摘要：为满足某火箭二级发动机氧贮箱增压需求，在二级发动机上设计了一种蛇形管式冷氦换热器，并对其进行传热论证。在发动机试验时搭建了一套冷氦试验系统，对冷氦换热器的性能进行试验验证，验证后修正了换热器传热系数。结果表明：冷氦换热器传热计算合理，修正后的蛇形管长度与试验基本一致。
关键词：火箭发动机；换热器；蛇形管；传热系数
0 引 言
目前，运载火箭氢氧发动机氧贮箱均通过高温燃气加热氦气或氧进行氧贮箱增压。新一代运载火箭二级氧贮箱也采用氦气增压方案，但其二级氢氧发动机是闭式膨胀循环[1]，与以往的燃气发生器循环发动机相比，发动机内没有高温燃气，只能采用相对温度较高的氢气给冷氦加热，其设计方案及换热能力能否满足增压需求，需经过试验验证。
1 冷氦换热器传热设计论证
1.1 冷氦换热器设计参数
二级发动机冷氦换热器设计参数如表1所示。
表1 冷氦换热器的设计参数
Tab.1 Design Parameters of Cold helium Heat Exchanger
换热器内部工作介质氦气换热器外部工作介质氢气 氦气入口温度/K25氢气温度/K213 氦气出口温度/K85氢气流量/（kg·s-1）2.15
续表1
换热器内部工作介质氦气换热器外部工作介质氢气 氦气出口压力/MPa0.4氢气压力/MPa5.5 氦气额定流量/（g·s-1）qm
1.2 冷氦换热器设计方案
冷氦换气器的结构如图1所示。
图1 冷氦换热器
Fig.1 Cold Helium Heat Exchanger
冷氦换热器采用蛇形管方案，换热器内蛇形管流路采用逆流的方式，即氦气进入蛇形管，顺着蛇形管逆流而上，与壳体内的氢气充分换热后，给氧贮箱进行增压。
1.3 冷氦换热器传热设计计算[2]
在冷氦换热器的设计计算中，换热设计计算为核心部分。冷氦换热器换热的核心元件为蛇形管，如何获得蛇形管的规格及长度是换热器的设计目标。
对于液压系统，可将工作介质的工作压力调至远大于仪表空气管网压力的水平，因而可大幅度减小执行机构活塞受力面积，执行机构的体积与质量也相应大幅减小。另外液压油的不可压缩性使得系统响应时间优于气动执行机构，且输出力矩能保持稳定。因此，渣锁斗阀采用液压执行机构能很好地克服气动执行机构的缺陷。
一时间冯一余恍惚起来，想起昨天晚上的事情，不知道怎么会做出这种莫名其妙的梦，也不知道到底是不是个梦，更不知道是不是昨晚抽了老崔一根烟的缘故。
将蛇形管取一小段（ΔL＝1 mm）来进行分析，如图2所示。
图2 冷氦换热器传热模型
Fig.2 Heat Transfer Model of Cold Helium Heat Exchanger
Δ L—蛇形管单位长度；di—蛇形管内径；d0—蛇形管外径
冷氦换热器换热的形式有：氢气侧的强迫对流换热、导管的热传导以及氦气侧的强迫对流换热。
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a）氢气侧换热[3]。
冷氦换热器氢气侧氢气以温差
向蛇形管壁面换热，其换热热量
为
著名的“图灵测试”（Turing Test）主张，如果人类测试者在与计算机进行交流时无法分辨其交流对象是人还是计算机，则认为计算机拥有了智能。［10］马克·瑞德尔在图灵测试的基础上提出了“拉芙莱斯测试”（Lovelace Test），如果人类测试者无法将计算机创作的文学艺术作品与自然人创作的文学艺术作品分辨开来，则可以认为计算机具有了人的创作能力。［11］这类主张根据外在特征对人工智能的创作能力进行判断的测试虽然未必能够判断出计算机是否真正拥有人的创造力，但基本上可以测试出人工智能创作是否可以达到版权法意义上相对较低的外在的独创性标准。［11］
（1）式中 
为氢气侧换热系数；
为蛇形管外表面积；
为氢气温度；
为氢气侧壁温。
企业难做往往不是因为市场问题，而是因为自身基础问题。所谓基础问题，无非是从业者的技术能力与产品的质量保证。我相信也希望，今后行业中可以不断涌现出像安莱汽车研究院一样的企业，为大家提供“经过鉴定的产品”与“经过训练的人才”。
b）导管壁面的导热[4]。
导管壁面以材料内部热传导的方式将热量从氢气侧壁面传给氦气侧的壁面，蛇形管壁温由氢气侧的壁温
降到氦气侧的壁温
，其壁面导热量
为
（2）式中 为蛇形管材料热导率。
c）氦气侧换热。
冷氦换热器氦气侧以温差
从导管内壁向氦气换热，其换热热量
为
（3）式中 h为氦气侧换热系数；A为蛇形管内表面积。
由热平衡可知，由氢气传递到氢气侧壁面的热量
等于通过管壁导热所吸收的热量，等于管内氦气温度升高所吸收的热量，等于从氢气直接传到氦气的热量
，也等于管内介质温度升高所吸收的热量
，即：
（4）
（5）
（6）
式中 K为总传热系数；
为氦气流量；
为氦气定压比热容。
将式（1）~（6）联立可得：
（7）对整个蛇形管的换热计算来说，氢气侧换热系数、氦气侧换热系数h以及蛇形管材料的导热系数
为蛇形管换热的集中指标，其中蛇形管为不锈钢1Cr18Ni9Ti，其导热系数固定，故对冷氦换热器换热的重要影响参数为氢气侧换热系数及氦气侧换热系数h。
1.3.1 氢气侧换热系数
换热器内氢的温度为210 K远超过了33 K（氢的沸点），氢气面的换热为强迫对流换热。
介质的换热系数h可由下式的相似准则努塞尔数求得：
（8）式中 
为定性尺寸，对蛇形管的内外流体可分别取蛇形管的内径和外径
。
冷氦换热器蛇形管为顺排（见图1），采用式（9）作为氢气侧换热系数的经验公式：
（9）式中 
为氢气的雷诺数；
为普朗特数。
则，氢气侧换热系数的经验公式为
（10）式中 为氢气的导热系数。
1.3.2 氦气面换热系数[5]
氦在蛇形管内为强迫对流换热，氦在平滑管中流动的换热系数为
（11）式中 
为氦气的导热系数。
氦气在弯管内流动时，由于离心力作用而产生所谓的“第2级环流”，引起流体流动扰动性的增加，使弯管内的换热系数高于直管换热系数，弯管中的换热可以按直管的公式计算，然后再乘以校正系数
[6]，对于螺旋管可按下式计算：
（12）式中 R为蛇形管螺旋半径；D为蛇形管螺旋直径。
冷氦换热器蛇形管内氦气侧的换热系数h为
（13）1.4 蛇形管长度设计计算
根据式（1）～（13），进行蛇形管长度设计计算，将蛇形管分为若干段，逐段计算出各段的蛇形管温升，当出口温度大于85 K时，将各段蛇形管长度相加即可获得换热器的蛇形管长度。
随着蛇形管内氦气温度的升高，氦气物性参数也在变化。在实际计算中，取单位蛇形管长度为1 mm进行计算，在这个微小的长度内认为氦气的物性参数变化微小，可以忽略不计，比较管外氢气对流换热所吸收的热量与通过管壁传递的热量。当
＜0.5 W时，可计算出各段1 mm长度上的温升；当出口温度大于85 K时，可获得换热器的蛇形管长度。
对要写的（前数据包，后数据包）或（数据包）作整体运算，将生成的两字节校验码放入（校验码低字节），（校验码高字节）。成功返回TRUE；失败返回FALSE。
1.5 传热系数修正
在进行冷氦换热器的传热计算中，氢气侧及氦气侧均选用经验公式。在实际工程应用中，传热系数与经验公式计算出的传热系数有一定的差异，为了减少该差异量，需要对其传热系数进行修正，以便获得与冷氦换热器换热相对应的传热系数值，该修正值称为传热修正系数C。
1.6 设计计算结果
在冷氦换热器设计计算过程中，氢气侧传热修正系数及氦气侧传热修正系数C依据以往换热器设计经验而取，如表2所示。3组传热修正系数得出的蛇形管长度分别为0.97L、1.016L和1.048L，其中L为均值，蛇形管规格为φ8×0.5 mm、长度为L。
表2 蛇形管的计算结果
Tab.2 Calculation Result of Snake Tube
序号修正系数修正后的蛇形管长度/mm C＇C 13.810.97L均值L 221.21.016L 31.51.41.048L
2 冷氦换热器性能试验[7]
为了获得冷氦换热器真实的换热性能，在二级发动机地面试验时搭建一套冷氦试验系统，使进入发动机的氦气达到要求的约25 K。
2.1 冷氦试验系统[8]
冷氦换热器试验系统原理如图3所示。
图3 冷氦换热试验系统原理图
Fig.3 Schematic Diagram of Cold Helium Heat Exchanger Test System
氦气瓶气源约18 MPa，通过常温减压器对氦气进行减压，进入液氮冷却器和液氢冷却器对氦气进行降温，使进入发动机换热器的氦气温度保持在25 K左右。
4．SCGN、CgA表达与NEN临床病理参数的相关性：NEN的SCGN表达与患者性别、年龄及肿瘤神经侵犯或脉管癌栓无相关性(P>0.05)，而与肿瘤长径≥2 cm、淋巴转移相关(P值均<0.05)。CgA表达与NEN所有临床病理参数均无相关性(表3)。
在常温氦气路设置了3路孔板，通过开关常温电磁阀1、2、3，进行氦气流量的控制，使一次试验能尽可能多地考核冷氦换热器多种流量工况的性能。本次试验考核了5种工况，如表3所示，其中额定工况在试验后期再次进行了1次试验，主要目的为考核额定工况的参数重复性。
在冷氦换热器出口设置3路排气，两路由低温气控阀控制，一路常开，常开路通过孔板自身憋压，试车时根据冷氦换热器出口压力P6控制低温气控阀的关闭，使出口压力P6维持在总体需求的0.4 MPa左右。
表3 试验流程
Tab.3 Testing Flow
试验顺序常温电磁阀动作流量g/s绝对动作时间/s（发动机点火为0s） 1同时打开电磁阀1、2、31.82qm-130 2同时打开电磁阀2、31.45qm80 3同时打开电磁阀1、3qm160 4打开电磁阀30.73qm240 5打开电磁阀10.36qm320
续表3
试验顺序常温电磁阀动作流量g/s绝对动作时间/s（发动机点火为0s） 6同时打开电磁阀1、3qm400
2.2 冷氦换热器试验数据分析
冷氦换热器试验配套的蛇形管规格为φ8×0.5 mm，长度为1.01L。试验相关数据如表4、图4所示，各种流量工况下均达到了热平衡。
表4 冷氦换热器试验数据
Tab.4 Testing Data of Cold Helium Heat Exchanger
序号测点名称各流量工况平均值 40～70s100～150s190～230s280～310s360～390s460～490s 1氦流量/(g·s-1)1.67qm1.36qm1.04qm0.70qm0.36qm1.03qm 2换热器入口压力P3/MPa1.421.230.980.790.461 3换热器入口温度T4/K28.0429.0530.935.2546.2130.5 4换热器出口温度T5/K74.278.8487.83101.95127.5988.56 5换热器出口压力P6/MPa0.510.440.350.490.280.38
图4 冷氦换热器入出口温度
Fig.4 Inlet and Outlet Temperature of Cold Helium Heat Exchanger
2.2.1 氦气预冷
冷氦换热器试验搭载发动机热试车，所以在发动机启动前，需保证冷氦系统具备试验条件，主要是保证氦气在进入发动机软管入口温度T3能达到约25 K。
为保证冷氦具备试验条件，需对冷氦系统管路提前预冷，消除管路初始热容。冷氦系统从发动机启动前约130 s开始预冷，预冷90 s后，换热器入口温度T4基本达到平衡，至发动机点火时刻，换热器入口温度T4为27.5 K，如图5所示，与要求的25 K有2.5 K的偏差，基本能满足冷氦换热器试验要求。
图5 冷氦换热器入口温度
Fig.5 Inlet Temperature of Cold Helium Heat Exchanger
2.2.2 压力损失
冷氦换热器压力损失为换热器入口压力P3减去换热器出口压力P6，各流量下压力损失如表5所示，冷氦换热器在额定流量工况时，氦换热器的压力损失约为0.63 MPa。
表5 冷氦换热器压力损失
Tab.5 Pressure Loss of Cold Helium Heat Exchanger
参数性能平均值 40～70s100～150s190～230s280～310s360～390s460～490s 压力损失ΔP/MPa0.910.790.630.30.180.62
2.2.3 温度启动加速性
温度启动加速性是指从启动至额定温度90％的时间，冷氦换热器出口温度T5启动曲线如图6所示，启动至平稳段温度74.2 K的90%需要的时间为1.5 s，与发动机室压Pc的启动加速性基本同步。
采用分层取样的方法，选取我校七、八、高一、高二四个年段学生，共发放问卷1200份，回收问卷1108份，回收率92.3%；剔除无效问卷后，最终有效问卷983份，有效率为88.7%。
图6 冷氦换热器出口温度
Fig.6 Outlet Temperature of Cold Helium Heat Exchanger
2.3 氦换热器换热系数的修正
1.6节中的氢气侧传热修正系数C＇及氦气侧传热修正系数C是依据以往换热器设计经验而取。冷氦换热器试验结果可对冷氦换热器蛇形管两侧的经验公式进行试验修正，以下几组修正系数均适合冷氦换热器试验参数，如表6所示。
月黑风高的夜晚，我站在楼顶。我想找个人说说话，却发现自己没有朋友；我想打个电话向父亲撒撒娇，又想着那个老女人是不是正在给父亲暖脚；我和想黄梁谈谈这些年，却发现身边只有黑夜。
表6 换热器修正系数
Tab.6 Heat Exchanger Correction Factor
序号流量工况 1.82qm1.45qmqm0.73qm0.36qm C＇CC＇CC＇CC＇CC＇C 12.612.412.412.412.41 22.31.121.121.11.91.11.61.1 31.81.41.61.41.51.41.31.41.11.3
根据冷氦换热器试验数据，1.04qm和1.03qm流量工况，与额定流量工况qm最接近，因此换热修正系数的额定流量工况可信度较高，其他工况下修正系数相对误差较大。以额定流量qm工况下的3组修正系数作为冷氦换热器的修正系数，以便得到较为准确的蛇形管长度。
2.4 蛇形管长度修正
根据冷氦换热器试验修正后的换热系数，对蛇形管长度设计参数进行修正，当氦气流量为qm，入口温度为25 K，出口温度为85 K，qm流量工况对应的3组换热修正系数修正后的蛇形管长度如表7所示。
家庭和学校是青少年在成长过程中的两个最重要的生活环境，要促进德育工作与心理健康教育工作的顺利整合，必须建立起良好的家校沟通，力求在家校互动中强化德育与心理健康教育的融合，共同致力于打造优秀的德育教育品牌。
酒店员工职业认同对工作投入的影响研究——以三亚星级酒店为例 ……………………………………………… 王 洋（4/45）
两下总算是谈妥了，冯一余每天出20块钱，周一到周五，大爷负责帮他占住车位。冯一余怕夜长梦多，提出先付一个月的钱。大爷却不要，说，占一天算一天，而且要先占后付钱。冯一余坚持先付钱后占位，左说右说，大爷才收下了头一次的20块钱，揣到口袋里，走了。
本项研究针对在不同水池水深情况下，实测了4#、5#、6#隔板竖缝附近的垂线流速分布，取三处隔板同一深度流速平均值。各工况竖缝断面垂向流速分布见图6。试验结果表明：三种不同水深工况，竖缝处流速分布大体相似，竖缝处流速分布从左至右逐渐增加，竖缝断面的水流流速大体上处于0.62～0.95 m/s之间，最大流速均小于过鱼对象的极限流速1.0 m/s，满足过鱼对象的上溯要求。
表7 修正后的蛇形管长度
Tab.7 Revised Length of Snake Tube
序号修正系数修正后的蛇形管长度 C＇Ｃ 12.411.018L均值1.013L 221.11.016L 31.51.41.004L
由表7可知，蛇形管的长度在1.004～1.018L之间，平均值为1.013L，与冷氦换热器试验配套的蛇形管长度1.01L基本一致，认为冷氦换热器试验基本考核了额定工况下的性能试验，也可确定冷氦换热器的传热计算准确有效。
3 结 论
a）冷氦换热器的性能试验一次考核了5种流量工况下换热器的性能，试验结果表明冷氦换热器设计方案可行、传热论证合理，并根据试验结果对换热器的传热系数进行了修正，修正后的蛇形管长度为1.013L，与试验配套蛇形管长度基本一致；
b）新一代运载火箭已完成二级动力系统试车及首飞，二级发动机冷氦换热器性能与设计参数协调一致，性能满足氧贮箱增压要求。
