题目：长期在轨液氢推进剂热环境及蒸发量控制研究

以液氢为代表的低温推进剂通常具有能量高、比冲大、无污染等优点，是未来载人月球和火星探测的理想燃料。然而，由于沸点较低，往往在较小的漏热也能造成低温推进剂的大量蒸发，并且氢分子较小，比较容易发生泄漏。所以，有效存储液氢推进剂要求很高。对于在轨的贮箱，太空中特有的高真空、微重力、高辐射条件进一步增加了其存储的复杂性，所以不能照搬地面状态下的分析方法。未来载人火星任务需要将液氢等存储数月甚至一年的时间，在这段时间里需要解决好推进剂压力控制、位置控制、主动制冷等问题，这大大增加了工程难度。在轨受热条件很大程度的影响了贮箱内部的压增快慢，所以本文首先对于在轨热环境进行了调研，并根据航天工程中普遍采用的多层隔热材料对贮箱的在轨辐射传热了进行了计算。在贮箱的设计过程中，运用计算流体力学（CFD）方法进行辅助设计可以大大减少工作量和设计成本，这也是目前被广泛采用的方法。本文针对在轨贮箱建立了推进剂相变模型、真实气体模型并运用CFD的方法对于NASA上世纪的在轨实验数据进行了验算，发现得到的压力、温度变化曲线与实验值符合得较好。基于此，作者进一步建立了适用于长期在轨贮箱热力计算的CFD模型，并通过不同的算例对长期在轨液氢推进剂的热环境进行了分析，得到的计算结果包括推进剂两相分布的变化规律以及不同气-液位置下的贮箱压增曲线。最后，想要长期有效地存储液氢仅靠热防护措施是不够的，通常还要有一套完整的压力、温度控制系统。本文通过广泛文献调研，并结合之前的计算和分析结果，提出了一个完整的在轨贮箱蒸发量控制系统方案。本文针对长期在轨贮箱所涉及问题做了系统的研究，这在国内来说尚属首次。我国在长期在轨低温推进存储方面的研究应该说仍处于初级阶段，还没有进行过相关科学实验，本文运用的分析计算方法和提出的设计方案可供人们参考。