推进剂重定位过程仿真与分析
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作者:
作者单位:

1.北京宇航系统工程研究所,北京100076;2.中国航天科技集团有限公司,北京100048

通讯作者:

黄兵,男,研究员,E-mail:yhxb@vip.163.com。

中图分类号:

V475.1


Simulation and Analysis of Propellant Reorientation Process
Author:
Affiliation:

1.Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering, Beijing 100076,China;2.China Aerospace Science and Technology Corporation, Beijing 100048,China

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    摘要:

    为了拓展低温上面级滑行时间,满足深空探测任务需求以及提升运载火箭任务适应性,中国未来型号研制将采用间歇沉底的方案,其主要难点是推进剂重定位过程的研究。本文针对目前重定位仿真多为二维CFD仿真且不能准确合理地预示气泡逸出过程的问题,提出一种基于Flow-3D的三维CFD仿真方法。该方法采用卷气体积与液体体积之比(卷气率)预示气泡逸出过程,比以往采用气泡粒子数预示气泡逸出过程的方法更为合理准确。重定位及气泡逸出过程的仿真结果与半人马座落塔试验的结果具有一致性,捕捉到了重定位过程所有特征流型,且对应时刻误差不超过10%。仿真结果表明间歇沉底推进剂管理方案的可行性,并确定了某低温上面级的相关设计参数。

    Abstract:

    The discontinuous thrust settling approach will be adopted in China to extend the coast time of cryogenic upper stages, meet the needs of deep space exploration and improve the adaptability of launch vehicles. The major difficulty is the propellant reorientation process. As current reorientation simulation is mostly two-dimensional computational fluid dynamics (CFD) simulation and cannot accurately and reasonably predict the bubbles escape process, this paper proposes a three-dimensional CFD simulation method based on Flow-3D. This method uses the ratio of the volume of the entrained gas to the volume of the fluid to predict the bubbles escape process. It is more accurate and reasonable than the previous one that uses the number of bubbles to excert prediction. The simulation results of reorientation and bubbles escape process are consist with the results of the low-gravity reorientation in a scale-model centaur liquid-hydrogen tank, and the error at the corresponding time is no more than 10%. The simulation results show the feasibility of the discontinuous thrust settling approach for propellant management, and determine the relevant parameters of a certain upper stage.

    表 2 静液面仿真结果与试验拟合结果对比Table 2 Result comparison of meniscus simulations and test fitting
    表 1 仿真工况Table 1 Simulation cases
    表 5 监测点安装位置Table 5 Installation position of detection points
    表 4 0.29 MPa下推进剂物性Table 4 Propellant properties under 0.29 MPa
    参考文献
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刘辉,王亚军,黄兵,朱平平.推进剂重定位过程仿真与分析[J].南京航空航天大学学报,2021,53(S1):17-24

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  • 收稿日期:2021-01-22
  • 最后修改日期:2021-04-07
  • 在线发布日期: 2021-11-01
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