GB-T 32295-2026《运载火箭剩余推进剂排放设计要求》

1运载火箭剩余推进剂排放设计要求1范围本文件规定了飞行中运载火箭末级剩余推进剂排放的一般设计要求、详细设计要求和飞行试验结本文件适用于液体运载火箭入轨子级(含末级、上面级等)剩余液体推进剂排放设计。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于GB/T34513空间碎片减缓要求3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。剩余推进剂排放residualpropellantventing运载火箭末级完成既定任务后，安全释放其自身贮箱和管路内剩余推进剂的过程。剩余推进剂排放系统residualpropellantventingsystem运载火箭末级完成既定任务后，用于实施其自身贮箱和管路内剩余推进剂排放的系统。发动机额定工况engineratedcondition发动机推力达到正常工作的技术指标范围，定义发动机进入额定工况。器箭远场距离spacecraft/launch-vehiclecenter-of-massdistance航天器与运载火箭末级分离后，二者的质心或干涉球心之间的相对距离。运载火箭末级剩余推进剂或其燃烧产物排出时所形成的羽流的包络切线与喷口中心线的夹角。遭遇量amountofencounter运载火箭末级剩余推进剂排放过程中，航天器表面单位面积内遭遇的排放污染物质量。空间碎片减缓spacedebrismitigation通过采取减少并控制空间碎片生成的途径与措施，以缓和空间碎片增长趋势。24一般设计要求4.1设计准则4.1.1排放方案应统筹器箭远场距离、运载火箭末级在轨解体、安溢阀开启、末级留轨时间等多项指标要求。4.1.2排放方案应保证有效载荷的安全性，或者其风险经评估可被接受。4.1.3排放方案应不影响运载火箭既定飞行任务的可靠性和安全性，或者其风险经评估可被接受。4.1.4排放方案应满足运载火箭控制、测量、动力和增压输送等分系统约束，对火箭完成既定任务影响最小。4.1.5排放方案应确保采用的排放措施有利于空间碎片减缓，并符合GB/T34513的相关要求。4.1.6排放方案应确保排放系统简单可靠，优先继承和应用经飞行试验考核的成熟产品和技术成果。4.1.7排放方案应综合末级火箭任务后轨道处置要求，充分利用剩余推进剂排放产生的附加推力缩短末级留轨时间。4.1.8排放方案需考虑对排放过程的监测和排放效果的评估。4.2系统组成及其功能4.2.1组成剩余推进剂排放系统一般包括推进剂排放管理分系统、排放执行分系统、排放控制分系统和排放测量分系统。排放所需的推进剂排放管理、执行、控制、测量等功能应在充分利用各系统已有产品的基础4.2.2推进剂排放管理分系统用于剩余推进剂排放过程的管理，系统构成应根据贮箱结构和增压输送方式确定，一般由安装在火箭末级的液体辅助发动机或小固体火箭发动机组成。4.2.3排放执行分系统用于执行剩余推进剂排放的发动机、管路、阀门及附件构成的系统，将剩余推进剂安全排出箭体。4.2.4排放控制分系统用于剩余推进剂排放过程中发出相应控制指令、对末级箭体进行姿态控制的系统。4.2.5排放测量分系统用于排放过程中对贮箱剩余推进剂状态或排放管路液体状态进行监测和为进行排放效果评估而设置的数据采集系统。4.3排放方式选择4.3.1选择次序应综合运载火箭末级采用的推进剂性质、发动机形式、总体布局方案以及排放前的实际状态等因素，按照设计准则选择剩余推进剂排放方式。可选择的常用排放方式推荐按4.3.2～4.3.6的优先次序选用。34.3.2通过末级发动机额定工况工作排放发动机再次点火起动进入额定工况工作，在确保发动机工作安全的前提下，尽可能多的消耗贮箱剩余推进剂。发动机关机后，可打开发动机相关流路阀门，使贮箱剩余少量推进剂通过发动机推力室实现排空。考虑发动机再次点火失效时的推进剂排放满足钝化要求。4.3.3通过末级发动机惰性燃烧排放发动机涡轮泵不工作或处于低工况工作状态下，使推进剂进入燃烧室点火燃烧排空：a)在涡轮泵不工作状态下，考虑推进剂流量偏离额定工况以及在一种推进剂先耗尽的情况下燃烧室的工作安全性；b)在涡轮泵低工况工作状态下，考虑涡轮泵的工作安全性以及由发动机混合比变化带来的燃烧室的工作安全性；c)考虑涡轮泵可能由不工作或低工况状态自动加速为额定工况对末级排放、离轨的影响。4.3.4通过末级发动机燃烧室排放剩余燃料、氧化剂在贮箱增压压力下，依次通过发动机燃烧室相继排出箭体。原剂不应同时通过燃烧室进行排空，沸点低、易汽化的推进剂先排。4.3.5通过末级发动机排空管排放利用发动机自身的氧化剂和燃料排放管路进行贮箱剩余推进剂的排放，需具备给发动机相关电磁阀或气动阀通电通气功能。排放系统相关设计不应影响执行既定任务期间发动机再次启动前的推进剂4.3.6通过专用排放管排放通过在容器、发动机隔离阀(或发动机泵前阀)前的输送管路上连接设置有控制阀门的氧化剂和燃料排放管路，实现剩余推进剂和气体排放。排放管路出口应设有减少排放对箭体干扰的措施，出口周围应无影响排放的设备。对于低温推进剂贮箱，也可考虑在贮箱顶部增设电爆常通阀，实现低温推进剂蒸5详细设计要求5.1排放对象确定为降低火箭末级在轨解体的风险，液体运载火箭末级需要对燃箱、氧箱及增压气瓶进行排放处理。液体运载火箭末级需处理的对象包括：c)增压气瓶残余气体；d)控制气瓶残余气体；e)发动机吹除气瓶残余气体；f)辅助动力系统剩余推进剂；g)其他不宜长期存放，有安全性风险的物质。45.2排放程序设计排放程序应在完成既定任务所有动作之后开始执行，应采取措施确保排放程序不会提前发生。排放程序设计包含以下主要内容。a)确定推进剂组元排放次序：1)对于采用氧化剂、燃料分别排放方案的共底贮箱，考虑推进剂排放次序，注意保持共底两侧合理的压差，确保贮箱不会因为排放产生失稳而发生破坏；2)对于通过发动机工作进行排放的方案，宜采用与执行既定任务相同的指令通路实施排放，在可能的情况下应安排冗余指令确保排放控制信号可靠发出。b)为实现剩余推进剂正常排放，合理安排姿态控制发动机和推进剂排放管理发动机工作时间。1)对于能够实现与真空环境常通(如电爆阀等)的贮箱，如果不考虑剩余推进剂排放产生离轨效果，排放时段内无需连续沉底和姿态受控；如果考虑剩余推进剂排放产生离轨效果，则应在排放开始前实施足够时间的小发动机连续沉底直至排放开始。排放开始后可利用排放产生的轴向力沉底替代连续沉底小发动机实现稳定沉底，整个排放期间应确保2)对于无法实现与真空环境常通的贮箱，在设计排放阀开启时间长度时，充分考虑微重力环境对排放流量的影响，应在排放开始前实施足够时间的小发动机连续工作实现推进剂沉底直至排放开始，排放开始后可利用推进剂排放产生的轴向力沉底替代连续沉底小发动机实现稳定沉底，整个排放期间应确保姿态受控。c)确定用于拉开器箭远场距离的发动机工作时间。d)确定排放开始时刻。排放动作开始时机应根据轨道计算的结果选定，综合考虑设备供电、测量系统跟踪能力、排放物对航天器的遭遇量影响等因素后确定。e)排放程序设计考虑不同器箭分离方式引起剩余推进剂在贮箱内的状态，保证不同状态下的推f)在钝化排放阶段，一般需考虑末子级增压气体的排放，可通过打开增压电磁阀，使末级增压气瓶内的增压气体进入贮箱内部，再通过推进剂排放管路排出。5.3排放阶段轨道设计排放阶段轨道设计主要包括排放姿态角的设置、各程序段的时间安排，进行排放阶段轨道计算，并给出排放阶段末级火箭与航天器的相对位置关系。具体要求如下：a)对于通过末级发动机工作排放的系统，在实施排放并制动离轨过程中，考虑发动机燃烧产物排放所形成的羽流角的影响，避免发动机燃烧产物直接对准航天器；b)对于末级发动机不工作的排放方式，考虑推进剂排放所形成的羽流角的影响，避免推进剂直接对准航天器；c)应确保火箭末级与航天器的安全距离以免发生在轨碰撞，且不会对航天器产生污染；d)各程序段的时间安排主要根据末级火箭调姿角度要求和调姿能力确定；e)考虑测控系统的跟踪测量约束条件，以便地面监测排放过程以及进行排放效果评估；f)当剩余推进剂较多或排放流量较小导致排放时间较长时，考虑速度矢量和箭体纵轴的相对位置关系，合理设计排放姿态，可适当增加一段或多段姿态调整，尽量使排放力加离轨效果。5.4剩余推进剂排出时物性及流场分析剩余推进剂排出时物性及流场分析具体要求如下。5a)对于通过末级发动机工作排放的系统，所排出燃烧产物的羽流场分析在工程上一般简化处理，可采用点源模型、自由分子运动模型和直接模拟蒙特卡罗法对推进剂排放的羽流场进行分析。b)对于末级发动机不工作的排放方式，考虑剩余推进剂在排放管内的流动状态。真空环境下排放管内压力和温度变化可能导致流动状态由液相流动变为液、气两相或固、液、气三相流动。c)应对排放系统管路进行分析，确定管路流动状态，必要时作适当修改，以避免推进剂有可能因出现固相状态堵塞排放管路。5.5剩余推进剂排放对其他相关系统的要求剩余推进剂排放对其他相关系统的具体要求如下。a)箭体结构系统为排放新增设备提供安装空间和支架等。b)增压输送系统根据排放方式增设相应设备，如气瓶、排放管路、电爆阀等，满足排放阶段贮箱增c)时序指令系统提供排放所需的控制指令、信号等，主要包括反推火箭点火、排放控制气瓶电爆阀启动等。d)姿态控制系统完成对末级箭体排放过程姿态的干扰影响分析，实施必要的姿态调整和稳定，以确保排放的安全实施。e)测量系统提供必要的遥测数据和外弹道测量数据。遥测数据主要包括排放指令参数、相关压力、温度数据等；外弹道测量数据主要包括排放阶段末级箭体的位置、速度等信息。5.6剩余推进剂排放系统可靠性和安全性要求在不影响执行既定任务的前提下，排放系统中各分系统的可靠性、安全性要求参照各系统原有要求执行。具体包括：排放执行机构阀门开关可靠性、液体辅助发动机或小固体火箭发动机点火可靠性及安全5.7剩余推进剂排放系统在型号各阶段设计要求在运载火箭研制各阶段，均考虑并规划剩余推进剂排放的设计和效果评估等工作。具体要求如下。a)火箭研制方和用户方应在项目初期将火箭末级任务后的处置方案列入规划，对末级钝化处理进行全面考虑。b)对于运行在LEO保护区的火箭末级，应限制其钝化排放结束后仍出现在LEO保护区的累积时间最大值满足空间碎片减缓要求。c)对于运行在GEO保护区的火箭末级，应限制其钝化排放结束后近地点高度位于地球静止轨道之上足够高的地方，以便长期的轨道摄动力导致航天器再次进入到GEO保护区的时间满足空间碎片减缓要求。d)在火箭研制过程中对剩余推进剂排放系统进行详细设计，并对排放效果进行预估，确保剩余推进剂排放能达到预期效果并对航天器无不利影响。其中，根据剩余推进剂排出时的物性及流场分析结果，分析排放物对航天器的遭遇量。遭遇量一般不大于1×10⁻⁶g/cm²。e)剩余推进剂排放开始时的器箭远场距离应根据发射任务类型和器箭分离方案合理确定。对于常温推进剂，开始排放对应的器箭远场距离一般不小于1000m;对于低温推进剂则应视情况合理确定。f)深空探测任务建议考虑末级箭体30年内撞击地外天体，如月球、火星、火卫等概率小于0.0001的行星保护要求。6g)优先由航天器采用保护盖、防护板等对较为敏感、脆弱的部组件予以保护，避免通过无限推迟排放时间转嫁风险，变相增加末级钝化方案设计难度。h)在火箭飞行试验后对剩余推进剂排放效果进行评估，以验证排放系统设计的合理性及检查实际工作情况。6飞行试验结果评估根据运载火箭飞行试验的遥测数据和外弹道测量数据以及其他地面观测系统的有关数据，对剩余推进剂排放效果进行评估。具