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内容简介

在搜集国内外液体火箭和空天飞行器增压输送设计资料以及长期从事液体火箭推进系统设计、研究与研制经验的基础上，作者对所积累的资料进行了整理、研究与探讨，编写成《航空-航天飞行器推进增压输送系统设计》，以期成为飞行器增压输送系统设计、研究、研制方面的指南。本书可供有关研究院所的设计工程技术人员及高等院校相应专业师生参考。

内页插图

目录

第1章 绪论

第2章 火箭和航天飞行器推进系统
2.1火箭推进
2.2推进系统
2.3液体推进系统
2.4增压输送系统
2.4.1系统功能
2.4.2系统类型

第3章 航空航天飞行环境及其影响
3.1航空航天飞行器发展概况
3.1.1一次性使用的弹道导弹、运载火箭和航天器
3.1.2可重复使用航空航天飞行器
3.2航空航天飞行环境特性
3.2.1航空空域飞行
3.2.2航天空域飞行
3.2.3跨航空航天空域飞行
3.3航空航天飞行器液体推进剂管理新课题
3.3.1推进剂管理技术要求
3.3.2推进剂管理模式
3.3.3推进剂管理主要关键技术

第4章 液体火箭和航天器增压输送系统设计
4.1总体方案系统可行性论证
4.1.1初始数据
4.1.2输送管路直径选择计算
4.2系统方案设计
4.2.1主要设计参数
4.2.2系统形式选择
4.2.3系统方案计算
4.3系统初步设计
4.3.1系统初步设计计算
4.3.2增压控制系统
4.3.3系统部件
4.4系统技术设计与集成化
4.4.1设计计算
4.4.2热传递效应
4.4.3质量传递效应
4.4.4系统动力学
4.4.5系统主要报告与图纸文件

第5章 航空航天飞行器类型
5.1跨大气层试验飞行器X15
5.1.1计划与任务
5.1.2推进系统
5.2部分重复使用航空航天飞行器——航天飞机
5.2.1主要任务与用途
5.2.2总体结构与飞行轨道
5.2.3推进系统
5.2.4技术特点
5.3完全重复使用航空航天飞行器——X系列试验飞行器
5.3.1X33飞行器
5.3.2X34飞行器
5.3.3X37飞行器
5.3.4X37B飞行器
5.4高超声速跳跃航空航天飞行器——Demo方案飞行器
5.4.1飞行轨道
5.4.2Demo飞行器方案
5.5亚轨道载人航空航天飞行器——太空船系列
5.5.1亚轨道载人飞行发展前景
5.5.2太空船一号
5.5.3太空船二号

第6章 航空航天飞行器推进增压输送系统设计
6.1航空航天飞行器X34主推进系统
6.1.1系统设计和功能要求
6.1.2系统组成
6.1.3系统布局与流动原理
6.2推进系统
6.2.1增压输送系统
6.2.2姿态控制系统
6.2.3主发动机系统
6.3推进系统综合和测试
6.3.1安全/泄漏、功能试验
6.3.2流体装载和排放试验
6.3.3推进剂冷流试验
6.3.4静态热试车测试
6.4系统集成化
6.4.1安全与任务确保
6.4.2操作性
6.4.3系统分析

第7章 推进子系统评估分析与优化
7.1增压系统方案比较研究
7.1.1系统方案设计
7.1.2二次故障容错能力
7.1.3排气阀响应时间
7.1.4稳态流排气阀操作
7.1.5最终确定减压器系统设计方案
7.2增压系统瞬态分析
7.2.1设计要求
7.2.2分析评估
7.3气动和吹除系统分析
7.4氦气瓶充填分析
7.5输送/排放/排气系统方案分析
7.5.1推进剂箱布局与分隔舱化设计
7.5.2输送/排放系统初步方案
7.5.3液氧输送/排放系统布局修正
7.5.4煤油输送/排放系统布局修正
7.5.5分析分类研究
7.5.6推进剂箱排气/安全系统分析
7.5.7推进剂输送排放/排气系统最终设计布局
7.6输送系统流体动力分析
7.6.1投放过程推进剂箱气/液运动
7.6.2推进剂输送末期液面塌陷
7.7液氧排放系统出口节流圈
7.7.1节流圈性能仿真
7.7.2节流圈流量系数确定
7.7.3液氧排放系统仿真

第8章 主推进系统液体推进剂管理
8.1重力场与低重力状态下飞行推进剂综合管理设计
8.1.1设计特点
8.1.2结构形式
8.2液氧箱的预冷和加注分析
8.3液氧箱绝热和蒸发分析
8.4贮箱排气/泄压系统
8.4.1液氧排气系统性能
8.4.2煤油排气系统性能
8.5推进剂管理分析
8.5.1液氧管理分析
8.5.2飞行器投放煤油温度分析
8.6推进剂排放系统仿真
8.6.1液氧排放系统模型
8.6.2煤油排放系统模型
8.6.3瞬态排放仿真

第9章 推进系统组件
9.1推进系统组件设计特点
9.2主推进剂箱
9.3推进剂管理阀门
9.4加注、输送、排气和排放管路
9.5气动阀
9.6增压和气动系统
9.7气瓶
9.8电磁阀和自锁电磁阀
9.9温度传感器

第10章 低成本推进技术——FASTRAC发动机和推进系统测试平台
10.160 K Fastrac发动机
10.1.1发动机系统
10.1.2主喷注器
10.1.3燃烧室喷管
10.1.4涡轮泵组
10.1.5气体发生器
10.1.6点火系统
10.1.7推进剂分配
10.1.8气动系统
10.1.9仪器和控制系统
10.2推进系统测试平台
10.2.1设计原则
10.2.2设计要求
10.2.3测试内容
10.2.4测试平台组成

前言/序言

　　 半个多世纪以来，随着航天技术的迅速发展，人类开发宇宙空间的步伐已经从近地空间迈向宇宙深空。作为探索宇宙空间重要工具之一的液体火箭推进系统，已成为现代运载火箭、航天器、空间探测和星际航行最主要的推进装置，可以预见，在今后相当长的时间内，它仍将具有很强的生命力。

　　 近十多年来，应用于跨越洲际的航空与航天领域的液体推进剂飞行器(空天飞行器)也已异军突起，它能往返于天地间、完全可重复使用，在航空-航天军事侦察方面极具潜在价值。各主要航天国家正在积极研制与发展此类飞行器。可见，液体火箭推进系统不但在航天(空间)领域飞行器具有重要的地位，在跨越洲际的航空与航天领域的飞行器也具有独特的重要地位。

　　 航天与航空是两个飞行环境、空域特征完全不同的概念。航天是指在地球大气层以外的零重力(失重或低重力)状态下的宇宙深空环境条件下的飞行；而航空则是指在地球大气层内的地球重力与大气密度双重影响下的飞行。在大气层内，大气密度随着地球表面大气层的高度的增加而逐渐地降低，空气变得稀薄，以至于无；地球重力则随着距离地球表面的高度的增加而逐渐地减弱，以至趋于零。在此环境下，飞行器体内的液体推进剂，不仅受到地球重力变化的影响，还受到机体作用力的影响，因而反映出截然不同的特性。这就涉及飞行器火箭发动机的液体推进剂增压、连续输送的可能性与可靠性问题。如果解决方法不当，就会危及火箭发动机的正常工作，极大地影响航空-航天飞行器的可靠性。

　　 因此，作为空天飞行器，它从大气高层跨入空间，再从空间返回地球，其间所遭受到的飞行环境影响极其复杂，它的液体火箭推进系统必须同时适应航空空域和航天空域飞行。在此前提下，其增压输送系统必须具备相应的技术条件与保障措施，才能满足空天飞行要求。因而，空天飞行是一门特殊的新的技术领域，这就需要进行深入的理论探讨、分析、研究，并为之设计、制定可靠的技术方案与措施。

　　 从最广泛使用的液体火箭推进系统来看，它的主要组成为：推进剂贮存、推进剂加注、推进剂分配、剩余推进剂控制、推进剂晃动抑制、推进剂增压输送、推进剂管理、推进剂排放、推进剂纵向耦合振动(POGO)抑制和推力产生装置等系统。目前，它主要广泛应用在液体运载火箭和航天飞行器上。它们所涉及的理论和专业技术领域比较广。从专业技术范畴上讲，液体火箭推进系统实际上包含着火箭发动机和推进剂增压输送系统两大部分内容，而它们涉及的专业面也不尽相同。因此，在工程设计上，其跨度也比较大，涉及导弹、火箭总体设计中有关总体推进结构、构型、增压输送与火箭发动机等专业。在火箭设计研制中，火箭发动机和增压输送系统实际上也是分别独立地在不同单位或部门进行设计。通常，在制定火箭总体方案时，火箭发动机型号已经确定，而增压输送系统方案则必须与火箭总体方案设计同时开展工作，才能使火箭总体和增压输送系统与发动机密切配合，至善圆满地完成飞行器的推进任务。现在，增压输送系统已经成为火箭和飞行器设计、运载发射中使用的几大重要子系统之一。

　　 由于增压输送系统设计、研制所涉及的理论技术面比较广，系统十分复杂，因而是影响火箭和飞行器系统性能、安全和可靠性方面的重要课题，也是火箭、飞行器总体设计研制工作中常常碰到的实际问题。但是，有关这方面的理论研究、设计资料不仅较少而且零散，特别是对于新兴的空天两者兼容飞行方面的问题，目前尚缺乏系统的研究与论述。为此，作者在搜集国内外液体火箭和空天飞行器增压输送设计资料，以及长期从事液体火箭推进系统设计、研究与研制经验的基础上，对所积累的资料进行了整理、研究与探讨，编写成《航空-航天飞行器推进增压输送系统设计》一书，以期成为飞行器增压输送系统设计、研究、研制方面的指南。本书可供有关研究院所的工程设计技术人员及高等院校相应专业师生参考。由于编著水平有限，如有错误之处敬请批评指正。

　　 本书根据国内外的发展资料，比较全面地总结了液体火箭和航空航天飞行器增压输送系统设计、研制、试验等经验，内容丰富详实，为液体火箭助推器、上面级火箭和航天器的主推进系统、辅助推进系统与姿态控制系统的增压输送系统的设计提供了参考；更着力于系统地论述了跨空域的航空航天飞行器推进增压输送系统理论与设计。本书还介绍了国外推进增压输送系统的设计、研制、试验与经验实例。对从事液体火箭和航天器研究、设计、研制有较大的指导意义，为系统设计工作之指南。

　　 在编写过程中曾考虑过应用“空天飞行器”这个新名词。20世纪80年代，随着部分可重复使用航天飞机的出现，曾经掀起了“空天飞行器”的研究热潮，它以自身动力跨越航空-航天空域往返于天地间。但因关键技术太多，后来便沉静了下来。随后，以火箭发动机为推进力，借火箭助推或由载机(飞机)携带到大气上层发射(投放)的跨越航空-航天空域的重复使用飞行器异军突起，颇具发展前景，种类也多。前后两者不一样。因此，还是决定采用“航空-航天飞行器”组合词，范围广些。

　　 本书在编写、整理出版过程中，作者分别得到了装备技术研究学院原院长常显奇教授、国防科技大学研究生院王振国教授、中国航天科技集团公司第一研究院型号总师唐一华同志的支持，还得到了中国航天科技集团公司第八研究院第八〇五研究所领导、以及周涛、吴昊、乔洋、狄文斌、姚娜、洪刚、冯淑红、张亮、杨修东、李军、石玉鹏和吴辉等同志的帮助，在此一并致谢！

　　 作者

　　 2011年4月16日


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