一种用于低温推进剂长期在轨蒸发量控制的代价评估方法技术

本发明专利技术涉及一种用于低温推进剂长期在轨蒸发量控制的代价评估方法，该方法全面考虑了低温推进剂长期在轨贮存蒸发量控制系统各组件的漏热量，以及排气可利用冷量，首先获取低温推进剂长期在轨贮存系统蒸发量和蒸发率，再获得蒸发量控制措施带来的重量代价，进而获得重量代价最小的最优设计工况，用于指导低温推进剂在轨贮存系统的设计。本发明专利技术以系统重量轻、功率少、可实现性等系统效率指标为优化目标，建立工程评估方法，可有效开展低温推进剂长期在轨蒸发量控制系统分析。

A cost evaluation method for long term evaporation control of cryogenic propellant

The invention relates to a method for evaluating the cost of cryogenic propellant long-term on orbit evaporation control, the method considered the cryogenic propellant storage heat leakage long-term on orbit evaporation control system components, and the exhaust gas can be utilized cold, first get the long term storage system in cryogenic propellant evaporation and the evaporation rate, then evaporation bring the weight of cost control measures, and obtain the optimal conditions for the design of minimum weight cost, used to guide the design of cryogenic propellant in storage system. The invention takes the system efficiency index of light weight, low power, and feasibility as the optimization target, and establishes an engineering evaluation method, which can effectively carry out the analysis of the long term on orbit evaporative capacity control system of low temperature propellant.

【技术实现步骤摘要】
一种用于低温推进剂长期在轨蒸发量控制的代价评估方法
本专利技术涉及一种用于低温推进剂长期在轨蒸发量控制的代价评估方法，属于低温推进剂长期在轨贮存与管理领域。
技术介绍
低温推进剂由于其比冲高、无毒无污染、价格相对低廉，在国内外运载火箭和上面级上得到了广泛的应用。低温推进剂被认为是进入空间及轨道转移最经济、效率最高的化学推进剂，也是未来人类月球探测、火星探测及更远距离的深空探测的首选推进剂。低温推进剂虽然性能高，但其沸点低，易因受热而蒸发，难于长时间存储，由于低温推进剂的损耗会显著影响运载火箭的性能及任务的执行。因此通过采取合理有效的措施解决低温推进剂蒸发量的控制问题，最终实现无损贮存，是低温推进剂长时间在轨应用的重要前提，也是亟待解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种用于低温推进剂长期在轨蒸发量控制的代价评估方法，该方法获取低温推进剂长期在轨贮存系统蒸发量和蒸发率，再获得蒸发量控制措施带来的重量代价，进而获得重量代价最小的最优设计工况，用于指导低温推进剂在轨贮存系统的设计。本专利技术的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：一种用于低温推进剂长期在轨蒸发量控制的代价评估方法，包括如下步骤：(1)、确定低温推进剂在轨贮存净漏热量Qloss；(2)、根据净漏热量Qloss、低温推进剂饱和温度对应蒸发潜热γ和在轨工作时间t，获得不同工况下的低温推进剂蒸发量及蒸发率i表示不同的工况，i＝1，2，……,N，其中N为工况数量；(3)、获得不同工况下引入制冷机带来的重量增加将同一工况下的与对应的蒸发量求和得到该工况下的系统重量代价遍历所有工况下的系统重量代价寻找系统重量代价的最小值；(4)、记录系统重量代价取最小值时对应的工况，作为最优工况。在上述用于低温推进剂长期在轨蒸发量控制的代价评估方法中，所述步骤(1)中确定低温推进剂在轨贮存净漏热量Qloss的具体方法如下：Qloss＝QMLI+Qstruts+Qparastitic+Qpenetrations-Qvapor-Qcryocooler其中：QMLI表示推进剂贮箱表面隔热材料漏热量；Qstruts表示推进剂贮箱支撑结构的漏热量；Qparastitic表示制冷机漏热量；Qpenetrations表示贮箱管路漏热量；Qvapor表示低温推进剂排气可利用冷量；Qcryocooler表示制冷机的制冷量。在上述用于低温推进剂长期在轨蒸发量控制的代价评估方法中，推进剂贮箱表面隔热材料漏热量QMLI的计算公式如下：其中，Thot为贮箱隔热层外侧温度；Tcold为贮箱内部液态低温推进剂温度，Ns为多层隔热材料总层数。在上述用于低温推进剂长期在轨蒸发量控制的代价评估方法中，推进剂贮箱支撑结构的漏热量Qstruts的计算公式如下：对于液氧推进剂的Qstruts：其中：C1为设计余量因子，C2为0.44，Mtank为低温推进剂贮箱重量；Mpropellant为低温推进剂重量；对于液氢推进剂的Qstruts：其中：C'2为0.021。在上述用于低温推进剂长期在轨蒸发量控制的代价评估方法中，贮箱管路漏热量Qpenetrations的计算公式如下：其中：C1为设计余量因子；Thot为贮箱隔热层外侧温度；Tcold为贮箱内部液态低温推进剂温度，Vtank为贮箱体积。在上述用于低温推进剂长期在轨蒸发量控制的代价评估方法中，制冷机漏热量Qparastitic的计算公式如下：其中，为制冷机输入功率，Thot为贮箱隔热层外侧温度；Tcold为贮箱内部液态低温推进剂温度；C1为设计余量因子，C″2为阴影因子。在上述用于低温推进剂长期在轨蒸发量控制的代价评估方法中，低温推进剂排气可利用冷量Qvapor的计算公式如下：其中，t为在轨时间，cp,T为推进剂在排气出口压力下的比热容，Tvapor_begin为排气出口温度，Tvapor_last为排气可利用冷量利用完之后的温度。在上述用于低温推进剂长期在轨蒸发量控制的代价评估方法中，所述步骤(2)中获得不同工况下的低温推进剂蒸发量及蒸发率的具体方法如下：在上述用于低温推进剂长期在轨蒸发量控制的代价评估方法中，所述步骤(3)中引入制冷机带来的重量增加包括制冷机自身重量辐射器重量太阳能电池阵重量电子设备重量管路重量和线缆重量在上述用于低温推进剂长期在轨蒸发量控制的代价评估方法中，制冷机自身重量的计算公式如下：其中：Tc为制冷机的冷头温度。在上述用于低温推进剂长期在轨蒸发量控制的代价评估方法中，辐射器重量的计算公式如下：太阳能电池阵重量的计算公式如下：电子设备重量的计算公式如下：管路重量的计算公式如下：线缆重量的计算公式如下：其中:为制冷机输入功率；为制冷机自身重量。在上述用于低温推进剂长期在轨蒸发量控制的代价评估方法中，所述制冷机输入功率的计算公式如下：在上述用于低温推进剂长期在轨蒸发量控制的代价评估方法中，所述步骤(3)中还包括不同工况下引入的隔热材料重量将同一工况下的与对应的蒸发量求和得到该工况下的系统重量代价遍历所有工况下的系统重量代价寻找系统重量代价的最小值。在上述用于低温推进剂长期在轨蒸发量控制的代价评估方法中，隔热材料重量的计算公式如下：其中：ρm为多层隔热材料反射屏的平均面密度；tm为反射屏厚度；ρs为多层隔热材料间隔物的平均面密度，ts为间隔物厚度；为多层隔热材料层间密度，Ns为多层隔热材料总层数，A为多层隔热材料面积。本专利技术与现有技术相比具有如下有益效果：(1)、本专利技术全面考虑了低温推进剂长期在轨贮存蒸发量控制系统各组件的漏热量，以及排气可利用冷量，设计了一种在轨蒸发量控制的代价评估方法，该方法首先获取低温推进剂长期在轨贮存系统蒸发量和蒸发率，再获得蒸发量控制措施带来的重量代价，进而获得重量代价最小的最优设计工况，用于指导低温推进剂在轨贮存系统的设计。(2)、本专利技术以系统重量轻、功率少、可实现性等系统效率指标为优化目标，建立工程评估方法,可有效开展低温推进剂长期在轨蒸发量控制系统分析。(3)、本专利技术低温推进剂长期在轨蒸发量控制的代价评估方法遍历了所有在轨时间，所有制冷量、所有隔热材料厚度和所有推进剂重量等工况，考虑因素全面，大大提高了评估方法的准确性和可靠性。(4)、本专利技术低温推进剂长期在轨蒸发量控制的代价评估方法具有高可靠、覆盖性广、精度高等优点。附图说明图1为本专利技术实施例中低温推进剂长期在轨蒸发量控制的代价评估方法流程图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步详细的描述：本专利技术在轨蒸发量控制的代价评估方法的具体实现步骤如下：(一)、低温推进剂长期在轨贮存蒸发量控制系统净漏热量Qloss计算方法：根据能量平衡，系统净漏热计算见式(1)：Qloss＝QMLI+Qstruts+Qparastitic+Qpenetrations-Qvapor-Qcryocooler(1)其中：QMLI表示推进剂贮箱表面隔热材料漏热量；Qstruts表示推进剂贮箱支撑结构的漏热量；Qparastitic表示制冷机漏热量；Qpenetrations表示贮箱管路漏热量；Qvapor表示低温推进剂排气可利用冷量；Qcryocooler表示制冷机的制冷量。推进剂贮箱表面隔热材料漏热量QMLI的计算公式见式(2)：其中，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于低温推进剂长期在轨蒸发量控制的代价评估方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)、确定低温推进剂在轨贮存净漏热量Q

【技术特征摘要】
1.一种用于低温推进剂长期在轨蒸发量控制的代价评估方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)、确定低温推进剂在轨贮存净漏热量Qloss；(2)、根据净漏热量Qloss、低温推进剂饱和温度对应蒸发潜热γ和在轨工作时间t，获得不同工况下的低温推进剂蒸发量及蒸发率i表示不同的工况，i＝1，2，……,N，其中N为工况数量；(3)、获得不同工况下引入制冷机带来的重量增加将同一工况下的与对应的蒸发量求和得到该工况下的系统重量代价遍历所有工况下的系统重量代价寻找系统重量代价的最小值；(4)、记录系统重量代价取最小值时对应的工况，作为最优工况。2.根据权利要求1所述的一种用于低温推进剂长期在轨蒸发量控制的代价评估方法，其特征在于：所述步骤(1)中确定低温推进剂在轨贮存净漏热量Qloss的具体方法如下：Qloss＝QMLI+Qstruts+Qparastitic+Qpenetrations-Qvapor-Qcryocooler其中：QMLI表示推进剂贮箱表面隔热材料漏热量；Qstruts表示推进剂贮箱支撑结构的漏热量；Qparastitic表示制冷机漏热量；Qpenetrations表示贮箱管路漏热量；Qvapor表示低温推进剂排气可利用冷量；Qcryocooler表示制冷机的制冷量。3.根据权利要求2所述的一种用于低温推进剂长期在轨蒸发量控制的代价评估方法，其特征在于：推进剂贮箱表面隔热材料漏热量QMLI的计算公式如下：其中，Thot为贮箱隔热层外侧温度；Tcold为贮箱内部液态低温推进剂温度，Ns为多层隔热材料总层数。4.根据权利要求2所述的一种用于低温推进剂长期在轨蒸发量控制的代价评估方法，其特征在于：推进剂贮箱支撑结构的漏热量Qstruts的计算公式如下：对于液氧推进剂的Qstruts：其中：C1为设计余量因子，C2为0.44，Mtank为低温推进剂贮箱重量；Mpropellant为低温推进剂重量；对于液氢推进剂的Qstruts：其中：C'2为0.021。5.根据权利要求2所述的一种用于低温推进剂长期在轨蒸发量控制的代价评估方法，其特征在于：贮箱管路漏热量Qpenetrations的计算公式如下：其中：C1为设计余量因子；Thot为贮箱隔热层外侧温度；Tcold为贮箱内部液态低温推进剂温度，Vtank为贮箱体积。6.根据权利要求2所述的一种用于低温推进剂长期在轨蒸发量控制的代价评估方法，其特征在于：制冷机漏热量Qparastitic的计算公式如下：其中，为制冷机输入功率，Thot为贮箱隔热层外侧温度；Tc...

【专利技术属性】
技术研发人员：张少华，张晓屿，贲勋，潘瑶，余群，王思峰，吕建伟，刘欣，王领华，王海英，巩萌萌，王颖昕，
申请(专利权)人：中国运载火箭技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11