高真空低重力環(huán)境下液態(tài)工質(zhì)排放地面模擬試驗研究

王德偉，徐 侃，寧獻(xiàn)文，趙建福，苗建印，牛春洋

（1.北京空間飛行器總體設(shè)計部 空間熱控技術(shù)北京市重點實驗室，北京 100094；2.中國科學(xué)院 力學(xué)研究所，北京 100190）

0 引言

流體回路作為主動熱控技術(shù)中的重要組成[1-3]，具有換熱能力強、熱傳輸性能強、熱負(fù)荷適應(yīng)能力強等優(yōu)點，在國內(nèi)外航天器上廣泛應(yīng)用。對于某些具有返回功能的航天器，在流體回路在軌使用壽命結(jié)束后，為了減輕航天器重量，保證航天器安全，需要對管路中的工質(zhì)進(jìn)行排放。工質(zhì)排放時間以及殘余工質(zhì)量，對于航天器工作流程安排以及評估航天器的安全性具有重要意義。

空間工質(zhì)排放環(huán)境為低重力和高真空，其中真空環(huán)境使工質(zhì)排放變得非常復(fù)雜，涉及液體閃蒸與氣液兩相臨界流等復(fù)雜過程[4-7]，基于目前的計算流體動力學(xué)理論，對于克努森數(shù)Kn＞0.01的非連續(xù)流的計算非常困難或不準(zhǔn)確。趙建福等[8]開展了閃蒸試驗，獲得閃蒸過程中部分液態(tài)工質(zhì)的流動特征。國外針對氣液兩相臨界流的研究發(fā)展出許多預(yù)測分析模型或經(jīng)驗公式，Ellias和Lellouche[9]發(fā)現(xiàn)氣液兩相預(yù)測模型對不同條件的適用能力依賴于對相界面?zhèn)鬟f過程與模型所采用的控制方程的經(jīng)驗關(guān)系。徐侃等[10]針對空間工質(zhì)排放過程建立了數(shù)理模型，將空間工質(zhì)排放分為5個階段：階段I、II為補償器工質(zhì)排放，階段III為過渡階段，階段IV為重位壓降驅(qū)動的管路排放過程，階段V為閃蒸波傳播階段。

上述已有研究中氣液兩相預(yù)測模型針對工質(zhì)排放中管路溫度、壓力變化規(guī)律難以分析獲得準(zhǔn)確和公認(rèn)的結(jié)果；閃蒸過程的相關(guān)試驗研究未考慮實際工程管路的復(fù)雜性；排放管路沿程溫度、排放口環(huán)境溫度等因素對排放速率影響的研究尚未見到報道。鑒于此，本文針對高真空、低重力條件下全氟三乙胺工質(zhì)的真空排放過程，設(shè)計了地面試驗系統(tǒng)，開展管路排放過程的試驗驗證，以獲取工質(zhì)排放過程中管路壓力和溫度變化特征，探討工質(zhì)沿程局部溫度、排放口溫度與工質(zhì)排放速率之間的相關(guān)性。

1 工質(zhì)排放影響因素分析

決定工質(zhì)排放速率的根本因素是工質(zhì)排放的驅(qū)動力和阻力，驅(qū)動力源于流體回路系統(tǒng)內(nèi)部壓力、重位壓降及飽和蒸氣壓，阻力源于排放過程的沿程及局部流阻、蒸發(fā)相變阻力、逆重力阻力，可以具體描述為以下5條：

1）回路內(nèi)壓

若排放口外是真空環(huán)境，則工質(zhì)排放的驅(qū)動壓力為回路內(nèi)壓，回路內(nèi)壓P與工質(zhì)流速u的平方成正比，即P=ξρu2/2，其中ρ為工質(zhì)密度，ξ為阻力系數(shù)。也就是說，回路內(nèi)壓越大，則排放速率越快。排放初始時刻，回路內(nèi)壓取決于補償器的壓力；排放過程中，補償器壓力下降，當(dāng)補償器波紋管到達(dá)極限位置之后，不能再提供壓力，則回路內(nèi)壓取決于回路高度差和工質(zhì)的飽和蒸氣壓。

2）高度差

液體排放口之上的管路高度差導(dǎo)致的重位壓降是管路中液體排放的主要驅(qū)動力；而逆重力的高度差，阻礙工質(zhì)流動，成為工質(zhì)排放的阻力。

3）工質(zhì)溫度

工質(zhì)溫度直接影響著作為驅(qū)動力的工質(zhì)飽和蒸氣壓：工質(zhì)溫度越高，飽和蒸氣壓越大，驅(qū)動力越大。全氟三乙胺工質(zhì)在20～40 ℃之間的飽和蒸氣壓約為16～41 kPa[11]，在諸如月面等低重力環(huán)境的液體排放過程中，飽和蒸氣壓一般遠(yuǎn)大于重位壓降?；芈饭苈放c結(jié)構(gòu)板等串聯(lián)，熱容大，而全氟三乙胺的汽化潛熱小，故排放過程中汽化對回路溫度產(chǎn)生的影響可以忽略，每次排放過程中的工質(zhì)溫度可按定值考慮。

此外，流體回路沿程可能由于冷板、預(yù)埋板或者換熱器導(dǎo)致工質(zhì)沿程局部溫度變化，局部高溫會使工質(zhì)局部飽和蒸氣壓升高，若高于此處的工質(zhì)壓力（管道上游氣液界面飽和蒸氣壓與相應(yīng)管段對應(yīng)重位壓降之和），則會局部發(fā)生過熱閃蒸形成汽團，有利于其下游管段內(nèi)液體工質(zhì)的排放，但不利于其上游管段液體工質(zhì)的排放；若局部的飽和蒸氣壓低于此處的工質(zhì)壓力，則對工質(zhì)排放無影響。

4）流阻

單相回路系統(tǒng)的流阻Pz與工質(zhì)逆向流速uz之間同樣滿足Pz=ξρuz2/2關(guān)系，系統(tǒng)本身阻力越大，在相同驅(qū)動力下，排放速率越慢。

5）排放口溫度

由于管道外部為真空環(huán)境，工質(zhì)排放口處往往是可壓縮臨界閃蒸射流，排放速率主要與工質(zhì)溫度或?qū)?yīng)的飽和蒸氣壓有關(guān)，而不依賴于外部環(huán)境壓力。排放口溫度越高，工質(zhì)的飽和蒸氣壓越高，排放速率也越快。不過，過度提升排放口溫度會導(dǎo)致上游液體閃蒸壓力低于排放口液體閃蒸壓力，進(jìn)而形成逆向壓差，抵消重位壓降的驅(qū)動力，阻礙管道內(nèi)部液體工質(zhì)的流動，抑制排放效果。

2 工質(zhì)排放地面試驗系統(tǒng)

本文依照月球表面重力環(huán)境搭建了地面試驗系統(tǒng)，主要驗證無補償器階段的排放過程。地面試驗系統(tǒng)的主要參數(shù)見表1。泵、熱沉、閥門等設(shè)備按照等體積等效為2 m長的管路，工質(zhì)為真實工質(zhì)全氟三乙胺。試驗過程中回路壓力為105Pa，高于管路本身重位壓降，便于觀察階段III至階段IV轉(zhuǎn)換過程中的壓力變化規(guī)律。

表1 地面試驗系統(tǒng)主要參數(shù)Table 1 Main parameters of experiment system

試驗系統(tǒng)模擬某型號流體回路系統(tǒng)，其流程如圖1所示。試驗系統(tǒng)由真空罐、等效管路以及壓力、溫度監(jiān)視系統(tǒng)組成，實物照片見圖2。系統(tǒng)管路采用能夠承受0.1 MPa負(fù)壓的PVC塑料軟管，在管路支架上按照圖1布置；管路的模擬高度為圖1系統(tǒng)實際豎直高度的1/6，以等效模擬月球重力的效應(yīng)，并采用等體積模擬和等阻力模擬的方式，將等效高度減少的管路長度通過水平盤管等長度替代；排放空間由KM2真空罐實現(xiàn)真空環(huán)境的模擬。

圖1 工質(zhì)排放地面試驗系統(tǒng)流程Fig.1 Flow chart of the ground experimental system for fluid evacuation

圖2 工質(zhì)排放地面試驗系統(tǒng)照片F(xiàn)ig.2 Photograph of the ground experimental system for fluid evacuation

試驗系統(tǒng)中布置：5個手閥，以實現(xiàn)試驗后工質(zhì)的分段收集；4個壓力傳感器，P1位于手閥4附近，P2位于管路最低點，P3位于逆重力上升點，P4位于排放口。此外，為模擬工質(zhì)沿程局部熱環(huán)境，布置5路控溫回路，加熱阻值20 Ω，其中，頂部管路布置3路（HT1～HT3），兩側(cè)管路各布置1路（HT4、HT5）；布置10個熱電偶測溫點，其中RD1～RD5為HT1～HT5的控溫點，RD6位于工質(zhì)排放閥閥體上，RD7位于管路最高點，RD8位于管路最低點，RD9位于真空罐排放口附近。各測控點的具體位置參見圖1所示。

3 試驗工況設(shè)置

本文設(shè)計3個試驗工況，以獲取排放過程中管路溫度和壓力變化規(guī)律，同時得出工質(zhì)沿程局部溫度和排放口溫度與排放速率的關(guān)系。

1）工況1：控溫回路不加熱，工質(zhì)溫度18 ℃，控制真空罐內(nèi)排放口初始溫度為18 ℃，控溫誤差±0.3 ℃；

2）工況2：控溫回路不加熱，工質(zhì)溫度18 ℃，控制真空罐內(nèi)排放口初始溫度為11 ℃，控溫誤差±0.3 ℃；

3）工況3：控溫回路按照表2預(yù)定溫度進(jìn)行控溫，工質(zhì)溫度18 ℃，排放口溫度18 ℃。

表2 控溫回路目標(biāo)值Table 2 Target temperature for the temperature-control loop

試驗初始真空度小于100 Pa，試驗過程中小于500 Pa。排放 15 min 后，收集手閥 4和手閥 5 之間管路的剩余工質(zhì)量，以評估工質(zhì)排放速率和效果。

4 試驗結(jié)果及分析

圖3～圖5分別給出了工況1～3試驗過程中各測控點的壓力和溫度變化曲線，工質(zhì)排放從第1 min 開始，第 16 min 結(jié)束。

圖3 工況 1 試驗過程管路壓力和溫度變化Fig.3 Temperature and pressure inside pipeline against time:Condition I

圖4 工況 2 試驗過程管路壓力和溫度變化Fig.4 Temperature and pressure inside pipeline against time:Condition II

圖5 工況 3 試驗過程管路壓力和溫度變化Fig.5 Temperature and pressure inside pipeline against time:Condition III

1）回路壓力

各工況的壓力變化曲線顯示：排放瞬間，管路內(nèi)的壓力從初始壓力105Pa直接跌落到20 kPa左右，與全氟三乙胺18 ℃下的飽和蒸氣壓一致，表明無補償器排放過程中回路初始壓力對工質(zhì)排放影響較小，排放瞬間均跌落到工質(zhì)飽和蒸氣壓附近。排放結(jié)束時，工質(zhì)排放口的壓力（P4示）為4.8～5.8 kPa，其他壓力測點的壓力約為 12～16 kPa。需要說明的是，排放口壓力低于對應(yīng)溫度下的工質(zhì)飽和蒸氣壓的原因為閃蒸發(fā)生需要一定的過熱。這會增加額外的排放驅(qū)動力。

2）回路溫度

各工況的溫度變化曲線顯示：工質(zhì)排放過程中，非排放口附近的管路溫度基本保持不變，波動在±0.5 ℃以內(nèi)，表明排放過程對非排放口附近管路溫度的影響不大。但在蒸發(fā)較劇烈的部位，如工質(zhì)排放閥處（RD6）和工質(zhì)排放口處（RD9）溫度較低，其中RD9處溫度最低在-3～2 ℃之間，并且先降后升，表明排放過程中的工質(zhì)蒸發(fā)越來越慢。

3）頂部管路剩余工質(zhì)量

頂部管路剩余工質(zhì)量可以用于評估排放的速率和效果，手閥4和手閥5之間的頂部管路的剩余工質(zhì)量如表3所示。各工況的剩余工質(zhì)量均較小，其中最多的工況2剩余工質(zhì)相對于回路工質(zhì)總質(zhì)量的占比僅為7.3%，對于航天器安全性已無影響。

表3 剩余工質(zhì)量Table 3 Remnant amount of the fluid

4）工況對比

頂部管路和排放口的壓力測點P1和P4所示壓力可以表征排放初始階段以及全過程的管路壓力變化規(guī)律；工質(zhì)排放閥和排放口的溫度測點RD6和RD9作為溫度變化劇烈的測點，可以表征排放過程中的管路溫度變化規(guī)律。圖6給出了各工況下這幾個測點的壓力和溫度變化對比。

圖6 各工況下典型管路壓力和溫度對比Fig.6 Comparison of typical temperature and pressure under three conditions

工況1和工況2的對比：2個工況的排放口溫度不同，但管路壓力、溫度的變化趨勢一致，頂部管路的壓力均先降到飽和蒸氣壓后緩慢上升，再緩慢下降；排放口的壓力由真空上升到飽和蒸氣壓后緩慢下降；工質(zhì)排放閥和排放口的溫度在波動中下降后緩慢上升。同時表3中這2個工況的工質(zhì)剩余量相差167 g，僅占工質(zhì)總質(zhì)量的2.8%，表明排放口溫度對工質(zhì)排放速率影響較小。此外，工況2的頂部管路壓力從排放時刻起上升持續(xù)時間較長，排放口壓力最低為5.8 kPa，工質(zhì)剩余量154 mL；而工況1的頂部管路壓力上升時間較短，排放口壓力最低為 4.8 kPa，工質(zhì)剩余量 248 mL。試驗過程表現(xiàn)為手閥4和手閥5之間的頂部管路內(nèi)從工質(zhì)排放2～8 min后開始出現(xiàn)可見氣泡，氣泡出現(xiàn)的時間對應(yīng)頂部管路壓力的下降沿。由于每次工質(zhì)的充裝會導(dǎo)致手閥4和手閥5之間頂部管路核化點位置和尺寸的隨機分布，表現(xiàn)為管內(nèi)出現(xiàn)可見氣泡的時間差異，最終導(dǎo)致相同排放時間內(nèi)2個工況的排放口最低壓力和工質(zhì)剩余量存在小幅差異。

工況3與工況1的對比：工況3的非排放口管路存在局部熱環(huán)境，但2個工況的頂部管路和排放口壓力，以及工質(zhì)排放閥和排放口的溫度變化趨勢一致，重合度高，工質(zhì)剩余量相當(dāng)，表明工質(zhì)沿程熱環(huán)境對于劇烈的閃蒸排放而言影響較小。

5）試驗有效性評估

由于試驗裝置采用柔性管，而壓力波在柔性管內(nèi)的傳播速度比在實際裝置的剛性鋁管內(nèi)的傳播速度小1個數(shù)量級（在剛性管內(nèi)出現(xiàn)氣泡的時間應(yīng)為數(shù)十s內(nèi)），故采用柔性管的排放試驗結(jié)果足以反映和預(yù)示實際在軌排放結(jié)果。

5 結(jié)論

全氟三乙胺工質(zhì)真空重位驅(qū)動排放地面試驗獲取了排放過程中管路壓力和溫度的變化規(guī)律，并對相關(guān)因素與排放速率的關(guān)系進(jìn)行了驗證，主要結(jié)論如下：

1）排放瞬間，回路壓力驟降到工質(zhì)飽和蒸氣壓附近，回路初始壓力對工質(zhì)排放影響較?。?/p>

2）排放過程對非排放口附近管路溫度影響不大，僅對蒸發(fā)排放口溫度影響較大；

3）工質(zhì)沿程局部溫度和排放口溫度對排放速率影響較小。