运载火箭低温蓄压器绝热支架设计及验证

郑茂琦 ，满 满，潘建华 ，李 龙

（1.北京宇航系统工程研究所，北京 100076；2.首都航天机械有限公司，北京 100076；3.深低温技术研究北京市重点实验室，北京 100076）

0 引言

蓄压器是用于抑制火箭纵向耦合振动（POGO振动）的重要单机，通常安装在发动机泵入口。在火箭飞行过程中，利用蓄压器膜盒内气体的柔性有效改变管路系统频率，避免其与火箭结构发生耦合振动，确保火箭飞行安全[1]。蓄压器膜盒压力是其关键参数，发射前、飞行过程均需对其进行监测。新一代运载火箭采用无毒、无污染低温推进剂，蓄压器膜盒与低温推进剂直接接触，膜盒内气体经低温推进剂冷却，温度基本处于90～100 K之间。

低温蓄压器上配备有压力传感器及充气手阀，用于膜盒压力监测及充放气。传感器、充气手阀的设计工作温度区间为223～350 K。过低的环境温度将导致传感器敏感元件冻结、失效，充气手阀橡胶密封圈脆化、失效。为了避免蓄压器的介质低温对压力传感器、充气手阀产生不利影响，传感器、充气手阀的安装支架必须设计为绝热支架。

1 绝热支架设计

理想的蓄压器绝热支架必须满足几个设计目标：（1）具有足够强度，在静载荷、动载荷条件下都可以起到可靠的支撑固定作用；（2）具有良好的绝热性能，绝热支架底部可以近似认为处于液氧温区，在大温差作用下，须确保顶部传感器、充气手阀安装位置处于常温状态；（3）结构紧凑，火箭发动机舱内留给蓄压器的安装空间较狭窄，绝热支架设计应确保外形结构紧凑，避免与其他零件相互干涉；（4）轻量化。尽可能减少由于绝热支架带来的附加质量。

低温蓄压器绝热支架采用玻纤增强的聚醚醚酮（PEEK）SLT/G-2材料进行注塑成形，这是一种经玻纤改性（33%）的聚醚醚酮，其各项性能测试值如表1所列。可以看出，这种材料密度较低，约为不锈钢的1/5；具有较高的拉伸和弯曲强度，可有效降低绝热支架带来的附加质量；同时其热导率较低，属于绝热性能极佳的工程塑料；此外，其线胀系数和金属材料相当，可避免低温下产生过大的热应力，确保结构安全。

表1 聚醚醚酮实测性能Tab.1 Measured physical property of PEEK

低温蓄压器绝热支架布局及零件设计方案如图1所示。绝热支架分为两类，一类是安装于蓄压器壳体顶部的台阶式绝热支架（A类绝热支架），其顶部设计为平面或弧面以便于传感器、充气手阀的安装。为了防止过高的悬臂降低抗振性能，该类绝热支架的高度被严格控制在适当的范围内，安装后压力传感器、充气手阀紧靠蓄压器外部的绝热发泡层。另一类绝热支架是安装于蓄压器侧面的三角式绝热支架（B类绝热支架），用于固定传感器、充气手阀与膜盒两通的导管。

图1 绝热支架结构Fig.1 The structure of adiabatic brackets

绝热支架采用注塑成型，考虑工艺需求在绝热支架上设计凹槽，防止注塑中产生收缩导致的变形过大。在保证强度的前提下最大限度地去掉冗余结构，有效增大热阻，同时增加对外换热面积；将绝热支架的侧面设计为小角度斜面，在工艺上更有利于脱模，一定程度上也利于提高结构强度。

2 绝热效果分析

采用ABAQUS软件进行蓄压器绝热支架绝热效果分析。在材料物性明确的前提下，关键是确定分析对象表面的对流换热系数，根据自然对流换热理论对其进行估计，得出对流换热系数随温度变化的趋势。需要说明是低温蓄压器箭上安装位置为基础级尾舱内、发动机和泵前，飞行过程中舱内温度较高。同时蓄压器传感器、充气手阀仅用于常温充压，对加注后的低温补压过程进行压力监测和通道启闭，在飞行过程中仅作为结构件，无功能要求，因此对流换热系数的计算仅基于地面热环境。

自然对流换热系数[2]表达式为：

式中：h为对流换热系数；λ为气体导热系数；l为特征长度；努塞尔数Nu=0.48(Gr∙Pr)0.25；格拉晓夫数Gr=gavΔtl3/η2；g为重力加速度；av为流体体胀系数；η为动力黏度；Δt为温差。普朗特数：Pr=υ/a；υ为运动黏度，υ=ηR，R为比容；a为热扩散率。

根据蓄压器实际尺寸及表面温度变化情况对对流换热系数进行计算，可以看出，250～100 K的降温过程中对流换热系数在13.7～10.4 W（/m2·K）内变化，如表2所列。

表2 蓄压器表面对流换热系数计算Tab.2 The calculation of surface heat transfer coefficient on the surface of accumulator

建立蓄压器壳体、绝热支架传热分析有限元模型，如图2所示，其中：

图2 支架传热计算有限元模型Fig.2 Finite element model for the heat transfer calculation of adiabatic brackets

（1）节点数为513 802、单元数301 510（289 390个二阶四面体单元DC3D10、12 120个二阶六面体单元DC3D20）；

（2）选择的绝热支架材料性能如表1所列，蓄压器壳体按不锈钢热力学属性设置；

（3）绝热支架与蓄压器壳体连接部位设置“tie”连接，忽略接触热阻、紧固件等的影响；

（4）设置瞬态传热分析过程Heat transfer（Tran⁃sient），计算时长5 000 s；

（5）外部热环境为恒温293 K，蓄压器内部设置为80 K恒温边界，模拟低温介质浸泡状态。初始温度场设置为293 K。外部设置对流换热边界，随表面温度变化的对流换热系数为：0 W/（m2·K）、293 K；13.67 W/(m2·K)、250 K；14.28 W/（m2·K）、200 K；11.03 W/（m2·K）、110 K；10.7 W/（m2·K）、105 K；10.4 W/（m2·K）、100 K。表面对流系数变化曲线如图3所示，中间点的对流换热系数通过两端点线性插值获得。

图3 表面对流换热系数随温度变化曲线Fig.3 The vibration of surface heat transfer coefficient with temperature

A、B类绝热支架的温度变化曲线如图4所示，仿真分析得出的结构温度变化云图如图5所示。可以看出，经历2 030 s换热过程后，安装于蓄压器壳体上端面的A类绝热支架稳定于283.5 K（10.5℃）左右。经历1 040 s换热过程后，安装于蓄压器侧面的B类绝热支架稳定于293 K（20℃）左右。两类绝热支架设计能够满足传感器和充气手阀的绝热使用需求。

图4 结构温度变化云图Fig.4 Cloud chart of structure temperature change

图5 A、B类绝热支架的温度变化曲线Fig.5 The temperature vibration of A and B type adiabatic brackets

3 绝热效果试验验证

为验证蓄压器绝热支架设计的有效性，开展蓄压器绝热支架绝热效果验证试验。为模拟低温工况，设计蓄压器膜盒壳体模拟件，将A类绝热支架固定于壳体顶部，并将传感器模拟件、充气手阀模拟件固定于绝热支架上。将B类绝热支架固定于蓄压器壳体侧面。试验过程中将蓄压器壳体倒置固定，并在壳体内部灌注液氮（77 K）进行试验。设置6处温度测点，如图6（a）所示，试验件实物如图6（b）所示。试验系统示意图如图7所示。试验环境为恒温295 K（22℃）±2 K（2℃）、湿度50%±10%。

图6 试验件及温度测点分布图Fig.6 The test unit and the distribution of temperature measuring points

图7 绝热效果试验系统示意图Fig.7 Sketch map of experiment system

其中温度测点T1为筒壁温度、T2为A类绝热支架（阀门）温度、T3为A类绝热支架（传感器）温度、T4和T5为B类绝热支架温度、T6为绝热层表面温度。试验过程中观察外部结霜情况，记录各点处温度随时间变化情况。试验测点温度值如表3所列。

表3 各温度测点实测情况Tab.3 Records of temperature measuring points

从表3可以看出，T1筒壁温度稳定后为80 K（-193℃）。T2和T3测得的A类绝热支架温度分别为283.8 K（10.8℃）和281.8 K（8.8 ℃），稳定所需时间也相近，约2 100～2 280 s（35～38 min）。T4～T5为B类绝热支架温度，稳定温度为280 K（7℃）左右，稳定时间约600～700 s（11 min）。T6为发泡层外表面温度，稳定温度为282 K（9℃）。

4 讨论

表4为仿真分析、试验实测的稳定温度和稳定时间的对比。A类绝热支架仿真得出的稳定温度值与试验测试值相差-0.3～+1.7 K，偏差约为-0.1%～+0.6%；稳定时间偏差为70～250 s。差值产生的原因是模拟测试装置的支架和壳体间有接触电阻，连接紧固件存在导热，因而试验测试值较仿真值低；测试装置中的传感器模拟件和充气手阀模拟件均有一定热容，因此达到稳态的时间较仿真分析长。

表4 仿真分析、试验实测的稳定温度和稳定时间的对比Tab.4 The comparison of stable temperature and stable time between simulation and experiment

B类绝热支架仿真得出的稳定温度值与试验测试值相差12.7～13 K，偏差约为4.33%，稳定时间偏差为380～440 s。B类绝热支架仿真分析结果偏差较大，原因是实测试验中B类支架固定于蓄压器壳体侧壁，在壳体外部进行绝热发泡时，B类支架距根部约10 mm的部分被包覆在绝热发泡内，这导致自然对流换热面积减少。同时支架表面存在结霜现象，使对流换热面积进一步减少，因此实测稳定温度值比仿真计算值低。结霜过程的放热对支架的稳定温度和稳定时间的影响是一个综合、复杂的变化过程，后续可深入进行研究。

5 结论

本文根据传热理论给出了表面自然对流系数随温度的变化曲线。基于此，采用有限元仿真分析方法完成A、B两类蓄压器绝热支架结构设计。经过验证，所设计的A类绝热支架仿真稳定温度值与试验测试值相差-0.3～+1.7 K，偏差约为-0.1%～+0.6%；所设计的B类绝热支架仿真稳定温度值与试验测试值相差12.7～13 K，偏差约为4.33%。满足低温蓄压器火箭使用需求。