真空模擬環(huán)境下液體推進劑蒸發(fā)特性的試驗研究

池保華，洪 流，李龍飛，楊偉東

（西安航天動力研究所，陜西西安710100）

0 引言

空間發(fā)動機工作在低溫真空的太空環(huán)境，液體推進劑在此環(huán)境下常常表現(xiàn)出與地面環(huán)境不一樣的特性，這些差異對工質(zhì)的存儲和使用會帶來影響，甚至影響到發(fā)動機點火和冷卻性能。閃蒸是真空環(huán)境下液體噴射區(qū)別于大氣環(huán)境的最顯著的一種現(xiàn)象。當環(huán)境壓力突然降低到初始溫度對應的飽和壓力以下時，液體由最初的平衡狀態(tài)變成過熱狀態(tài)，當壓力下降過快時，液體不能全部以顯熱的方式來釋放能量，而是通過快速蒸發(fā)以釋放潛熱，這一過程稱為閃蒸。閃蒸通常伴隨液體劇烈的相變現(xiàn)象，使蒸發(fā)過程存在一定的不確定性?？臻g發(fā)動機多次起動時，由于劇烈的相變改變推進劑的霧化、混合和燃燒特性，影響發(fā)動機的點火；對于載人飛船和空間站在太空飛行排放生活廢水時，當閃蒸帶走的熱量過多時，會導致排放管出口結冰，惡化宇航員的生活質(zhì)量。因此，研究液體工質(zhì)在真空環(huán)境下的蒸發(fā)特性對于空間發(fā)動機和太空排放設計具有重要意義。

D Saury等[1]研究了降壓速率對水閃蒸的影響，Rajshekhar D Oza等[2]提出了閃蒸中汽泡的增長模型，JONG-IL KIM等[3]分析了低壓閃蒸過程中的臨界點，吳楚等[4]研究了壓力、溫度對噴霧特性的影響。這些研究取得了可喜的成績，但研究多以水為研究對象，對于液體火箭發(fā)動機真實推進劑研究較少。隨著未來無毒無污染液體火箭發(fā)動機的發(fā)展，采用煤油、甲烷和酒精作為推進劑成為一種趨勢。本文對水、飽和鹽水、煤油、酒精和凝膠模擬液等工質(zhì)在真空模擬試驗環(huán)境下進行了蒸發(fā)特性試驗研究。

1 試驗系統(tǒng)介紹

1.1 試驗系統(tǒng)

真空模擬試驗系統(tǒng)如圖1，由真空艙、真空機組、真空計、溫度傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成，基本技術參數(shù)如下：

(1)真空艙有效使用容積為3m3，極限真空度0.1Pa；

(2)真空機組抽真空時間小于30分鐘，機組滿足在大水蒸汽（300ml）條件下真空艙內(nèi)真空度不高于500Pa正常工作的能力；

(3)真空計可檢測真空度范圍為0.1Pa至1×105Pa，顯示精度為0.01Pa；

(4)溫度傳感器滿足真空環(huán)境下的正常使用，量程為223.15～373.15K。真空艙側向設有觀察窗，可定性觀察工質(zhì)在真空中的蒸發(fā)過程。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對真空度、工質(zhì)溫度等進行實時記錄和存取。

1.2 試驗工質(zhì)

試驗工質(zhì)包括水、飽和鹽水、酒精、航空煤油和凝膠模擬液。由于艙體容積較大、真空程度較高，認為工質(zhì)間相互不干擾。各工質(zhì)基本參數(shù)如表1。

表1 工質(zhì)基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of the test substances

1.3 數(shù)據(jù)采集和操作

工質(zhì)溫度通過PT-300溫度傳感器測量，真空艙的真空度通過壓力傳感器和真空計測量。溫度壓力均接入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并實時顯示和采集。試驗時，先開啟旋片泵對真空艙抽取真空，待真空度達到一定程度（約1000Pa左右）后，旋片泵停止工作，開啟羅茨泵。真空度約為1000Pa時開始采集數(shù)據(jù)，采集時間為1500s，采集頻率為10點/s。數(shù)據(jù)采集末段（約1450s），關閉閥門和羅茨泵，對真空艙進行保壓。

2 結果和分析

2.1 試驗結果

試驗中觀察到了所有液體工質(zhì)的快速蒸發(fā)過程，伴隨大量氣泡和液體沸騰；水、飽和鹽水和凝膠模擬液出現(xiàn)了塊狀結冰，酒精和煤油沒有出現(xiàn)結冰，只是煤油中出現(xiàn)少量絲狀物。試驗結束后各工質(zhì)的最終溫度和蒸發(fā)比如表2。

表2 工質(zhì)蒸發(fā)參數(shù)Tab.2 Evaporation parameter of the substances

試驗過程中真空度隨時間的變化如圖2，工質(zhì)溫度隨時間變化如圖3。真空艙壓力除了在末段保壓時出現(xiàn)階段回升外，在420s和1232s處也出現(xiàn)回升，原因是保壓時真空機組無抽取，工質(zhì)蒸發(fā)增加了真空艙壓強。從圖3可看出，在t=0s時刻，閃蒸開始，隨環(huán)境壓力的快速降低，工質(zhì)迅速變得整體過熱，工質(zhì)的潛熱通過工質(zhì)表面釋放。閃蒸使得液體汽化帶走大量熱量，導致溫度快速降低；在t=400s，水和凝膠模擬液表面已經(jīng)結冰，工質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)會釋放出凝固熱，工質(zhì)得到加熱，溫度略有上升，在t=400s～420s，固體表面升華導致真空艙壓力上升，t=420s后，水和凝膠模擬液完全變成固相，固相在真空環(huán)境下升華帶走的熱量使得溫度繼續(xù)下降；而煤油、酒精冰點低，閃蒸時吸收的熱量不足以使自身發(fā)生相變，溫度一直下降，由于溫度的降低使過熱度降低，閃蒸過程會逐漸趨于平緩。

2.2 質(zhì)量蒸發(fā)量

忽略工質(zhì)的自然揮發(fā)和環(huán)境的換熱，以質(zhì)量平衡為基礎，假設間隔時間內(nèi)工質(zhì)相間處于相對平衡，蒸發(fā)量吸收的氣化潛熱來自液相，則有：

對上式在間隔時間內(nèi)積分，假設工質(zhì)的密度ρl、氣化潛熱hfg和比熱容cv不變，可得到閃蒸的質(zhì)量蒸發(fā)量：

式中，A為液體橫截面積；H為液位高度。

變換形式后可得到相對質(zhì)量蒸發(fā)量：

工質(zhì)發(fā)生相變過程中，雖然閃蒸沒有停止，但是僅發(fā)生在部分液面和容積，質(zhì)量蒸發(fā)量計算較復雜，關鍵參數(shù)在本試驗條件下難以獲得，故僅分析水、飽和鹽水和凝膠模擬液在液態(tài)時的閃蒸參數(shù)，三種工質(zhì)在273.15K以上狀態(tài)的閃蒸參數(shù)見圖4。酒精和煤油在閃蒸過程中沒有發(fā)生相變，整個過程中的閃蒸參數(shù)如圖5。

液體火箭發(fā)動機常規(guī)推進劑，如N2O4和UDMH，常壓下自然揮發(fā)的相對質(zhì)量蒸發(fā)量僅為10-4量級[6]，推進劑在真空環(huán)境下的相對質(zhì)量蒸發(fā)量普遍要高1～2個量級。水、飽和鹽水和凝膠模擬液的相對質(zhì)量蒸發(fā)量隨時間總的變化趨勢是先增加后減小，水和凝膠模擬液后續(xù)有兩個明顯的波峰，分析認為是工質(zhì)達到了該溫度下的臨界壓力。酒精和煤油的相對質(zhì)量蒸發(fā)量迅速減小后趨于平緩，在252s（此時真空度為104Pa）前，酒精相對質(zhì)量蒸發(fā)量比煤油大，之后煤油相對質(zhì)量蒸發(fā)量比酒精大。

2.3 真空度對溫度的影響

真空度對不同工質(zhì)由于蒸發(fā)引起的溫度變化各不相同，溫度下降的快慢主要是由閃蒸的強烈程度決定。從圖6可以看出，真空度越小，工質(zhì)溫度降低速度越快，即閃蒸越來越強烈。在相同降壓條件下，壓強大于267Pa前，煤油溫度降低速度最慢，水、飽和鹽水和凝膠模擬液大體相當，酒精溫度降低最快；壓強小于267Pa后，煤油溫度降低速度最慢，其余依次是飽和鹽水、凝膠模擬液、水和酒精。

3 結論

(1)真空條件下液體工質(zhì)發(fā)生了顯著的閃蒸，導致蒸發(fā)比常壓下強烈得多，冰點較高的工質(zhì)達到固相后溫度會繼續(xù)下降。

(2)低壓蒸發(fā)過程中，工質(zhì)溫度的降低先迅速后緩慢。水和凝膠模擬液最終變成固態(tài)，在真空度低于100Pa時，水和凝膠模擬液的最低溫度為237.75K和235.55K。煤油和酒精沒有明顯的液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔嗟倪^程，但煤油出現(xiàn)了絲狀物。

(3)真空度越小，閃蒸越強烈，工質(zhì)溫度降低速度越快。

[1]Saury D,armand S,Siroux M.Flash evaporation from a water pool:Influence of the liquid height and of the depressurization rate[J].International Journal of Thermal Sciences 44(2005):953-965.

[2]Rajshekhar D Oza,James F Sinnamon.An Experimental and Analytical Study of Flash-Boiling Fuel Injection[J].Society of Automotive Engineers,1983.

[3]JONG-IL KIM.Some critical transitions in pool flash evaporation[J].Int.J.Heat Mass Transfer,40(1997):2363-2372.

[4]吳楚,魏建勤,許滄粟，等.閃蒸噴霧的試驗研究[J].浙江大學學報(工學版),2002,36(5):516-520.

[5]金仁喜,劉登瀛,華順芳，等.爆炸沸騰研究進展[J].海軍工程大學學報,2001,13(6):8-13.

[6]陳新華,吳沖華,佟連捷.可貯存有毒推進劑在大氣中蒸發(fā)特性的研究[J].指揮技術學院學報,1999,10(2):11-15.