低温推进剂长期在轨储存技术研究概述
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满 足运 载火箭 发射 段短 时 间使用 ，而 且要 适 应未 来 长 时 间在轨任 务 的需求 ＿ ｌ ＿ 。但是 低 温推进 剂沸 点低 ， 空 间环 境 中恶劣 的热环 境会 引起 低温 推进 剂 的大 量 蒸 发 ，这样 就不 得不涉 及 到低温 推进 剂 的长期 在 轨
影响很大 ， 从而使得贮箱卸 阀的位置设计 困难 ，
微重 力条 件下 气液 界面 为 曲面 ，瞬态 加 速后 气液 混 合长 时 间不会 消 除 ，在 空 间实现 排气 而 不排 液 的贮 箱压 力控制 变得 非常 困难 。 （ ） 杂空 间热环 境 ２复 飞行 器在 空 间会 受 到太 阳辐 射 、 星 红外 辐 射 、 行
储存技术 ， 通过对贮箱进行绝热 、 防辐射措施 、 有效
美 国航 天员 重返 月球 ，低 温推进 剂 长期在 轨 储存 技
要适应 。地面基储存系统需要考虑地面热环境和发
射 环境 的影 响 ，要考 虑 能够 承受发 射 较 大加 速度 力 学 环境 载荷 ；而空 间基储 存 系统要 考 虑空 间 恶劣 环
境 的影 响 。
术更是被提上 日 ， 程 低温流体管理项 目（ Ｆ 主要 Ｃ Ｍ）
低温液体长期储存技术地面上 已经相对成熟 ，
但是空间微重力 、 复杂外热流 、 各种辐射和粒子的环 境条件 ， 以及低功耗 、 重量轻的严格要求 ， 使得低温 推进剂的长期在轨储存具有极大的技术挑战性 ， 面
临的主要 技术 难点包 括 ：
收稿 日期 ： １－ ９ ３ ； ２ １ ０— ０ 修回 日 ：０ １ ｌ— ４ ０ 期 ２ １－ １２
致 力 于 低 温 流 体 储 存 系统 、低 重 力 推 进 剂 管 理 系 统 ，以及 低 温 流体 转 移及 处 理 技 术等 方 面 的研 究 。
所涉及的具体技术有 ：微重力下 的质量 流量计 技 术 、 合泵技术 、 ｝ 昆 液体 获取装置（ Ａ ） Ｌ Ｄ 技术 、 热力学
排气 系 统 （Ｖ ） Ｔ Ｓ 以及 低 温制 冷机 等 。Ｃ Ｍ 技 术 的发 Ｆ
的热交换 和合 理 的压力 控制 ，将 蒸发 量控 制 在一 定
行星反照辐射 、 黑背景等空间热环境 的影响。 直接暴 露在太阳辐射之下 ，使得推进剂贮箱正对太 阳面以
及背 对太 阳面 所接 受 的太 阳辐射 强度 差别 大 ，极 易 造成 贮箱 内低 温推 进剂 的温 度不 均匀 ｆ 不利 于低 温 ５ ｌ ，
摘 要 低 温推进 剂 长期在轨 储存技 术是 我 国后 续 深空探 测的 支撑性 关键 技 术之一 。分
析 了低 温推 进 剂在 轨储 存 的技 术难 点 ，阐述 了国外在 该项技 术 上的发展 概 况及 长、短期 路 线
图，着重对该项技术 中所涉及到的众多单项技术的技术特点和研究概况进行分类说 明，最后
推进 剂 的长期储存 。 （） ３ 热分 层 现象
的范围。下面着重对低温推进剂长期在轨储存技术
的难 点 、 国外研 究 路线 图和研 究进 展进 行 阐述 ， 并通
过 对单 项技术 合 理组合 ，提 出不 同的低 温推 进剂 长 期 在轨储存 系 统方案 。
２低温推进剂长期在轨储存的技术难点
１前 言
随着 深空 探测 任务 ，特别 是 未来 载人 探 月计 划
（ ） 力环 境下 气液位 置不 确定 １微重 空 间微 重 力条件 下贮 箱 内气 液存 在状 态 和位 置 不确 定 ， 加 速度 水 平 、 箱 尺 寸 、 态 过 程 等 因素 受 贮 瞬
的开展 ， 低温推进剂 （ 如液氢 、 液氧 、 甲烷等 ） 不但要
（ ） 间基 与地面基 ４空
已经在 低温 推进 剂长期 在 轨储存 方 面积 累 了大量 宝 贵 的经验 以及技 术数 据 。
现 有 的航天 器是 由地 面发 射 升空 ，则 相 应 的低 温推进 剂储 存 系统 对地 面基 和空 间基 环境 的影 响都
２０ 年 Ｎ Ｓ ０４ Ａ Ａ提 出实施星座计划 ，０ ０ ２ ２ 年实现
对 国外低 温推进 剂在轨储 存 验证试 验项 目的 策划 工作 进行介 绍 。本 文对 国 内低 温推 进 剂长期
在轨储存技术的起 步研究和未来规划提供有利的参考。
关键 词 低 温推进 剂 ；长期在 轨储存 ；深空探 测
中图分类 号 ：Ｖ １ 文献 标识 码 ：Ａ 文章编 号 ：１ ７ — ８ ５ （０ ２ ｌ ０ ３ — ７ ５ １ ６ ４ ５ ２ ２ Ｎｏ １１ ．１
３ ０
载
人 航 天
第 １卷 ８
第ｌ 期
Ｍａ ｎ ｄ Ｓ ａ ｅ ｉｈ ｎ ｅ ｐ ｃ ｆｇ ｔ ｌ
２１ ０ ２年 １ 月
低温推进剂长期在轨储存技术研究概述
李 鹏 ，孙培杰 ，包轶颖 ，姚秋 萍
（ 海 宇航 系统 工程研 究所 ， 上 上海 ２ １０ ） ０ １８
作者简介 ： 李鹏（９ ７ ）男 ， １７ 一 ， 博士， 高工 ， 主要从事航 天器热环境分析和热控设计工作。Ｅ ， ｉ ｂｉ ｍ ７ ｏｍａ ． ｒ －ｎ ｌ ｒ ｕ ７ ＠ｈｔ ｉｃｎ ａ： ｓ ｌｏ
第１ 期
李鹏 等 ： 低温推进剂长期在轨储存技术研究概述
３ １
直接影响低温推进剂的蒸发 ， 使得贮箱压力升高。
低温 推进 剂贮箱 内的热分 层 来 自两部 分 。一 是
在地面停放阶段和上升段 ，由于整流罩内气体对流 加热和气动加热等原因， 自然对流的作用下 ， 在 贮箱 近壁面 区域的热流体沿壁面 向上运动形成热分层 。
二 是空 间飞行 阶段 ， 重 力 下 ， 流显 著 减 弱 ， 均 微 对 非 匀热 源 、 瞬态 能够产 生严重 的热 分层 。 分层 现象 热 热
展 将 有 利 于 发 展 未 来 演 化 的火 箭 上 面 级 、 Ｄ 、 １ Ｅ ＳＡ一
（） ５ 储存使命周期影响『
空 间低 温 推进 剂 储 存 系统 的使 命 周 期 从 几 小 时、 几天 到几个 月甚 至几 年 对数 天 的短期使 命可 能 不需 要 排气 ，用 良好 的被 动热 防护 和 消除 热分 层混
影响很大 ， 从而使得贮箱卸 阀的位置设计 困难 ，
微重 力条 件下 气液 界面 为 曲面 ，瞬态 加 速后 气液 混 合长 时 间不会 消 除 ，在 空 间实现 排气 而 不排 液 的贮 箱压 力控制 变得 非常 困难 。 （ ） 杂空 间热环 境 ２复 飞行 器在 空 间会 受 到太 阳辐 射 、 星 红外 辐 射 、 行
储存技术 ， 通过对贮箱进行绝热 、 防辐射措施 、 有效
美 国航 天员 重返 月球 ，低 温推进 剂 长期在 轨 储存 技
要适应 。地面基储存系统需要考虑地面热环境和发
射 环境 的影 响 ，要考 虑 能够 承受发 射 较 大加 速度 力 学 环境 载荷 ；而空 间基储 存 系统要 考 虑空 间 恶劣 环
境 的影 响 。
术更是被提上 日 ， 程 低温流体管理项 目（ Ｆ 主要 Ｃ Ｍ）
低温液体长期储存技术地面上 已经相对成熟 ，
但是空间微重力 、 复杂外热流 、 各种辐射和粒子的环 境条件 ， 以及低功耗 、 重量轻的严格要求 ， 使得低温 推进剂的长期在轨储存具有极大的技术挑战性 ， 面
临的主要 技术 难点包 括 ：
收稿 日期 ： １－ ９ ３ ； ２ １ ０— ０ 修回 日 ：０ １ ｌ— ４ ０ 期 ２ １－ １２
致 力 于 低 温 流 体 储 存 系统 、低 重 力 推 进 剂 管 理 系 统 ，以及 低 温 流体 转 移及 处 理 技 术等 方 面 的研 究 。
所涉及的具体技术有 ：微重力下 的质量 流量计 技 术 、 合泵技术 、 ｝ 昆 液体 获取装置（ Ａ ） Ｌ Ｄ 技术 、 热力学
排气 系 统 （Ｖ ） Ｔ Ｓ 以及 低 温制 冷机 等 。Ｃ Ｍ 技 术 的发 Ｆ
的热交换 和合 理 的压力 控制 ，将 蒸发 量控 制 在一 定
行星反照辐射 、 黑背景等空间热环境 的影响。 直接暴 露在太阳辐射之下 ，使得推进剂贮箱正对太 阳面以
及背 对太 阳面 所接 受 的太 阳辐射 强度 差别 大 ，极 易 造成 贮箱 内低 温推 进剂 的温 度不 均匀 ｆ 不利 于低 温 ５ ｌ ，
摘 要 低 温推进 剂 长期在轨 储存技 术是 我 国后 续 深空探 测的 支撑性 关键 技 术之一 。分
析 了低 温推 进 剂在 轨储 存 的技 术难 点 ，阐述 了国外在 该项技 术 上的发展 概 况及 长、短期 路 线
图，着重对该项技术 中所涉及到的众多单项技术的技术特点和研究概况进行分类说 明，最后
推进 剂 的长期储存 。 （） ３ 热分 层 现象
的范围。下面着重对低温推进剂长期在轨储存技术
的难 点 、 国外研 究 路线 图和研 究进 展进 行 阐述 ， 并通
过 对单 项技术 合 理组合 ，提 出不 同的低 温推 进剂 长 期 在轨储存 系 统方案 。
２低温推进剂长期在轨储存的技术难点
１前 言
随着 深空 探测 任务 ，特别 是 未来 载人 探 月计 划
（ ） 力环 境下 气液位 置不 确定 １微重 空 间微 重 力条件 下贮 箱 内气 液存 在状 态 和位 置 不确 定 ， 加 速度 水 平 、 箱 尺 寸 、 态 过 程 等 因素 受 贮 瞬
的开展 ， 低温推进剂 （ 如液氢 、 液氧 、 甲烷等 ） 不但要
（ ） 间基 与地面基 ４空
已经在 低温 推进 剂长期 在 轨储存 方 面积 累 了大量 宝 贵 的经验 以及技 术数 据 。
现 有 的航天 器是 由地 面发 射 升空 ，则 相 应 的低 温推进 剂储 存 系统 对地 面基 和空 间基 环境 的影 响都
２０ 年 Ｎ Ｓ ０４ Ａ Ａ提 出实施星座计划 ，０ ０ ２ ２ 年实现
对 国外低 温推进 剂在轨储 存 验证试 验项 目的 策划 工作 进行介 绍 。本 文对 国 内低 温推 进 剂长期
在轨储存技术的起 步研究和未来规划提供有利的参考。
关键 词 低 温推进 剂 ；长期在 轨储存 ；深空探 测
中图分类 号 ：Ｖ １ 文献 标识 码 ：Ａ 文章编 号 ：１ ７ — ８ ５ （０ ２ ｌ ０ ３ — ７ ５ １ ６ ４ ５ ２ ２ Ｎｏ １１ ．１
３ ０
载
人 航 天
第 １卷 ８
第ｌ 期
Ｍａ ｎ ｄ Ｓ ａ ｅ ｉｈ ｎ ｅ ｐ ｃ ｆｇ ｔ ｌ
２１ ０ ２年 １ 月
低温推进剂长期在轨储存技术研究概述
李 鹏 ，孙培杰 ，包轶颖 ，姚秋 萍
（ 海 宇航 系统 工程研 究所 ， 上 上海 ２ １０ ） ０ １８
作者简介 ： 李鹏（９ ７ ）男 ， １７ 一 ， 博士， 高工 ， 主要从事航 天器热环境分析和热控设计工作。Ｅ ， ｉ ｂｉ ｍ ７ ｏｍａ ． ｒ －ｎ ｌ ｒ ｕ ７ ＠ｈｔ ｉｃｎ ａ： ｓ ｌｏ
第１ 期
李鹏 等 ： 低温推进剂长期在轨储存技术研究概述
３ １
直接影响低温推进剂的蒸发 ， 使得贮箱压力升高。
低温 推进 剂贮箱 内的热分 层 来 自两部 分 。一 是
在地面停放阶段和上升段 ，由于整流罩内气体对流 加热和气动加热等原因， 自然对流的作用下 ， 在 贮箱 近壁面 区域的热流体沿壁面 向上运动形成热分层 。
二 是空 间飞行 阶段 ， 重 力 下 ， 流显 著 减 弱 ， 均 微 对 非 匀热 源 、 瞬态 能够产 生严重 的热 分层 。 分层 现象 热 热
展 将 有 利 于 发 展 未 来 演 化 的火 箭 上 面 级 、 Ｄ 、 １ Ｅ ＳＡ一
（） ５ 储存使命周期影响『
空 间低 温 推进 剂 储 存 系统 的使 命 周 期 从 几 小 时、 几天 到几个 月甚 至几 年 对数 天 的短期使 命可 能 不需 要 排气 ，用 良好 的被 动热 防护 和 消除 热分 层混