航天器發(fā)射和上升階段的熱控制問題張學(xué)峰

1、課 程：高等工程傳熱學(xué)組 員：代賀飛 劉天翔 趙金龍 張智博 張學(xué)峰組 別：第五組日 期：2015年12月18日北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院College of Environmental and Energy EngineeringBeijing University of Technology航天器發(fā)射和上升階段的熱控制問題基本內(nèi)容航天器發(fā)射過程中的熱控問題整流罩所涉及的熱控問題空氣氣動(dòng)加熱與自由分子加熱問題致謝航天器發(fā)射過程中的熱控問題航天器發(fā)射過程中熱控問題1.1 請(qǐng)簡(jiǎn)要介紹航天發(fā)射裝置的基本結(jié)構(gòu)1.2 有效載荷或航天員通常位于航天發(fā) 射器的什么位置？1

2、.3 不同部位在發(fā)射過程中有什么特殊控 制要求？請(qǐng)簡(jiǎn)要介紹航天發(fā)射裝置的基本結(jié)構(gòu) 航天器發(fā)射場(chǎng)發(fā)射設(shè)施與設(shè)備主要由起豎發(fā)射設(shè)施與設(shè)備組成 ,它主要有活動(dòng)（移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)及傾倒）或固定的勤務(wù)塔、活動(dòng)或固定的臍帶塔、活動(dòng)或固定的發(fā)射臺(tái)及導(dǎo)流槽等。國(guó)內(nèi)外航天器發(fā)射設(shè)施與設(shè)備的五種型式（1）活動(dòng)勤務(wù)塔、固定臍帶塔、固定發(fā)射 臺(tái)與導(dǎo)流槽相結(jié)合 國(guó)內(nèi)外航天器發(fā)射場(chǎng)早期主要采用這 種型式 例如:美國(guó)肯尼迪37號(hào)發(fā)射場(chǎng) 前蘇聯(lián)拜科努爾發(fā)射基地能源號(hào)火箭 發(fā)射場(chǎng)（2）固定勤務(wù)塔、固定發(fā)射臺(tái)與導(dǎo)流槽相 結(jié)合 如，中國(guó)西昌衛(wèi)星發(fā)射中心1號(hào)發(fā)射 工位例國(guó)內(nèi)外航天器發(fā)射設(shè)施與設(shè)備的五種型式（3） 活動(dòng)勤務(wù)塔、活動(dòng)臍 帶塔、

3、活動(dòng)發(fā)射臺(tái)與 導(dǎo)流槽相結(jié)合 如美國(guó)肯尼迪航天中 心39號(hào)發(fā)射場(chǎng) A、B兩 個(gè)發(fā)射工位 (改造前 ) 和庫魯航天中心第三 發(fā)射場(chǎng)就是采用這樣 的活動(dòng)發(fā)射方案。例國(guó)內(nèi)外航天器發(fā)射設(shè)施與設(shè)備的五種型式（4）旋轉(zhuǎn)勤務(wù)塔或活動(dòng)勤務(wù)塔、固 定臍帶塔、活動(dòng)發(fā)射臺(tái)與導(dǎo)流 槽相結(jié)合 例如，改建后的美國(guó)肯尼迪航 天中心39號(hào)發(fā)射場(chǎng)A發(fā)射工位； 日本種子島航天中心發(fā)射H一2 火箭的吉信發(fā)射場(chǎng)。前蘇聯(lián)拜 科努爾發(fā)射基地發(fā)射暴風(fēng)雪號(hào) 航天飛機(jī)的發(fā)射裝置。此發(fā)射 設(shè)備較為先進(jìn)。例國(guó)內(nèi)外航天器發(fā)射設(shè)施與設(shè)備的五種型式（5）傾斜式勤務(wù)塔固定發(fā)射臺(tái) 與導(dǎo)流槽相結(jié)合 如，前蘇聯(lián)拜科努爾發(fā)射 基地發(fā)射基地聯(lián)盟號(hào)航天 飛機(jī)的發(fā)射裝置

4、。它由一 座對(duì)分兩半的塔架組成， 上有工作平臺(tái)，能包住運(yùn) 載火箭。例有效載荷或航天員通常位于航天發(fā)射器的什么位置？ 有效載荷艙，通常位于火箭的頭部，其用途是裝載需運(yùn)載的裝備（如人造衛(wèi)星、宇宙飛船或核彈頭），其外部有整流罩，以保護(hù)運(yùn)載物和減少空氣阻力。不同部位在發(fā)射過程中有什么特殊熱控制要求？ 發(fā)射段(上升段)熱控制指航天器在運(yùn)載器運(yùn)送下飛離地面,穿過大氣層進(jìn)入軌道過程的熱控制。從點(diǎn)火發(fā)射起，即以高速穿過稠密大氣層后進(jìn)入軌道，對(duì)于有整流罩的情況，因其受強(qiáng)烈的氣動(dòng)加熱，航天器內(nèi)的熱量無法排散，直接影響航天器內(nèi)部的溫度。因此，上升段熱控制的主要任務(wù)就是防止航天器結(jié)構(gòu)和儀器設(shè)備過熱。此階段熱控要求主要

5、是：在航天器不供電的運(yùn)輸過程中，溫度可保持在非工作溫度限內(nèi)，但不能超出設(shè)備的生存溫度，并且不允許結(jié)露。 如，有些有效載荷(如高精度相機(jī))要求極高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，必須嚴(yán)格控制其熱變形，這就要求結(jié)構(gòu)具有極高的溫度均勻性；密封艙內(nèi)為保持適宜的環(huán)境，其空氣的溫度、濕度和流動(dòng)速度都需要加以控制。整流罩所涉及的熱控問題整流罩所涉及的熱控問題2.1 整流罩的作用是什么？2.2 整流罩在航天器發(fā)射過程中溫度將歷經(jīng)如何的變化？2.3 整流罩在什么時(shí)間、什么條件下將被拋棄？整流罩的作用是什么？整流罩的作用有:1)保護(hù)有效載荷不受氣動(dòng)力 的作用;2)保護(hù)有效載荷不受氣動(dòng)加 熱的作用;3)保護(hù)有效載荷不受聲振等 有害環(huán)

6、境的影響;4)當(dāng)運(yùn)載火箭處于臨射狀態(tài)時(shí), 可對(duì)整流罩內(nèi)的溫度、濕度 進(jìn)行調(diào)節(jié),以保證有效載荷不 受不利環(huán)境的影響;5)保護(hù)罩內(nèi)有效載荷不受各種 煙霧環(huán)境的污染。整流罩在航天器發(fā)射過程中溫度將歷經(jīng)如何的變化？ 從發(fā)射入軌，熱環(huán)境變得很惡劣，開始幾分鐘內(nèi)環(huán)境由整流罩溫度決定，如圖所示，因氣動(dòng)加熱，整流罩溫度迅速?gòu)?0s之前的約30升至90200，火箭頂部裝有航天器主體，因此對(duì)溫升的控制比較嚴(yán)格，圖示頂部溫升的最大值約為100。（為了達(dá)到控制目標(biāo)，不同部分的整流罩的材料有不同要求，對(duì)于火箭頂部和頸部，要求整流罩內(nèi)表面的發(fā)射率小于0.1，頸部往下部分的發(fā)射率不超過0.9。）整流罩在航天器發(fā)射過程中溫度

7、降歷經(jīng)如何的變化？ 雖然后來因氣壓降低，艙內(nèi)放氣時(shí)有一些降溫作用，但是很微弱。主要影響還是整流罩內(nèi)升溫，但是它只影響星外設(shè)備溫度，如太陽電池陣、多層隔熱組件等。由于罩內(nèi)的消音板具有隔熱作用，緩解了氣動(dòng)加熱的影響。 發(fā)射后的2-5分鐘內(nèi)，已飛到足夠高度，氣動(dòng)加熱已不存在，自由分子加熱也減少到足夠低了，整流罩分離。但在之后的30分鐘內(nèi)FMH依然起重要作用。整流罩在什么時(shí)間、什么條件下將被拋棄？ 發(fā)射后的2-5分鐘內(nèi)，已飛到足夠高度(軌道高度通常在100km-140km)，氣動(dòng)加熱已不存在，自由分子加熱也減少到足夠低了。整流罩的作用一完成,就要從運(yùn)載火箭分離出去,并且要使整流罩與有效載荷和運(yùn)載火箭之

8、間有足夠的分離距離。一般來講，分離時(shí)需滿足的要求有： 1)保證在分離過程中不得與衛(wèi)星碰撞; 2)無碎片飛出和逸出物污染衛(wèi)星； 3)分離力對(duì)衛(wèi)星的沖擊必須在允許的范圍內(nèi); 4)平推分離速度應(yīng)大于或等于4.5 m/s。 對(duì)阿里安整流罩來說,分離一般發(fā)生在第二級(jí)飛行期間110一140公里的高度。在飛行過程中,確切的分離點(diǎn)是根據(jù)某一特定的運(yùn)載火箭加速度(可達(dá)45米/秒2 )來確定的。其標(biāo)準(zhǔn)拋罩點(diǎn)的確切時(shí)間為246秒?？諝鈿鈩?dòng)加熱與自由分子加熱問題空氣氣動(dòng)加熱與自由分子加熱問題3.1 空氣氣動(dòng)加熱和自由分子加熱有什么 不同？3.2 請(qǐng)簡(jiǎn)要介紹這兩種氣體熱作用的計(jì) 算方法3.3 氣動(dòng)加熱與自由分子加熱各自

9、的適用 大氣高度空氣氣動(dòng)加熱和自由分子加熱有什么不同？ 空氣氣動(dòng)加熱飛行器在大氣層中以高超聲速飛行時(shí)，其周圍的空氣受到強(qiáng)烈的壓縮和劇烈的摩擦作用，大部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，致使飛行器周圍的空氣溫度急劇升高。此高溫氣體和飛行器表面之間產(chǎn)生很大的溫差，部分熱能迅速以對(duì)流傳熱形式向飛行器表面?zhèn)鬟f，促使飛行器表面溫度升高，這種熱能傳遞方式稱為氣動(dòng)加熱。 自由分子加熱在空氣稀薄的大氣層外，單個(gè)分子對(duì)航天器撞擊而產(chǎn)生的加熱效應(yīng)。 不同點(diǎn)：1）空氣氣動(dòng)加熱是在大氣層內(nèi)，自由分子加熱 是在大氣層外。 2）空氣氣動(dòng)加熱是連續(xù)的過程，自由分子加熱 是間斷的過程，屬分子（稀?。怏w動(dòng)力學(xué) 研究范圍。請(qǐng)簡(jiǎn)要介紹這兩種氣體

10、熱作用的計(jì)算方法（1）自由分子加熱計(jì)算公式2VQ3FMH 式中： 為大氣密度； V為火箭飛行速度； 為動(dòng)能轉(zhuǎn)化系數(shù)，取值范圍為0.60.8。請(qǐng)簡(jiǎn)要介紹這兩種氣體熱作用的計(jì)算方法（2）空氣氣動(dòng)加熱計(jì)算公式 在工程上,常用牛頓冷卻公式來計(jì)算對(duì)流產(chǎn)生的熱量q : q=TT=T(Tr-Tw) 式中: T為熱交換系數(shù); Tr 和Tw 分別為恢復(fù)溫度和壁面溫度。請(qǐng)簡(jiǎn)要介紹這兩種氣體熱作用的計(jì)算方法（2）空氣氣動(dòng)加熱計(jì)算公式式中，Tr為恢復(fù)溫度： Tr= T1+ 0.5(-1)rMa2 其中, r為恢復(fù)因子，層流時(shí) ，湍流時(shí) ； 為比熱比，Pr為普朗特?cái)?shù)， 帶下標(biāo)的參數(shù)為遠(yuǎn)方來流參數(shù)。Prr3Prr請(qǐng)簡(jiǎn)要介

11、紹這兩種氣體熱作用的計(jì)算方法（2）空氣氣動(dòng)加熱計(jì)算公式式中,T 為熱交換系數(shù) T=(1/2)Pr- 2/3fgcpv其中:Pr為普朗特?cái)?shù); f為局部靜摩擦因數(shù); 為氣流的密度; g為重力加速度; cp為氣流的定壓比熱; v為氣流的速度。請(qǐng)簡(jiǎn)要介紹這兩種氣體熱作用的計(jì)算方法（2）空氣氣動(dòng)加熱計(jì)算公式 但是，由于邊界層內(nèi)的溫度是變化的,所以在求解T時(shí),所用到的、cp等參數(shù)也都是變化的。這給求解帶來難度,為此采用參考溫度法,即引入一個(gè)確定的參考溫度,把邊界層內(nèi)變化的空氣特性參數(shù)用參考溫度下不變的參數(shù)來代替。參考溫度有多種,其中應(yīng)用最廣的是Eckert(?？颂?參考溫度: T = Te+ 0.5(Tw

12、- Te)+0.22(Tr- Te) 式中,Te為邊界層外緣溫度?；脽羝?19氣動(dòng)加熱與自由分子加熱各自的適用大氣高度 錢學(xué)森將稀薄氣體流動(dòng)分為三大領(lǐng)域,即滑流領(lǐng)域,過渡領(lǐng)域和自由分子流領(lǐng)域。領(lǐng)域劃分的依據(jù)是Knudsen數(shù) Kn=入/L這里，入為分子平均自由程，L為流動(dòng)特征長(zhǎng)度。 不同流動(dòng)領(lǐng)域所對(duì)應(yīng)的Kn數(shù)為 滑流領(lǐng)域：0.01Kn0.1 過渡領(lǐng)域：0.1Kn10 飛行器大約從高度80-100 km, 那里的空氣密度大約只有海平面的1/106 -1/105, 估計(jì)來流Kn數(shù), 可知飛行器處在稀薄氣體環(huán)境之中,其熱流量計(jì)算應(yīng)按自由分子加熱。故，氣動(dòng)加熱范圍在80-100km高度之內(nèi)； 自由分子加熱范圍在80