總序

中國航天事業(yè)創(chuàng)建60年來，走出了一條具有中國特色的發(fā)展之路，實現(xiàn)了空間技術(shù)、空間應(yīng)用和空間科學(xué)三大領(lǐng)域的快速發(fā)展，取得了“兩彈一星”、載人航天、月球探測、北斗導(dǎo)航、高分辨率對地觀測等輝煌成就。航天科技工業(yè)作為我國科技創(chuàng)新的代表，是我國綜合實力特別是高科技發(fā)展實力的集中體現(xiàn)，在我國經(jīng)濟建設(shè)和社會發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。

作為我國航天科技工業(yè)發(fā)展的主導(dǎo)力量，中國航天科技集團公司不僅在航天工程研制方面取得了輝煌成就，也在航天技術(shù)研究方面取得了巨大進(jìn)展，對推進(jìn)我國由航天大國向航天強國邁進(jìn)起到了積極作用。在中國航天事業(yè)創(chuàng)建60周年之際，為了全面展示航天技術(shù)研究成果，系統(tǒng)梳理航天技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)，迎接新形勢下在理論、技術(shù)和工程方面的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，中國航天科技集團公司組織技術(shù)專家，編寫了《中國航天技術(shù)進(jìn)展叢書》。

這套叢書是完整概括中國航天技術(shù)進(jìn)展、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的精品書系，全面覆蓋中國航天科技工業(yè)體系所涉及的主體專業(yè)，包括總體技術(shù)、推進(jìn)技術(shù)、導(dǎo)航制導(dǎo)與控制技術(shù)、計算機技術(shù)、電子與通信技術(shù)、遙感技術(shù)、材料與制造技術(shù)、環(huán)境工程、測試技術(shù)、空氣動力學(xué)、航天醫(yī)學(xué)以及其他航天技術(shù)。叢書具有以下作用：總結(jié)航天技術(shù)成果，形成具有系統(tǒng)性、創(chuàng)新性、前瞻性的航天技術(shù)文獻(xiàn)體系；優(yōu)化航天技術(shù)架構(gòu)，強化航天學(xué)科融合，促進(jìn)航天學(xué)術(shù)交流；引領(lǐng)航天技術(shù)發(fā)展，為航天型號工程提供技術(shù)支撐。

雄關(guān)漫道真如鐵，而今邁步從頭越�！笆�三五”期間，中國航天事業(yè)迎來了更多的發(fā)展機遇。這套切合航天工程需求、覆蓋關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域的叢書，是中國航天人對航天技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)的總結(jié)提煉，對學(xué)科前沿發(fā)展趨勢的探索思考，體現(xiàn)了中國航天人不忘初心、不斷前行的執(zhí)著追求。期望廣大航天科技人員積極參與叢書編寫、切實推進(jìn)叢書應(yīng)用，使之在中國航天事業(yè)發(fā)展中發(fā)揮應(yīng)有的作用。

2016年12月序一

習(xí)近平總書記指出：“探索浩瀚宇宙，發(fā)展航天事業(yè)，建設(shè)航天強國，是我們不懈追求的航天夢�！边\載火箭可以說是托起航天夢的基礎(chǔ)，經(jīng)過幾代人50余年的努力，長征系列液體運載火箭家族不斷發(fā)展壯大，技術(shù)不斷創(chuàng)新發(fā)展，為我國航天事業(yè)的進(jìn)步做出了重要貢獻(xiàn)。本書的作者們都是中青年科技工作者，他們承上啟下，既傳承了老一輩增壓輸送系統(tǒng)工作者們的智慧和經(jīng)驗，也對很多理論與產(chǎn)品進(jìn)行了探索和創(chuàng)新。

增壓輸送系統(tǒng)是運載火箭推進(jìn)系統(tǒng)的組成部分，承擔(dān)的功能貫穿了運載火箭發(fā)射和飛行過程，在任何一個環(huán)節(jié)發(fā)生故障，都可能產(chǎn)生嚴(yán)重影響，造成火箭發(fā)射推遲甚至任務(wù)失敗。在世界航天史上，由于增壓輸送系統(tǒng)問題造成飛行故障的情況屢見不鮮。部分問題的發(fā)生與對系統(tǒng)的認(rèn)識和理解不夠清楚有關(guān)，因此，明確的系統(tǒng)概念、清晰的系統(tǒng)功能劃分，對理解增壓輸送系統(tǒng)和做好系統(tǒng)研制工作具有重要意義。本書在總結(jié)前人工作的基礎(chǔ)上，對增壓輸送系統(tǒng)的定義和內(nèi)涵進(jìn)行了新的闡述，即增壓輸送系統(tǒng)是實現(xiàn)箭上推進(jìn)劑供給功能的系統(tǒng)，包含增壓系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)和貯存系統(tǒng)。

要把這樣一本書寫好并非易事，主要在于增壓輸送系統(tǒng)包含的學(xué)科專業(yè)較多，科學(xué)問題和工程實踐交織，既有低溫推進(jìn)劑流動相變和結(jié)構(gòu)隨機振動疲勞等復(fù)雜艱深的基礎(chǔ)科學(xué)問題，又有系統(tǒng)、管路、閥門、氣瓶等產(chǎn)品研制的具體工程實踐。本書分為上、下兩篇。上篇對增壓系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)、貯存系統(tǒng)和可靠性度量四方面進(jìn)行了詳細(xì)論述。通過在增壓輸送系統(tǒng)工程設(shè)計中合理引入相關(guān)理論，使讀者能夠很好地理解和掌握增壓輸送系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識；通過對增壓輸送系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù)的專題探討，對當(dāng)前增壓輸送系統(tǒng)設(shè)計所面臨的難題和現(xiàn)有的解決方法進(jìn)行了闡述。下篇對管路、閥門、氣瓶、蓄壓器和密封結(jié)構(gòu)等組件進(jìn)行了詳細(xì)介紹。從增壓輸送系統(tǒng)組件設(shè)計和使用過程中的常見問題和難點出發(fā)，對組件的應(yīng)力應(yīng)變疲勞、沖擊振動破壞、運動導(dǎo)向、自激振動、穩(wěn)定性、無損檢測、安裝和減振等內(nèi)容進(jìn)行了專題論述。全書內(nèi)容重點突出，專業(yè)性強，飽含了作者豐富的研制經(jīng)驗，凸顯了作者在增壓輸送系統(tǒng)領(lǐng)域的積累，一定會對讀者有所啟發(fā)。

薪火相傳、歷久彌新。當(dāng)前世界正處于百年未有之大變局，我國也正處于“十三五”結(jié)束、“十四五”開端的關(guān)鍵時刻。本書的出版承載著作者團隊多年來孜孜探索的專業(yè)成果，希望能夠幫助和激勵更多的航天工程師，承前啟后，再接再厲，進(jìn)一步提升增壓輸送系統(tǒng)專業(yè)技術(shù)水平，為我國運載火箭技術(shù)的發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。

序二

序二

浩瀚宇宙充滿無盡的未知和挑戰(zhàn)，人類對于太空的渴望促進(jìn)航天技術(shù)不斷地發(fā)展和完善。從發(fā)射第一顆人造地球衛(wèi)星“東方紅一號”起，到新世紀(jì)先后完成載人航天、月球探測和建立“北斗”全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，中國運載火箭支撐了國家航天戰(zhàn)略的發(fā)展。當(dāng)前，我國新一代液體運載火箭已陸續(xù)服役，可以預(yù)見在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，液體動力火箭仍將以其性能上的優(yōu)勢，繼續(xù)作為進(jìn)入太空的主要運載工具。

增壓輸送系統(tǒng)作為液體火箭的重要系統(tǒng)，承擔(dān)一系列氣體、液體的貯存、輸送和增壓功能。它系統(tǒng)功能復(fù)雜，產(chǎn)品種類多樣，涵蓋了火箭從零件生產(chǎn)到總裝，從加注到飛行的整個生命周期。其功能正常與否，與每一發(fā)火箭任務(wù)的成敗休戚相關(guān)。經(jīng)過一代代工程師的不懈努力，一個又一個的科學(xué)和工程問題得到解決，增壓輸送系統(tǒng)的可靠性逐步提升，為上述重大工程任務(wù)的成功提供了有力支持。

增壓輸送系統(tǒng)的發(fā)展與推進(jìn)劑種類的選擇和運載火箭的規(guī)模息息相關(guān)。首先，為適應(yīng)推進(jìn)劑從常溫的酒精、煤油、四氧化二氮和偏二甲肼轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏氐囊簹�、液氧，增壓輸送系統(tǒng)研究了絕熱、氣封、預(yù)冷等技術(shù)，以消除低溫給加注、停放和輸送等過程帶來的影響。其次，為保證不同種類推進(jìn)劑可靠、高效地從貯箱輸送給發(fā)動機，增壓輸送系統(tǒng)從用氮氣為貯箱增壓開始，發(fā)展出用推進(jìn)劑蒸氣或燃?xì)鉃橘A箱增壓、用常溫或低溫貯存的氦氣為貯箱增壓等增壓方式，以適應(yīng)不同火箭的特點。再次，隨著運載火箭規(guī)模的增大，增壓輸送系統(tǒng)產(chǎn)品從幾十毫米的小口徑、小規(guī)模發(fā)展到數(shù)百毫米的大口徑、大規(guī)模，系統(tǒng)和產(chǎn)品的性能和效率越來越高。

本書從增壓輸送系統(tǒng)功能需求出發(fā)，圍繞系統(tǒng)工程實現(xiàn)這一主線，汲取國內(nèi)外設(shè)計應(yīng)用經(jīng)驗，從系統(tǒng)和組件的理論、設(shè)計到驗證均進(jìn)行了很好的總結(jié)和提煉。本書不僅體現(xiàn)了增壓輸送系統(tǒng)的全局性和系統(tǒng)性，還體現(xiàn)出實踐性強、理論與工程結(jié)合緊密的特點。與同類書籍相比，對深低溫增壓輸送系統(tǒng)及其組件進(jìn)行了較為深入的論述。

全書體系完備、結(jié)構(gòu)清晰、內(nèi)容翔實，凝聚了我國液體運載火箭增壓輸送系統(tǒng)幾十年的研制成果，是集體智慧和心血的結(jié)晶，具有較高的學(xué)術(shù)水平。不僅能對我國液體運載火箭工程師和相關(guān)技術(shù)人員提供有意義的指導(dǎo)和幫助，書中分析和解決相關(guān)問題的方法也能對相關(guān)專業(yè)的高校師生提供借鑒和參考。

前言

推進(jìn)系統(tǒng)是運載火箭的重要系統(tǒng)，為運載火箭提供推力。液體運載火箭推進(jìn)系統(tǒng)一般由發(fā)動機和增壓輸送系統(tǒng)構(gòu)成。目前介紹運載火箭發(fā)動機原理、設(shè)計、試驗的書籍、文獻(xiàn)較為豐富，而介紹增壓輸送系統(tǒng)的相對較少。北京宇航系統(tǒng)工程研究所作為我國主要的運載火箭總體研制單位，50余年來研制的各型運載火箭為中國航天事業(yè)的發(fā)展做出了卓越貢獻(xiàn)，同時增壓輸送系統(tǒng)專業(yè)也同步發(fā)展，經(jīng)過幾代人多年的努力，積累了很多寶貴的經(jīng)驗。通過本書的編寫，對相關(guān)知識進(jìn)行總結(jié)和提煉，可為后續(xù)增壓輸送系統(tǒng)研制和專業(yè)發(fā)展提供幫助。同時，也想通過本書的編寫進(jìn)一步加強航天知識的普及與應(yīng)用，為相關(guān)從業(yè)者和高校師生提供借鑒和參考。

在推進(jìn)系統(tǒng)中，發(fā)動機燃燒推進(jìn)劑為運載火箭提供推力，增壓輸送系統(tǒng)則負(fù)責(zé)給發(fā)動機提供推進(jìn)劑。在本書中，對推進(jìn)劑加注、貯箱排氣、氣封吹除、預(yù)冷、增壓、輸送、消漩防塌、水擊、間歇泉抑制、POGO抑制、微重力推進(jìn)劑管理等增壓輸送系統(tǒng)各功能進(jìn)行了梳理，歸納為增壓、輸送和貯存三個系統(tǒng)。其中，增壓系統(tǒng)為推進(jìn)劑貯箱提供增壓氣體，并控制貯箱氣枕壓力，起到保護(hù)貯箱和抑制推進(jìn)劑汽化的作用；輸送系統(tǒng)是將推進(jìn)劑按要求的溫度、壓力和流量從貯箱輸送到發(fā)動機的系統(tǒng)；貯存系統(tǒng)是實現(xiàn)推進(jìn)劑加泄、存放功能的系統(tǒng)，包括為此服務(wù)的貯箱排氣、氣封吹除、微重力推進(jìn)劑管理等功能。

增壓輸送系統(tǒng)在系統(tǒng)實現(xiàn)過程中，第一，需要依據(jù)總體要求，開展系統(tǒng)功能需求分析，完成包含增壓計算、出流分析、推進(jìn)劑管理等內(nèi)容的增壓、輸送和貯存系統(tǒng)設(shè)計、分析和試驗；第二，要完成貯箱、閥門、管路、蓄壓器、氣瓶、密封等各種組件的設(shè)計、分析和試驗；第三，要完成各組件產(chǎn)品在運載火箭上的總裝設(shè)計、分析和試驗工作；第四，可靠性工作要貫穿始終。為掌握相關(guān)設(shè)計方法，需要開展貯箱內(nèi)氣液固傳熱、不同過載條件下推進(jìn)劑的流動特性、推進(jìn)劑和結(jié)構(gòu)耦合振動、振動條件下的結(jié)構(gòu)疲勞、導(dǎo)向結(jié)構(gòu)破壞機理等基礎(chǔ)理論研究工作。本書在介紹系統(tǒng)和組件構(gòu)成的基礎(chǔ)上，著重介紹工程實踐過程中涉及的理論和方法。

全書除第1章緒論和第11章展望外，分為系統(tǒng)和組件兩篇。章標(biāo)題以系統(tǒng)和組件名稱劃分，涉及的試驗和仿真內(nèi)容放在相關(guān)章節(jié)中。

上篇“系統(tǒng)”以系統(tǒng)設(shè)計為主，包含增壓系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)、貯存系統(tǒng)和可靠性內(nèi)容，共4章。第2章為增壓系統(tǒng)，介紹了增壓方式、增壓換熱數(shù)學(xué)模型、增壓流量控制、增壓氣體消能，對增壓系統(tǒng)的性能仿真和試驗也進(jìn)行了討論。第3章為輸送系統(tǒng)，以推進(jìn)劑輸送為主線，對輸送系統(tǒng)布局方案、貯箱出流、POGO抑制、水擊、發(fā)動機預(yù)冷、推進(jìn)劑剩余控制、間歇泉抑制、分叉流壓

力跳變抑制等問題進(jìn)行分析。 第4章為貯存系統(tǒng)，主要介紹了推進(jìn)劑加泄、貯箱排氣保險、氣封吹除、低溫推進(jìn)劑貯存管理和微重力推進(jìn)劑管理等內(nèi)容。第5章為增壓輸送系統(tǒng)可靠性度量，從可靠性模型、可靠性預(yù)計、可靠性指標(biāo)分配、可靠性評估、可靠性試驗五個方面對增壓輸送系統(tǒng)可靠性工作進(jìn)行了闡述。

下篇“組件”以增壓輸送系統(tǒng)常用組件為主，包括管路、閥門、氣瓶、蓄壓器和密封結(jié)構(gòu)等內(nèi)容。第6章為管路，包括管路結(jié)構(gòu)及附件、管路材料介質(zhì)相容性、管路補償、管路熱防護(hù)、管路應(yīng)力分析與評定、管路振動疲勞分析及評估、管路應(yīng)變疲勞分析、管路穩(wěn)定性、管路試驗等內(nèi)容。第7章為閥門，講述了閥門結(jié)構(gòu)原理，同時對閥門的運動導(dǎo)向，自激振動及穩(wěn)定性，沖擊、振動與疲勞進(jìn)行了論述。第8章為氣瓶，對金屬材料氣瓶、復(fù)合材料氣瓶、試驗與檢測、安裝和減振進(jìn)行了論述。第9章為蓄壓器，主要對蓄壓器結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行介紹，對金屬膜盒柱失穩(wěn)、金屬膜盒疲勞壽命、注氣式蓄壓器防晃設(shè)計進(jìn)行了專題分析。第10章為密封結(jié)構(gòu)，主要對結(jié)構(gòu)形式、預(yù)緊力設(shè)計、漏率模型及檢測方法進(jìn)行了介紹。

大型液體火箭推進(jìn)劑貯箱除了承擔(dān)推進(jìn)劑貯存功能外，還是傳遞載荷的主要結(jié)構(gòu)之一。在國內(nèi)現(xiàn)有運載火箭設(shè)計分工上，貯箱由結(jié)構(gòu)專業(yè)設(shè)計完成。增壓輸送系統(tǒng)用傳感器主要包括壓力、溫度、脈動壓力、流量、位置傳感器，它們從功能上屬于增壓輸送系統(tǒng)，在實際工作中，箭上傳感器由測量系統(tǒng)負(fù)責(zé)研制和齊套。本書不再論述這兩部分內(nèi)容，詳細(xì)內(nèi)容可參考相關(guān)文獻(xiàn)。消能器、消漩防塌裝置、引射器等組件的結(jié)構(gòu)相對簡單，下篇也不再對其進(jìn)行詳細(xì)介紹。

本書得到龍樂豪院士、劉竹生院士、厲彥忠教授、李來風(fēng)教授、梁國柱教授、常永恒研究員、張成文研究員、張福忠研究員、張善群研究員和黃兵研究員的審閱和指導(dǎo)，在此表示由衷的感謝。在編著過程中，北京宇航系統(tǒng)工程研究所的王道連、修建生、丁建春、張立強、馬飛、賀啟林、李文釗、劉敏、張志廣、王洪銳、岳兵、趙濤、吳云峰、武園浩、楊燕、霍毅、崔景芝、李娟娟、史剛、梁景媛、趙春宇、耿屹、岳婷、李敏行、張宇、滿滿、王叢飛、方紅榮、葉超等提供了大力協(xié)助，在此一并致謝。

本書的編著人員均為航天一線的工程技術(shù)人員，受水平所限，書中難免有錯誤和不足之處，望廣大讀者批評指正。

編著者