小議航天燃油箱富氮?dú)怏w分配的方案

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1富氮?dú)怏w需求量估算

進(jìn)行富氮?dú)怏w分配方案設(shè)計(jì)，首先要確定富氮?dú)怏w的需求量。文獻(xiàn)采用微分計(jì)算方法，建立了燃油箱氣相空間沖洗惰化的數(shù)學(xué)模型。雖然該模型屬于單艙燃油箱模型，但可通過忽略多隔艙燃油箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)，將多艙燃油箱作為單艙燃油箱來計(jì)算富氮?dú)?/a>體需求量，并作為初始輸入值。采用文獻(xiàn)所建數(shù)學(xué)模型，假設(shè)從21%氧氣濃度惰化至適航要求的12%，其惰化時(shí)間為7min，并基于燃油箱空載這一極限條件進(jìn)行計(jì)算，獲得燃油箱惰化所需富氮?dú)怏w流量約為60．5kg/h。

由于燃油箱隔區(qū)內(nèi)的富氮?dú)怏w擴(kuò)散較為容易，在初始布置時(shí)，可根據(jù)隔區(qū)的劃分情況初步確定富氮?dú)怏w出口。如果忽略燃油箱隔區(qū)內(nèi)的阻礙結(jié)構(gòu)，可將每個(gè)隔區(qū)視為一個(gè)單艙燃油箱。原則上，在每個(gè)燃油箱隔區(qū)布置一個(gè)富氮?dú)怏w出口，并根據(jù)隔區(qū)的容積大小，通過在富氮?dú)怏w出口處加裝限流孔的方法分配不同的富氮?dú)怏w流量，即可滿足設(shè)計(jì)要求。對于中的燃油箱，為避開布置有通氣出口的隔艙以及便于富氮?dú)怏w快速擴(kuò)散到各個(gè)隔艙，將隔區(qū)4的富氮?dú)怏w出口布置在中間隔艙8處。又由于隔區(qū)5內(nèi)各隔艙容積較小而隔艙間通氣面積較大，可將富氮?dú)怏w出口布置在隔艙12處，以減少管路長度。研究的基礎(chǔ)上，建立了多隔艙燃油箱地面惰化數(shù)學(xué)模型。該模型采用壓差自動(dòng)調(diào)整和分配的方式來判斷流經(jīng)各隔艙的氣流方向和流量。本文采用上述數(shù)學(xué)模型對富氮?dú)怏w出口布置方式進(jìn)行計(jì)算，得到燃油箱各隔艙內(nèi)的平均氧氣濃度隨時(shí)間變化的關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)，隔區(qū)3中經(jīng)過惰化的氧氣濃度高于12%，這是由于隔艙3內(nèi)的通氣孔使得富氮?dú)怏w排至艙外造成的。隔區(qū)4內(nèi)有5個(gè)隔艙經(jīng)過惰化的氧氣濃度高于12%，由于這5個(gè)隔艙離布置有富氮?dú)怏w出口的隔艙(艙8)位置較遠(yuǎn)，隔艙間的肋板阻礙了富氮?dú)怏w的擴(kuò)散。隔區(qū)5內(nèi)有2個(gè)隔艙經(jīng)過惰化的氧氣濃度高于12%，這是因?yàn)檫@2個(gè)隔艙同樣離布置有富氮?dú)怏w出口的隔艙(艙12)位置較遠(yuǎn)，且隔艙19內(nèi)布置有通氣出口。

4富氮?dú)怏w出口布置優(yōu)化

對第3節(jié)中富氮?dú)怏w出口初步布置計(jì)算結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，首先，富氮?dú)怏w出口布置在艙12可以減輕管路重量。理論上稍微提高隔艙12的富氮?dú)怏w流量，即可使得隔區(qū)5內(nèi)各隔艙的氧氣濃度滿足要求。其次，由于隔區(qū)4內(nèi)各隔艙容積較大，艙間肋板對富氮?dú)怏w的擴(kuò)散十分不利。因此，只需在隔區(qū)4內(nèi)增加富氮?dú)怏w出口，以加快富氮?dú)怏w在隔艙間的擴(kuò)散。因?yàn)楣苈芬恢毖由斓礁魠^(qū)5，必然經(jīng)過隔區(qū)4，而增加富氮?dú)怏w出口不會(huì)增加較多管路重量。最后，由于提高了隔區(qū)4內(nèi)富氮?dú)怏w擴(kuò)散性，由隔區(qū)4進(jìn)入隔區(qū)3的富氮?dú)怏w流量會(huì)增加。因此，隔區(qū)3的富氮?dú)怏w流量可基本保持不變。基于上述分析進(jìn)行出口布置尋優(yōu)，本文獲得的富氮?dú)怏w出口優(yōu)化布置方式所示。采用文獻(xiàn)中數(shù)學(xué)模型對富氮?dú)怏w出口布置方式進(jìn)行計(jì)算，獲得燃油箱各隔艙內(nèi)的平均氧氣濃度隨時(shí)間變化的關(guān)系所示。可以發(fā)現(xiàn)，中的富氮?dú)怏w出口布置方案實(shí)現(xiàn)了在7min內(nèi)，使每個(gè)隔艙的氧氣濃度從21%降低到12%的設(shè)計(jì)要求。值得注意的是，只需在隔艙12布置一個(gè)富氮?dú)怏w出口，即可滿足9號(hào)肋至17號(hào)肋之間隔艙的惰化需求。這樣一來，僅需要將惰化管路布置到隔艙12，即可減輕惰化管路重量。如果增加富氮?dú)怏w出口，會(huì)更加利于富氮?dú)怏w的擴(kuò)散，進(jìn)一步減小對富氮?dú)怏w的需求量，從而降低對發(fā)動(dòng)機(jī)引氣量的需求。但是，富氮?dú)怏w出口的增加也會(huì)帶來管路重量的增加和系統(tǒng)構(gòu)型的復(fù)雜化。所以，在富氮?dú)怏w出口布置方案詳細(xì)設(shè)計(jì)中，應(yīng)從降低富氮?dú)怏w需求量和減少富氮?dú)怏w出口兩方面綜合考慮。

作者：郭軍亮周偉劉衛(wèi)華單位：上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院