温度计算模型将发动机的喷管、乏气管、涡轮壳体、泵壳体、进口管、排放管分别划为集总参数法的一个固体单元,假定每个固体单元的温度是均匀的。根据能量守恒定律,t时间内进入固体单元的总热流量等于各构件的内能变化率即Ein5j=MCpdT/dS(1)式中下标j表示第j个单元。发动机在一次关机到二次启动的滑行期间,没有燃料燃烧释放的热量,喷管和乏气管的换热主要考虑自身辐射和太阳辐射;涡轮、泵和进口管的换热主要考虑喷管辐射、太阳辐射、自身辐射、相互间的导热和环境的对流换热;排空管和排放管的换热主要考虑自身辐射、太阳辐射、管内对流换热和环境间的换热。
泵腔残余氧化剂排空计算模型滑行过程中,泵壳体温度随时间逐渐升高。试验表明,当滑行结束时,其温度可以上升到100e,而氧化剂液态N2O4的沸点低,常压下仅为2112e,一次关机时泵腔残余氧化剂的温度,一般低于其饱和温度3e.滑行期间,氧化剂因吸热升温,汽化膨胀升压,通过排空阀排空。排空阀是定压单向阀,当泵腔压力达到或高于排空阀打开压力p1时,排空阀自动打开,氧化剂以汽液两相混合物排放;由于排放,泵腔中压力降低,达到排空阀关闭压力p2时,排空阀关闭。
计算结果及比较对某液体火箭发动机泵系统各构件在滑行过程中的温度变化进行了计算。涡轮、泵及进口管的温度变化及其与试车数据比较,图中纵坐标为构件温度值,横坐标为时间。其中给出了滑行期间涡轮壳体温度变化及其计算结果与试车测量数据的比较;给出了滑行期间泵壳体温度变化及其计算结果与试车测量数据的比较;为滑行期间进口管壁温度变化。泵腔中残余氧化剂汽液比计算结果如,给出了残余氧化剂经定压单向阀排空过程的泵腔压力变化,表示了在整个滑行过程中泵腔的压力变化。
滑行过程中,涡轮壳体温度下降了444e,涡轮的热量通过导热和辐射等方式传递给泵壳及进口管;泵壳体温度升高了70e,滑行结束时达到98e,泵壳体的热量通过液体导热、对流和沸腾换热方式加热泵腔中的氧化剂;泵进口管温度从18e升高到78e.涡轮壳体和泵壳体温度计算结果与试车测量结果吻合良好,在试车时没有测量进口管的温度和泵腔氧化剂物态和汽液比例的数据。计算结果与试车数据之间的偏差是因为计算中忽略了一些次要因素、计算所得结果是各构件的平均值,而试车测量的是构件中局部点的值。计算结果表明,本文所建模型的计算结果与试车结果吻合良好,本文所建模型正确。滑行过程中,涡轮壳体温度明显降低,而泵壳体和进口管温度显著升高;滑行结束时泵腔中残余氧化剂含汽率B为1.由此可见,发动机二次启动前必须对其泵系统进行冷却和排除泵腔气态氧化剂,比如实施二次启动前的主动排放。