内容简介

运载火箭增压输送系统是实现箭上推进剂供给功能的系统，是火箭动力系统的重要组成部分。本书系统介绍了运载火箭增压输送系统及其组件。上篇“系统”包含增压系统、输送系统、贮存系统和系统可靠性，下篇“组件”包括管路、阀门、气瓶、蓄压器和密封结构。内容涉及系统和组件的理论、设计、仿真和试验等方面。对多种型号运载火箭的增压输送系统都有较详尽的介绍，特别是对低温增压输送系统及其组件有深入的论述。既有基本的理论方法，又有很强的工程实践，可供相关技术人员和高校师生参考。

编辑推荐

在世界航天史上，由于增压输送系统问题造成飞行故障的情况屡见不鲜。增压输送系统作为液体火箭的重要系统，承担一系列气体、液体的贮存、输送和增压功能。它系统功能复杂，产品种类多样，涵盖了火箭从零件生产到总装，从加注到飞行的整个生命周期。其功能正常与否，与每一发火箭任务的成败休戚相关。本书从增压输送系统功能需求出发，围绕系统工程实现这一主线，汲取国内外设计应用经验，从系统和组件的理论、设计到验证均进行了很好的总结和提炼。本书是国家出版基金资助的项目，由龙乐豪院士和刘竹生院士作序。

作者简介

王亚军，曾负责多个运载火箭型号增压输送系统研制工作，长期致力于运载火箭总体设计研究和工程实践。为运载火箭增压输送系统，特别是低温增压输送系统的技术发展做出了贡献。获国防科技进步奖1项，航天科技集团公司技术发明奖1项，科学技术奖1项。

前言

总序中国航天事业创建60年来，走出了一条具有中国特色的发展之路，实现了空间技术、空间应用和空间科学三大领域的快速发展，取得了“两弹一星”、载人航天、月球探测、北斗导航、高分辨率对地观测等辉煌成就。航天科技工业作为我国科技创新的代表，是我国综合实力特别是高科技发展实力的集中体现，在我国经济建设和社会发展中发挥着重要作用。作为我国航天科技工业发展的主导力量，中国航天科技集团公司不仅在航天工程研制方面取得了辉煌成就，也在航天技术研究方面取得了巨大进展，对推进我国由航天大国向航天强国迈进起到了积极作用。在中国航天事业创建60周年之际，为了全面展示航天技术研究成果，系统梳理航天技术发展脉络，迎接新形势下在理论、技术和工程方面的严峻挑战，中国航天科技集团公司组织技术专家，编写了《中国航天技术进展丛书》。这套丛书是完整概括中国航天技术进展、具有自主知识产权的精品书系，全面覆盖中国航天科技工业体系所涉及的主体专业，包括总体技术、推进技术、导航制导与控制技术、计算机技术、电子与通信技术、遥感技术、材料与制造技术、环境工程、测试技术、空气动力学、航天医学以及其他航天技术。丛书具有以下作用：总结航天技术成果，形成具有系统性、创新性、前瞻性的航天技术文献体系；优化航天技术架构，强化航天学科融合，促进航天学术交流；引领航天技术发展，为航天型号工程提供技术支撑。雄关漫道真如铁，而今迈步从头越。“十三五”期间，中国航天事业迎来了更多的发展机遇。这套切合航天工程需求、覆盖关键技术领域的丛书，是中国航天人对航天技术发展脉络的总结提炼，对学科前沿发展趋势的探索思考，体现了中国航天人不忘初心、不断前行的执着追求。期望广大航天科技人员积极参与丛书编写、切实推进丛书应用，使之在中国航天事业发展中发挥应有的作用。2016年12月序一习近平总书记指出：“探索浩瀚宇宙，发展航天事业，建设航天强国，是我们不懈追求的航天梦。”运载火箭可以说是托起航天梦的基础，经过几代人50余年的努力，长征系列液体运载火箭家族不断发展壮大，技术不断创新发展，为我国航天事业的进步做出了重要贡献。本书的作者们都是中青年科技工作者，他们承上启下，既传承了老一辈增压输送系统工作者们的智慧和经验，也对很多理论与产品进行了探索和创新。增压输送系统是运载火箭推进系统的组成部分，承担的功能贯穿了运载火箭发射和飞行过程，在任何一个环节发生故障，都可能产生严重影响，造成火箭发射推迟甚至任务失败。在世界航天史上，由于增压输送系统问题造成飞行故障的情况屡见不鲜。部分问题的发生与对系统的认识和理解不够清楚有关，因此，明确的系统概念、清晰的系统功能划分，对理解增压输送系统和做好系统研制工作具有重要意义。本书在总结前人工作的基础上，对增压输送系统的定义和内涵进行了新的阐述，即增压输送系统是实现箭上推进剂供给功能的系统，包含增压系统、输送系统和贮存系统。要把这样一本书写好并非易事，主要在于增压输送系统包含的学科专业较多，科学问题和工程实践交织，既有低温推进剂流动相变和结构随机振动疲劳等复杂艰深的基础科学问题，又有系统、管路、阀门、气瓶等产品研制的具体工程实践。本书分为上、下两篇。上篇对增压系统、输送系统、贮存系统和可靠性度量四方面进行了详细论述。通过在增压输送系统工程设计中合理引入相关理论，使读者能够很好地理解和掌握增压输送系统的基础知识；通过对增压输送系统中关键技术的专题探讨，对当前增压输送系统设计所面临的难题和现有的解决方法进行了阐述。下篇对管路、阀门、气瓶、蓄压器和密封结构等组件进行了详细介绍。从增压输送系统组件设计和使用过程中的常见问题和难点出发，对组件的应力应变疲劳、冲击振动破坏、运动导向、自激振动、稳定性、无损检测、安装和减振等内容进行了专题论述。全书内容重点突出，专业性强，饱含了作者丰富的研制经验，凸显了作者在增压输送系统领域的积累，一定会对读者有所启发。薪火相传、历久弥新。当前世界正处于百年未有之大变局，我国也正处于“十三五”结束、“十四五”开端的关键时刻。本书的出版承载着作者团队多年来孜孜探索的专业成果，希望能够帮助和激励更多的航天工程师，承前启后，再接再厉，进一步提升增压输送系统专业技术水平，为我国运载火箭技术的发展做出更大的贡献。 序二浩瀚宇宙充满无尽的未知和挑战，人类对于太空的渴望促进航天技术不断地发展和完善。从发射颗人造地球卫星“东方红一号”起，到新世纪先后完成载人航天、月球探测和建立“北斗”全球卫星导航系统，中国运载火箭支撑了国家航天战略的发展。当前，我国新一代液体运载火箭已陆续服役，可以预见在相当长的一段时间内，液体动力火箭仍将以其性能上的优势，继续作为进入太空的主要运载工具。增压输送系统作为液体火箭的重要系统，承担一系列气体、液体的贮存、输送和增压功能。它系统功能复杂，产品种类多样，涵盖了火箭从零件生产到总装，从加注到飞行的整个生命周期。其功能正常与否，与每一发火箭任务的成败休戚相关。经过一代代工程师的不懈努力，一个又一个的科学和工程问题得到解决，增压输送系统的可靠性逐步提升，为上述重大工程任务的成功提供了有力支持。增压输送系统的发展与推进剂种类的选择和运载火箭的规模息息相关。首先，为适应推进剂从常温的酒精、煤油、四氧化二氮和偏二甲肼转变为低温的液氢、液氧，增压输送系统研究了绝热、气封、预冷等技术，以消除低温给加注、停放和输送等过程带来的影响。其次，为保证不同种类推进剂可靠、高效地从贮箱输送给发动机，增压输送系统从用氮气为贮箱增压开始，发展出用推进剂蒸气或燃气为贮箱增压、用常温或低温贮存的氦气为贮箱增压等增压方式，以适应不同火箭的特点。再次，随着运载火箭规模的增大，增压输送系统产品从几十毫米的小口径、小规模发展到数百毫米的大口径、大规模，系统和产品的性能和效率越来越高。本书从增压输送系统功能需求出发，围绕系统工程实现这一主线，汲取国内外设计应用经验，从系统和组件的理论、设计到验证均进行了很好的总结和提炼。本书不仅体现了增压输送系统的全局性和系统性，还体现出实践性强、理论与工程结合紧密的特点。与同类书籍相比，对深低温增压输送系统及其组件进行了较为深入的论述。全书体系完备、结构清晰、内容翔实，凝聚了我国液体运载火箭增压输送系统几十年的研制成果，是集体智慧和心血的结晶，具有较高的学术水平。不仅能对我国液体运载火箭工程师和相关技术人员提供有意义的指导和帮助，书中分析和解决相关问题的方法也能对相关专业的高校师生提供借鉴和参考。

目录

第1章绪论11.1引言11.2增压输送系统组成及总装41.2.1系统41.2.2组件81.2.3总装81.3增压输送系统仿真与试验91.3.1仿真91.3.2试验131.4增压输送系统可靠性15参考文献16上篇系统第2章增压系统192.1概述192.2增压方式222.2.1贮气式增压222.2.2自生增压372.2.3化学反应增压432.2.4活塞泵式增压442.2.5增压方式选择462.3增压换热数学模型492.3.1常温贮箱增压换热模型502.3.2低温贮箱增压换热模型522.3.3增压气瓶增压换热模型592.3.4管路的换热模型602.4增压流量控制612.4.1增压控制方式612.4.2增压响应时间632.4.3孔板流量计算642.5增压气体消能712.5.1消能器结构722.5.2消能器仿真762.5.3消能器试验802.6增压系统性能仿真812.6.1需要的增压压力812.6.2初始容积及压力842.6.3系统性能仿真852.7增压系统试验882.7.1试验参数确定882.7.2系统试验状态902.7.3系统试验实施91参考文献96第3章输送系统993.1概述993.2布局方案1013.2.1串联贮箱布局1013.2.2并联贮箱布局1053.2.3交叉输送1073.3贮箱出流1093.3.1液体汽化1093.3.2液面塌陷1113.3.3出流漩涡1133.3.4出流装置分类1143.3.5出流试验1203.4POGO抑制1253.4.1POGO振动简介1253.4.2动特性分析1273.4.3POGO抑制分析1313.5水击分析1333.5.1水击计算1343.5.2特殊水击现象1363.5.3水击抑制方法1383.6发动机预冷1393.6.1预冷方式分类1393.6.2预冷系统设计须考虑因素1483.6.3预冷分析1503.6.4强制循环预冷装置1713.7推进剂剩余控制1743.7.1混合比调节1743.7.2推进剂利用单元调节原理1763.7.3推进剂利用单元设计考虑因素1773.7.4典型推进剂利用单元介绍1783.8间歇泉抑制1813.8.1影响因素分析1823.8.2解决途径1833.9分叉流压力跳变抑制1873.9.1压力跳变机理1873.9.2数值分析1893.9.3解决途径190参考文献192第4章贮存系统1974.1概述1974.2推进剂加泄1984.2.1系统设计1994.2.2特殊加注过程2054.3贮箱排气安全2074.3.1系统参数2074.3.2系统布局2084.4气封吹除2144.4.1加泄系统置换2144.4.2气封及排空功能2144.4.3舱段吹除功能2154.5低温推进剂贮存管理功能2174.5.1贮箱蒸发相变分析2174.5.2在轨蒸发量控制2204.5.3火箭集成流体系统2254.6微重力推进剂管理功能2274.6.1微重力液体特征2284.6.2正推沉底方案2294.6.3推进剂管理装置230参考文献240第5章增压输送系统可靠性度量2445.1概述2445.2可靠性模型2445.2.1串联系统2455.2.2并联系统2455.2.3表决系统2455.2.4贮备系统2465.3可靠性预计2475.4可靠性指标分配2475.4.1可靠性指标分配原则2475.4.2可靠性指标流程2475.5可靠性评估2495.5.1可靠性评估的基本定义2495.5.2可靠性评估的工作及评估内容2505.5.3可靠性评估与可靠性验证的关系2505.5.4可靠性评估的意义2505.5.5单元可靠性评估2505.5.6系统可靠性评估2535.5.7典型阀门产品可靠性评估案例2555.5.8气瓶产品可靠性评估典型案例2575.5.9系统可靠性评估典型案例2585.6可靠性试验260参考文献263下篇组件第6章管路2676.1概述2676.2管路结构及附件2696.2.1大口径导管及附件结构2706.2.2小口径导管及附件结构2776.3管路材料介质相容性2796.3.1腐蚀性介质相容性2796.3.2氧相容性2816.3.3煤油相容性2816.3.4自然环境腐蚀性2826.4管路补偿2836.4.1补偿需求2836.4.2补偿方案2856.5管路热防护2926.5.1管路绝热2936.5.2管路防热2986.6管路应力分析与评定2996.6.1管路应力分析3006.6.2管路应力评定3036.7管路振动疲劳分析及评估3066.7.1应力疲劳寿命曲线3066.7.2疲劳损伤度理论和疲劳损伤度评估3086.7.3振动疲劳寿命分析3106.7.4结构振动疲劳损伤度等效关系3216.7.5基于结构固有频率中心频带的随机振动疲劳影响分析3246.8管路应变疲劳分析3266.8.1应变疲劳寿命理论3266.8.2应变疲劳寿命分析3286.9管路稳定性3296.9.1直管稳定性3296.9.2波纹管稳定性3336.10管路试验3376.10.1试验介质的选取3376.10.2试验控制点与测量点的布置3386.10.3试验载荷条件的加载340参考文献343第7章阀门3477.1概述3477.2阀门结构原理3487.2.1单向阀3487.2.2加排阀3527.2.3电磁阀3557.2.4手动开关3587.2.5破裂膜片3607.2.6电爆阀3637.2.7减压阀3667.2.8安全阀（安溢阀）3707.2.9过滤器3747.3阀门运动导向3757.3.1滑动导向结构失效影响因素3767.3.2滑动导向结构失效机理3767.3.3滑动导向结构失效的抑制措施3807.3.4悬浮导向结构3837.4阀门自激振动及稳定性3887.4.1阀门自激振动的产生机理3897.4.2单向阀线性稳定性仿真分析及试验验证3987.4.3安全阀非线性稳定性仿真分析及试验验证4067.4.4单向阀三维动态流场稳定性仿真分析4107.5阀门冲击、振动与疲劳4147.5.1结构冲击破坏4147.5.2结构振动疲劳4177.5.3敏感元件应变疲劳420参考文献424第8章气瓶4278.1概述4278.2金属材料气瓶4288.2.1结构与材料4288.2.2强度分析4338.2.3关键工艺4368.3复合材料气瓶4398.3.1结构与材料4398.3.2结构设计4428.3.3关键工艺4528.4试验与检测4588.4.1试验4588.4.2检测4588.5安装和减振464参考文献467第9章蓄压器4699.1概述4699.2结构形式4719.2.1金属膜盒式蓄压器4729.2.2注气式蓄压器4769.3金属膜盒柱失稳4809.4金属膜盒疲劳寿命4889.5注气式蓄压器防晃设计496参考文献502第10章密封结构50410.1概述50410.2结构形式50510.2.1端面密封结构50510.2.2圆周密封结构51310.2.3锥面密封结构51410.2.4阀芯与阀座密封结构51510.3预紧力设计51610.3.1法兰预紧力设计51610.3.2管接头预紧力设计51910.4漏率模型52110.4.1漏率52110.4.2泄漏流动形态52110.4.3其他漏率模型52310.4.4漏率转换52510.5漏率检测方法52710.5.1气泡法52710.5.2氦质谱法52810.5.3压力变化法534参考文献537第11章展望53911.1运载火箭技术发展趋势53911.2增压输送系统的发展趋势54011.3增压输送系统组件发展趋势54111.4增压输送系统试验技术发展趋势54211.5增压输送系统仿真技术发展趋势542参考文献544