推進劑在軌加注流體傳輸過程的數值模擬和地面試驗研究

李 永，胡 齊，潘海林，耿永兵，丁鳳林

(北京控制工程研究所，北京 100190)

在軌加注技術對于延長航天器壽命和降低成本具有重要意義.世界各主要的航天大國都已經掌握了在軌加注技術或開展了相關研究工作.俄羅斯從1978年就已經實現了推進劑在軌加注，目前已經成功地完成了多次在軌補給，而美國從上世紀80年代初就開始了在軌補給技術的研究，使該技術得到了充分的發(fā)展，并成功實現了在軌演示驗證［1-7］.

在軌加注方案主要分為3類:推進劑直接傳輸式、推進模塊更換式和推進模塊補加式.其中，推進劑直接傳輸式目前使用最多，俄羅斯和美國都采用了這種在軌加注方案.按照其操作方式的不同，該方案又可分為壓縮機式、背壓式、排氣式和貫通式等4種.本文針對排氣式加注方案開展了加注過程流體傳輸的數值模擬和地面演示試驗驗證.

1 排氣式加注的工作原理

排氣式加注的工作原理如下:在進行推進劑加注前，首先對被加注貯箱內的氣墊卸壓，然后利用加注貯箱和被加注貯箱內的壓差，實現推進劑的加注;隨著加注量的增加，被加注貯箱內的壓力也逐漸升高，當壓力升高到排氣門限值時，再對被加注貯箱實施排氣;如此往復，直至被加注貯箱內的推進劑加注完成［8］.

排氣式加注可以在低壓狀態(tài)下進行，在加注過程中由壓縮而產生的熱量比背壓式要少，便于縮短加注時間，而且這種加注方式不需要使用壓縮機等活動部件，是一種可靠性和安全性良好的加注方式.

排氣式加注方法使用的貯箱可以是板式表面張力貯箱，該類型貯箱利用表面張力有效實現氣液分離，保證在排氣過程中不會排出推進劑.

2 排氣式加注過程的數值模擬

通過數值模擬，可以得到在空間微重力環(huán)境下，排氣式加注全過程加注貯箱和被加注貯箱內的氣液分布、質心變化情況以及被加注貯箱內的壓力變化.

2.1 計算模型

以容積為28L、內直徑為190mm的板式表面張力貯箱作為加注箱和被加注箱，該貯箱結構如圖1所示，其推進劑管理裝置(PMD)為板式結構，可以在微重力環(huán)境下對推進劑實施定位［9］.

在軌加注系統(tǒng)模型中，使用兩個28L貯箱，分別作為加注箱和被加注箱，為了便于計算，簡化兩個貯箱的連通管路.

圖1 貯箱及PMD結構圖

采用VOF兩相流動計算方法，對加注過程中的流動傳輸和氣液界面分布情況進行計算。該方法通過引入流體體積組分α函數及其控制方程來表示混合流體的密度并跟蹤自由面的位置。若設α為液相的體積組分，當網格中的體積組分α=1時，表示該網格內完全是液體，當網格中的體積組分α=0時，表示網格中完全是氣體，當0＜α＜1表示網格中含有氣液界面。

計算采用的重力加速度為1×10－4g.加注貯箱推進劑剩余量為95%，被加注貯箱推進劑剩余量為5%.加注貯箱保持恒壓(1.5MPa)，當被加注貯箱的壓力超過1.5MPa時，開始排氣，排氣后貯箱壓力降至最小壓力1.1MPa.

2.2 數值模擬結果

圖2所示為加注過程不同階段加注貯箱和被加注貯箱內的液面變化情況.左邊貯箱為被加注貯箱，右邊為加注貯箱.

從圖2可以看出，在排氣式加注過程中，加注貯箱和被加注貯箱內的氣液界面分離定位清晰，表明在加注過程中板式表面張力貯箱可以有效管理推進劑，實現氣液界面分離.

圖3和圖4所示為整個加注過程中加注貯箱和被加注貯箱的液面變化.

對于加注貯箱，在加注過程中，隨著推進劑排出量增加，加注貯箱的質心降低;推進劑量從95%減小到5%時，質心從0.18m降低到0.05m.對于被加注貯箱，在加注過程中，隨著推進劑加注量增加，加注貯箱的質心升高;推進劑量從5%增加到95%時，質心從0.05m升高到0.18m.

圖5為整個加注過程中被加注貯箱的壓力變化曲線.

從圖中可以看出，被加注貯箱內的壓力在1.1MPa到1.5MPa之間往復變化，且隨著加注量的增加，變化頻率越來越快，這與實際情況是一致的.

3 排氣式加注過程的地面演示試驗

為了驗證排氣式加注的可行性和加注流程的合理性，搭建了地面演示試驗系統(tǒng)，使用該系統(tǒng)可以模擬排氣式加注的實際流程，確定加注壓力、排放壓力以及加注流量之間的關系.

3.1 地面演示試驗系統(tǒng)構成

該系統(tǒng)由加注貯箱、被加注貯箱、控制閥門、排氣閥門、連接管路等組件構成，使用無水乙醇作為推進劑的模擬液，使用氦氣作為壓縮氣體，實現模擬液加注、壓縮氣體排放、流量控制等功能.由于該系統(tǒng)僅對加注過程的流動情況進行研究，故沒有包含對接接口、控制裝置和在線檢測裝置.

圖6所示為地面演示系統(tǒng)的原理圖.為了便于觀察，地面演示時使用了有機玻璃殼體做成的模擬貯箱.

圖6 在軌加注地面演示系統(tǒng)原理圖

試驗時，通過恒壓氣源為加注貯箱補氣，使用壓力傳感器測量加注貯箱和被加注貯箱的壓力，使用超聲波流量計測量加注流量.當被加注貯箱的壓力超過設定壓力后，通過卸壓閥進行卸壓.

3.2 地面演示試驗結果

在進行地面演示試驗時，考慮到模擬貯箱殼體的承壓能力，采用了較低的氣墊壓力，進行原理性演示驗證:加注貯箱通過恒壓氣源提供48kPa的氣墊壓力，被加注貯箱卸壓閥開啟的壓力門檻值為40kPa，卸壓閥關閉的壓力值為30kPa.圖7所示為被加注貯箱內的壓力變化曲線，隨著貯箱內推進劑的增加，貯箱內的壓力逐漸增加，當壓力到達40kPa時，系統(tǒng)開始自動泄壓，貯箱壓力隨之降低，當貯箱內壓力降低到30kPa時，泄壓閥關閉，貯箱內的壓力開始回升.隨著貯箱內的推進劑的量越來越多，系統(tǒng)內壓力的變化越來越快，因此所看到的壓力曲線變化的頻率也越來越快.

圖7 被加注貯箱內的壓力變化

圖8所示為超聲波流量計測得的加注流量的變化曲線.兩個貯箱之間的壓力差變化是導致流量變化的主要原因，由于被加注貯箱內液體的量不斷增加，兩個貯箱的靜壓頭逐漸增大抵消了部分氣墊產生的壓力差，因此流量隨時間呈遞減趨勢.

圖8 流量計測得的流量情況

通過該地面演示試驗系統(tǒng)對排氣式在軌加注進行了全過程演示，試驗結果與數值計算的結果相一致.

4 結論

(1)通過對排氣式在軌加注系統(tǒng)內部流動的數值模擬，可以得到排氣式加注過程加注貯箱和被加注貯箱內的氣液界面分布情況，證明板式表面張力貯箱在加注過程中可以有效實現氣液界面分離.同時可以得到加注過程中加注貯箱和被加注貯箱質心分布的變化情況以及不同時刻壓力變化情況.

(2)利用排氣式加注地面演示試驗系統(tǒng)對排氣式加注過程進行了演示，對排氣式加注的可行性和加注流程的合理性進行了驗證，同時得到了加注過程中壓力和流量的變化規(guī)律.

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