航天器发射和上升阶段的热控制问题-张学峰

课程：高等工程传热学组员：代贺飞刘天翔赵金龙张智博张学峰组别：第五组日期：2015年12月18日北京工业大学环境与能源工程学院CollegeofEnvironmentalandEnergyEngineeringBeijingUniversityofTechnology航天器发射和上升阶段的热控制问题基本内容航天器发射过程中的热控问题整流罩所涉及的热控问题空气气动加热与自由分子加热问题致谢航天器发射过程中的热控问题1航天器发射过程中热控问题1.1请简要介绍航天发射装置的基本结构1.2有效载荷或航天员通常位于航天发射器的什么位置？1.3不同部位在发射过程中有什么特殊控制要求？请简要介绍航天发射装置的基本结构1.1航天器发射场发射设施与设备主要由起竖发射设施与设备组成,它主要有活动（移动、旋转及倾倒）或固定的勤务塔、活动或固定的脐带塔、活动或固定的发射台及导流槽等。国内外航天器发射设施与设备的五种型式（1）活动勤务塔、固定脐带塔、固定发射台与导流槽相结合国内外航天器发射场早期主要采用这种型式例如:美国肯尼迪37号发射场前苏联拜科努尔发射基地能源号火箭发射场（2）固定勤务塔、固定发射台与导流槽相结合如，中国西昌卫星发射中心1号发射工位例国内外航天器发射设施与设备的五种型式（3）活动勤务塔、活动脐带塔、活动发射台与导流槽相结合如美国肯尼迪航天中心39号发射场A、B两个发射工位(改造前)和库鲁航天中心第三发射场就是采用这样的活动发射方案。例国内外航天器发射设施与设备的五种型式（4）旋转勤务塔或活动勤务塔、固定脐带塔、活动发射台与导流槽相结合例如，改建后的美国肯尼迪航天中心39号发射场A发射工位；日本种子岛航天中心发射H一2火箭的吉信发射场。前苏联拜科努尔发射基地发射暴风雪号航天飞机的发射装置。此发射设备较为先进。例国内外航天器发射设施与设备的五种型式（5）倾斜式勤务塔固定发射台与导流槽相结合如，前苏联拜科努尔发射基地发射基地联盟号航天飞机的发射装置。它由一座对分两半的塔架组成，上有工作平台，能包住运载火箭。例有效载荷或航天员通常位于航天发射器的什么位置？1.2有效载荷舱，通常位于火箭的头部，其用途是装载需运载的装备（如人造卫星、宇宙飞船或核弹头），其外部有整流罩，以保护运载物和减少空气阻力。不同部位在发射过程中有什么特殊热控制要求？1.3发射段(上升段)热控制指航天器在运载器运送下飞离地面,穿过大气层进入轨道过程的热控制。从点火发射起，即以高速穿过稠密大气层后进入轨道，对于有整流罩的情况，因其受强烈的气动加热，航天器内的热量无法排散，直接影响航天器内部的温度。因此，上升段热控制的主要任务就是防止航天器结构和仪器设备过热。此阶段热控要求主要是：在航天器不供电的运输过程中，温度可保持在非工作温度限内，但不能超出设备的生存温度，并且不允许结露。如，有些有效载荷(如高精度相机)要求极高的结构稳定性，必须严格控制其热变形，这就要求结构具有极高的温度均匀性；密封舱内为保持适宜的环境，其空气的温度、湿度和流动速度都需要加以控制。整流罩所涉及的热控问题2整流罩所涉及的热控问题2.1整流罩的作用是什么？2.2整流罩在航天器发射过程中温度将历经如何的变化？2.3整流罩在什么时间、什么条件下将被抛弃？整流罩的作用是什么？2.1整流罩的作用有:1)保护有效载荷不受气动力的作用;2)保护有效载荷不受气动加热的作用;3)保护有效载荷不受声振等有害环境的影响;4)当运载火箭处于临射状态时,可对整流罩内的温度、湿度进行调节,以保证有效载荷不受不利环境的影响;5)保护罩内有效载荷不受各种烟雾环境的污染。整流罩在航天器发射过程中温度将历经如何的变化？2.2从发射入轨，热环境变得很恶劣，开始几分钟内环境由整流罩温度决定，如图所示，因气动加热，整流罩温度迅速从80s之前的约30℃升至90℃—200℃，火箭顶部装有航天器主体，因此对温升的控制比较严格，图示顶部温升的最大值约为100℃。（为了达到控制目标，不同部分的整流罩的材料有不同要求，对于火箭顶部和颈部，要求整流罩内表面的发射率小于0.1，颈部往下部分的发射率不超过0.9。）整流罩在航天器发射过程中温度降历经如何的变化？2.2虽然后来因气压降低，舱内放气时有一些降温作用，但是很微弱。主要影响还是整流罩内升温，但是它只影响星外设备温度，如太阳电池阵、多层隔热组件等。由于罩内的消音板具有隔热作用，缓解了气动加热的影响。发射后的2-5分钟内，已飞到足够高度，气动加热已不存在，自由分子加热也减少到足够低了，整流罩分离。但在之后的30分钟内FMH依然起重要作用。整流罩在什么时间、什么条件下将被抛弃？2.1发射后的2-5分钟内，已飞到足够高度(轨道高度通常在100km-140km)，气动加热已不存在，自由分子加热也减少到足够低了。整流罩的作用一完成,就要从运载火箭分离出去,并且要使整流罩与有效载荷和运载火箭之间有足够的分离距离。一般来讲，分离时需满足的要求有：1)保证在分离过程中不得与卫星碰撞;2)无碎片飞出和逸出物污染卫星；3)分离力对卫星的冲击必须在允许的范围内;4)平推分离速度应大于或等于4.5m/s。对阿里安整流罩来说,分离一般发生在第二级飞行期间110一140公里的高度。在飞行过程中,确切的分离点是根据某一特定的运载火箭加速度(可达45米/秒2)来确定的。其标准抛罩点的确切时间为246秒。空气气动加热与自由分子加热问题3空气气动加热与自由分子加热问题3.1空气气动加热和自由分子加热有什么不同？3.2请简要介绍这两种气体热作用的计算方法3.3气动加热与自由分子加热各自的适用大气高度空气气动加热和自由分子加热有什么不同？3.1空气气动加热——飞行器在大气层中以高超声速飞行时，其周围的空气受到强烈的压缩和剧烈的摩擦作用，大部分动能转化为热能，致使飞行器周围的空气温度急剧升高。此高温气体和飞行器表面之间产生很大的温差，部分热能迅速以对流传热形式向飞行器表面传递，促使飞行器表面温度升高，这种热能传递方式称为气动加热。自由分子加热——在空气稀薄的大气层外，单个分子对航天器撞击而产生的加热效应。不同点：1）空气气动加热是在大气层内，自由分子加热是在大气层外。2）空气气动加热是连续的过程，自由分子加热是间断的过程，属分子（稀薄）气体动力学研究范围。请简要介绍这两种气体热作用的计算方法3.2（1）自由分子加热计算公式2αρVQ3FMH式中：ρ为大气密度；V为火箭飞行速度；α为动能转化系数，取值范围为0.6~0.8。请简要介绍这两种气体热作用的计算方法3.2（2）空气气动加热计算公式在工程上,常用牛顿冷却公式来计算对流产生的热量qα:qα=αTΔT=αT(Tr-Tw)式中:αT为热交换系数;Tr和Tw分别为恢复温度和壁面温度。请简要介绍这两种气体热作用的计算方法3.2（2）空气气动加热计算公式式中，Tr为恢复温度：Tr=T∞[1+0.5(γ-1)rMa∞2]其中,r为恢复因子，层流时，湍流时；γ为比热比，Pr为普朗特数，带下标∞的参数为远方来流参数。Prr3Prr请简要介绍这两种气体热作用的计算方法3.2（2）空气气动加热计算公式式中,αT为热交换系数αT=(1/2)Pr-2/3μfρgcpv其中:Pr为普朗特数;μf为局部静摩擦因数;ρ为气流的密度;g为重力加速度;cp为气流的定压比热;v为气流的速度。请简要介绍这两种气体热作用的计算方法3.2（2）空气气动加热计算公式但是，由于边界层内的温度是变化的,所以在求解αT时,所用到的ρ、cp等参数也都是变化的。这给求解带来难度,为此采用参考温度法,即引入一个确定的参考温度,把边界层内变化的空气特性参数用参考温度下不变的参数来代替。参考温度有多种,其中应用最广的是Eckert(埃克特)参考温度:T＊=Te+0.5(Tw-Te)+0.22(Tr-Te)式中,Te为边界层外缘温度。幻灯片19气动加热与自由分子加热各自的适用大气高度3.3钱学森将稀薄气体流动分为三大领域,即滑流领域,过渡领域和自由分子流领域。领域划分的依据是Knudsen数Kn=入/L这里，入为分子平均自由程，L为流动特征长度。不同流动领域所对应的Kn数为滑流领域：0.01Kn0.1过渡领域：0.1Kn10自由分子流动：Kn10飞行器大约从高度80-100km,那里的空气密度大约只有海平面的1/106-1/105,估计来流Kn数,可知飞行器处在稀薄气体环境之中,其热流量计算应按自由分子加热。故，气动加热范围在80-100km高度之内；自由分子加热范围在80-100km高度之外。24感谢批评指正！课程：高等工程传热学组别：第五组汇报：张学峰组员：代贺飞刘天翔赵金龙张智博日期：2015年12月18日北京工业大学环境与能源工程学院CollegeofEnvironmentalandEnergyEngineeringBeijingUniversityofTechnology