编号：1673-1379(2012)04-0445-05DOI：10.3969/j.issn.1673-1379.2012.04.0170引言减压阀热控设计提供依据。推进系统作为航天器的心脏，其可靠性、健壮1推进系统气路工作原理性直接关系到总体任务的成败。航天器推进系统一航天器推进系统的流体回路包括两部分：液体般由高压气瓶、推进剂储箱、推力器、管路以及阀回路和气体回路。推进剂流经的部分包括储箱、

3、推件等组成。航天器在轨时，推进系统中的高压气瓶力器以及储箱与推力器之间的管路，这部分管路被通过减压阀向储箱充气，在氦气的高压作用下将推称为液体回路；氦气流经的区域包括氦气瓶、储箱进剂推送到推力器或发动机，氧化剂与燃烧剂在发以及氦气瓶与储箱之间的管路，这部分管路被称为[1]动机中混合燃烧以产生推力。气路减压阀对温度气体回路。要求很严格，温度超出指标范围将导致失效。在外推进系统气体回路的具体功能为：根据具体任热流瞬息万变的轨道环境下，热控分系统采用主动务需求在地面给气瓶灌注足量氦气；航天器在轨推与被动措施为推

4、进系统提供稳定的温度环境，确保进时，通过减压阀向储箱充气，气瓶内氦气总量逐其正常工作要求。推进系统通常使用氦气作为气路渐降低。为了保证推进系统的工作性能，在航天器工质，当氦气流过减压阀时，减压阀的节流效应会获得设计要求的速度增量之后，气瓶内必然会保存使氦气温度升高，因此有必要对减压阀温度特性进一定压力的剩余氦气。通过减压阀后的氦气压力是行深入研究。恒定的，即不随气瓶内的氦气压力变化而改变。对减压阀作为供气系统的关键调节元件，其温度于有变推力需求的推进系统而言，一般通过调节氦特性引起了广泛关注。胡耀元、曹万

5、强、陈小玲等气流量来实现对推力的控制。[2-4]人从理论上研究了减压阀产生的节流效应。王在充气过程中，气瓶内的氦气经历膨胀过程，[5-8]宣银、訚耀保等人从工程设计角度研究了减压流经减压阀时经历节流过程，减压后的流动可以视阀工作机理，訚耀保还分析了减压阀中的流场、压为一个等压流动过程。氦气在节流前后的温差是影力场和速度场等。然而，目前还没有直接的减压阀响减压阀温度特性的主要因素。温度特性研究结果可供航天器减压阀热控设计使2减压阀节流过程分析用，相关的热控设计一般是基于工程经验来开展。本文根据热力学原理，对

6、航天器推进系统中气氦气的最大转回温度约为37K，当氦气温度高路减压阀的出口温度特性进行了研究，其余结果为于此温度时，氦气处于节流的热效应区，即氦气经————————————收稿日期：2012-03-27；修回日期：2012-07-09作者简介：苏生（1981—），男，博士学位，主要从事航天器热控制设计。联系电话：（010）68746575。446航天器环境工程第29卷[9]过节流之后温度升高。在压力变化一定时，节流3∂−VRVV()b()m=mm；(5)产生的温度差称为节流积分效应。氦气的节流积分∂TPR

7、TV32−−2(aVb)mm效应可用范德瓦尔方程定量表示为323ammnP+2()Vm−=bRT，(1)Vm=−+++Vm2233式中：P为气体压力；a、b为范德瓦尔常数；Vm为23mmn(PbRT+)。(6)−−++气体摩尔体积；R为气体常数；T为气体绝对温度。2233P[10-11]表1给出了氦气的部分物性参数。2()PbRT++3()PbRTaab式(6)中：m=−+−；表1氦气的物性参数3227P3PPTable1Parametersof

8、helium2()PbRT+a摩尔热容Cm/范德瓦尔常数a/范德瓦尔常数b/n=−+2。-1-16-23-13Pp(J·mol·K)(MPa·m·kmol)(m·kmol)20.7860.0034590.023719将式(5)和式(6)代入式(4)，根据不同的减压阀进、图1为减压阀节流过程示意图。截面1-1和截出口条件，进行数值积分[13]，可得到氦气流过减压面2-2分别为减压阀上、下游的状态稳定截面，氦阀的等焓曲线，同时也可