液體推進(jìn)劑的新型加注方法

孫迎霞，王 浩，陳 劍，趙 正

(上海空間推進(jìn)研究所，上海 201112)

0 引言

氦氣在常溫和常壓下是無(wú)色、無(wú)味、無(wú)臭氣體，近乎完全惰性。由于化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，很少有物質(zhì)能與其發(fā)生反應(yīng)[1-2]。因此，航天器推進(jìn)系統(tǒng)常選用氦氣作為液體推進(jìn)劑，尤其是氧化劑的加注擠壓介質(zhì)。

雖然氦氣化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，但若與液體推進(jìn)劑直接接觸會(huì)溶解其中，特別是在氧化劑中溶解度更大。溶解特性與壓力、溫度密切相關(guān)。當(dāng)壓力或溫度升高時(shí)，溶解增多；反之，則過(guò)飽和的氦氣就會(huì)從液體推進(jìn)劑中析出。

目前擠壓加注的加注容器通常不設(shè)隔膜，擠壓介質(zhì)與液體推進(jìn)劑直接接觸，在推進(jìn)劑加注和推進(jìn)系統(tǒng)工作過(guò)程中，壓力和溫度動(dòng)態(tài)變化，推進(jìn)劑與擠壓氣體溶解作用相互耦合，嚴(yán)重時(shí)會(huì)對(duì)加注過(guò)程本身以及推進(jìn)系統(tǒng)后續(xù)工作造成較大影響，極端嚴(yán)重時(shí)甚至影響任務(wù)成敗：①導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)供給壓力發(fā)生變化，進(jìn)而直接影響推進(jìn)系統(tǒng)增壓氣體用量等相關(guān)性能參數(shù)；②導(dǎo)致表面張力貯箱加注過(guò)程夾氣，輕則致使額定加注壓力下加注量不到位，重則改變貯箱本身固有頻率，降低貯箱剛度，影響貯箱在飛行主動(dòng)段的抗力學(xué)性能；③夾雜氣體的推進(jìn)劑在節(jié)流或降溫后，析出的氦氣匯集成氣泡，有造成嚴(yán)重氣蝕的風(fēng)險(xiǎn)。

本文對(duì)氦氣在氧化劑(以MON-1為代表)中的溶解特性進(jìn)行了分析，模擬加注過(guò)程中的壓力變化開(kāi)展了氦氣析出試驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上，提出一種新型非擠壓加注方法并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，為N2O4和MON系列推進(jìn)劑加注提供了一種新選擇。

1 溶解特性分析

氦氣在液體推進(jìn)劑中的溶解為典型的氣液相際傳質(zhì)過(guò)程。在恒定的溫度和壓力下，經(jīng)足夠時(shí)間的接觸后，氦氣吸收速率與解析速率達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，即氦氣在氣相中的分壓和液體中的濃度不再發(fā)生變化，此時(shí)，氣、液兩相達(dá)到相平衡狀態(tài)。對(duì)于相界面固定、兩相靜止的氦氣溶解現(xiàn)象，可以用雙膜理論進(jìn)行傳質(zhì)機(jī)理分析。1923年，Whitman首次提出了雙膜理論[3]，傳質(zhì)示意圖如圖1所示。圖1中：p為氣相主體氦氣分壓，Pa；pi為氣液界面氦氣分壓，Pa；Ci為氣液界面氦氣摩爾濃度，mol/m3；C為液相主體氦氣摩爾濃度，mol/m3。

氦氣為惰性氣體，不與推進(jìn)劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)(即氣、液相中氣體分子狀態(tài)相同)，在總壓不太大的情況下(≤0.5 MPa)，分壓與摩爾濃度的關(guān)系服從亨利定律；在等溫等壓下，某種揮發(fā)性溶質(zhì)(一般為氣體)在溶液中的溶解度與液面上該溶質(zhì)的平衡壓力成正比

pe=HCe

(1)

式中：pe為氣體的平衡分壓，MPa；Ce為氣體摩爾濃度，mol/m3；H為亨利常數(shù)，MPa·m3/mol，與溫度、溶質(zhì)和溶劑的特性相關(guān)。由此可知，在推進(jìn)劑加注中，在加注容器內(nèi)與推進(jìn)劑接觸的氦氣的擠壓壓力越大，那么溶解在推進(jìn)劑中的氦氣量越大。

圖1 雙膜理論傳質(zhì)示意圖Fig.1 Two-film theory

氦氣溶解度定義為：溶解飽和狀態(tài)下單位質(zhì)量推進(jìn)劑溶解的氦氣質(zhì)量或單位體積推進(jìn)劑溶解的氦氣標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)體積。用溶解質(zhì)量表示的氦氣溶解度

(2)

式中：α為推進(jìn)劑中氣體的溶解度，%；m為推進(jìn)劑質(zhì)量，kg；m1為試驗(yàn)起始時(shí)氣體質(zhì)量，kg；m2為試驗(yàn)終了時(shí)氣體質(zhì)量，kg。m1與m2可通過(guò)如下公式求得

(3)

式中：p為氣體壓力，Pa；V為氣體容積，m3；M為氣體分子量，g/mol；R為氣體常數(shù)，8.314 5 J/(g·K)；T為氣體溫度，K。

文獻(xiàn)[4-5]給出了氦氣在N2O4、MON-1推進(jìn)劑中的溶解度情況，如表1和表2所示。

表1 氦氣在N2O4中的溶解度的試驗(yàn)結(jié)果

表2 氦氣在MON-1中的溶解度

當(dāng)氦氣與推進(jìn)劑處于平衡狀態(tài)下，且氦氣自身的平衡壓力為101.325 kPa時(shí)，溶解于1 mL推進(jìn)劑中的氣體標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(237.15 K，101.325 kPa)體積。

從表1和表2可知，隨著溫度和壓力的升高，氦氣在氧化劑中的溶解度隨之增大。對(duì)于大容積表面張力貯箱，通常采用氦氣擠壓加注容器、貯箱維持氦氣背壓的方法進(jìn)行氧化劑加注，加注過(guò)程中及加注后推進(jìn)劑溫度通常在室溫附近，加注時(shí)加注容器擠壓壓力一般在0.3～0.6 MPa(表壓)左右，由表2可見(jiàn)，在此溫度和壓力下，氦氣在氧化劑中的標(biāo)準(zhǔn)溶解度較大，勢(shì)必對(duì)加注后推進(jìn)系統(tǒng)特性產(chǎn)生影響。資料調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外關(guān)于氦氣在推進(jìn)劑中溶解的資料都是基于較大壓力情況(一般都在0.7 MPa以上)，且多為靜壓下氦氣的溶解情況的理論研究，鮮有看到研究加注過(guò)程本身的。在推進(jìn)劑加注過(guò)程中，推進(jìn)劑從加注容器沿加注管路流動(dòng)，是壓力逐步下降的過(guò)程，壓力在加注容器處最高，在進(jìn)入貯箱處達(dá)到最低點(diǎn)，因此在加注容器內(nèi)溶解于推進(jìn)劑中并達(dá)到飽和的氦氣，會(huì)隨著推進(jìn)劑壓力下降而逐步析出，這是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，也是工程實(shí)際中更需加以關(guān)注的過(guò)程，對(duì)此進(jìn)行研究并給出可行的工程解決方案。

2 氦氣在MON-1中的動(dòng)態(tài)溶解特性試驗(yàn)研究

2.1 夾氣計(jì)算

以下取某型號(hào)680 L貯箱加注狀態(tài)為例進(jìn)行分析。該型號(hào)采用表面張力貯箱，單箱推進(jìn)劑加注量為640 L，有推進(jìn)劑管理的下艙容積為50 L，則推進(jìn)劑淹沒(méi)全部管理艙后，還將繼續(xù)加注590 L。正常情況下，這590 L推進(jìn)劑加注過(guò)程中析出的氦氣將被管理裝置捕獲而留在下艙。

假設(shè)MON-1加注時(shí)加注容器擠壓壓力維持在0.5 MPa(表壓)，貯箱背壓維持在0.1 MPa(表壓)。因加注前加注容器內(nèi)的MON-1已與擠壓氦氣充分接觸，氦氣溶解達(dá)到飽和，則在推進(jìn)劑流動(dòng)過(guò)程中會(huì)因加注系統(tǒng)液路管網(wǎng)壓力逐漸衰減而不斷析出之前所溶解的氦氣，加注結(jié)束后，氦氣在推進(jìn)系統(tǒng)貯箱內(nèi)達(dá)到0.1 MPa下新的飽和溶解。因氦氣在推進(jìn)劑內(nèi)的溶解度隨壓力、溫度不同而不同，故加注過(guò)程中析出氦氣的總量，亦應(yīng)與加注初始狀態(tài)、末了狀態(tài)的溫度、壓力參數(shù)以及推進(jìn)劑加注量密切相關(guān)。

國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)均未查及氦氣在MON-1中溶解度計(jì)算的精確模型。美國(guó)根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算的氦氣溶解度與溫度、壓力的關(guān)系式如下[6-10]

S(MON-1)=-0.247 401+15.127 1p+0.002 313t

(4)

式中：S為溶解度，mL/mL；p為壓力，Pa；t為溫度，℃。

式(4)對(duì)1 MPa以上壓力誤差較小，但對(duì)本文研究的壓力較低的加注過(guò)程而言，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)誤差極大，無(wú)法采用。故本文以對(duì)表2進(jìn)行擬合的方法進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)計(jì)算，加注590 L MON-1推進(jìn)劑后析出的氦氣總量為47.59 L(STP)，如此大的氦氣析出量會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)推進(jìn)劑夾氣、加注提前溢出等風(fēng)險(xiǎn)。

雖然通過(guò)降低加注壓力、提高貯箱背壓可以減少析出氣體的量，但無(wú)法從根本上解決氦氣析出問(wèn)題。比如，把加注容器擠壓壓力降低到0.3 MPa(表壓)，把貯箱背壓提高到0.15 MPa(表壓)，經(jīng)計(jì)算，析出的氦氣量約為16.96 L(STP)。此外，降低加注容器和提高貯箱背壓，還會(huì)導(dǎo)致加注流量下降并進(jìn)而大大延長(zhǎng)加注時(shí)間。因此，對(duì)于工程應(yīng)用實(shí)際來(lái)說(shuō)，并不是一種最佳的解決方案[11-15]。

2.2 加注過(guò)程夾氣試驗(yàn)

為驗(yàn)證實(shí)際加注過(guò)程中貯箱的夾氣情況，開(kāi)展了推進(jìn)劑加注專項(xiàng)試驗(yàn)。試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖如圖2所示，推進(jìn)劑使用綠色四氧化二氮MON-1。

1-氦氣源；2，3，7，10-截止閥；4-壓力傳感器P1；5-加注容器；6-流量計(jì)；8-貯箱試驗(yàn)件；9-壓力傳感器P3。圖2 加注試驗(yàn)原理圖Fig.2 Schematic of injection experiment apparatus

試驗(yàn)采用一個(gè)內(nèi)部設(shè)置表面張力網(wǎng)的容積為2 L的貯箱試驗(yàn)件來(lái)模擬表面張力貯箱的管理裝置，以此捕獲氦氣。通過(guò)截止閥(序號(hào)7)和較長(zhǎng)的金屬軟管(約20 m)調(diào)節(jié)流阻，建立推進(jìn)劑加注容器和貯箱試驗(yàn)件之間的液路壓差。每輪試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，管路、貯箱試驗(yàn)件內(nèi)均充填滿推進(jìn)劑，試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)監(jiān)測(cè)貯箱試驗(yàn)件的質(zhì)量變化來(lái)獲得其內(nèi)蓄留的氣體量。

設(shè)置不同的加注擠壓壓力(p1)、貯箱試驗(yàn)件出口壓力(p3)和推進(jìn)劑溫度(T)等參數(shù)，進(jìn)行了多輪加注試驗(yàn)。以推進(jìn)劑過(guò)流量為橫坐標(biāo)，貯箱試驗(yàn)件質(zhì)量減少量(可用于推算氣團(tuán)容積)為縱坐標(biāo)繪制曲線，結(jié)果如圖3(a)～3(c)所示。

從圖3(a)可知，壓差為0.48 MPa下，過(guò)流20 kg MON-1，過(guò)濾器質(zhì)量減輕0.65 kg，考慮18 ℃氧化劑密度，相當(dāng)于產(chǎn)生了0.448 L氣團(tuán)，推算過(guò)流590 L MON-1，將產(chǎn)生19.16 L氣團(tuán)。

從圖3(b)可知，壓差為0.15 MPa下，過(guò)流20 kg綠氮，過(guò)濾器質(zhì)量減輕0.20 kg，考慮18 ℃氧化劑密度，相當(dāng)于產(chǎn)生了0.138 L氣團(tuán)，推算過(guò)流590 L MON-1，將產(chǎn)生5.90 L氣團(tuán)。

從圖3(c)可知，壓差為0.1 MPa下，過(guò)流20 kg MON-1，過(guò)濾器質(zhì)量減輕0.16 kg，考慮18 ℃氧化劑密度，相當(dāng)于產(chǎn)生了0.110 L氣團(tuán)，推算過(guò)流590 L MON-1，將產(chǎn)生4.71 L氣團(tuán)。

圖3 試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Test results

此外，為驗(yàn)證試驗(yàn)系統(tǒng)的有效性，采用1件100 L金屬膜片貯箱代替加注容器，將增壓氦氣與推進(jìn)劑物理隔離進(jìn)行加注，結(jié)果如圖3(d)所示。

從圖3(d)可知，使用金屬膜片貯箱作為加注容器后，在加注容器內(nèi)增壓氦氣與推進(jìn)劑物理隔離，推進(jìn)劑過(guò)流31 kg，過(guò)濾器質(zhì)量基本保持不變，說(shuō)明無(wú)氦氣持續(xù)析出現(xiàn)象發(fā)生。

理論計(jì)算與專項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果均表明，在表面張力貯箱加注過(guò)程中，氦氣在氧化劑中的溶解情況動(dòng)態(tài)變化，因管網(wǎng)系統(tǒng)壓力衰減而析出氦氣，析出的氣體量與加注系統(tǒng)壓差相關(guān)，隨壓差增大而增大。無(wú)論壓差控制得多么低，只要存在壓差，即便增壓壓力為0.2 MPa(表壓)，貯箱背壓為0.1 MPa(表壓)狀態(tài)，依然會(huì)有氣體持續(xù)析出。

此外需要指出的是，在進(jìn)行氣體析出量計(jì)算時(shí)，計(jì)算結(jié)果在數(shù)值上會(huì)比試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果要大，這是由于缺乏MON-1溶解度隨溫度的準(zhǔn)確變化關(guān)系，故在STP數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為試驗(yàn)對(duì)應(yīng)條件時(shí)未對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度修整導(dǎo)致的。

3 新型加注方法

3.1 基于隔膜泵的加注方案概況

基于理論和專項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果，得到了加注過(guò)程中氦氣在高壓狀態(tài)下溶解、低壓狀態(tài)下析出的特性，在此基礎(chǔ)上本文提出了一種新型加注方法，該加注方法可以在推進(jìn)劑加注容器的氦氣增壓壓力小于推進(jìn)系統(tǒng)貯箱背壓的情況下實(shí)現(xiàn)順利加注，從根本上解決了傳統(tǒng)加注方法必然出現(xiàn)的氦氣析出問(wèn)題。

該方案采用氣動(dòng)隔膜泵。氣動(dòng)隔膜泵的原理與常用的氣動(dòng)增壓泵類似，即通過(guò)驅(qū)動(dòng)氣體的驅(qū)動(dòng)，推動(dòng)活塞擠壓工質(zhì)，最終將液體推進(jìn)劑加注進(jìn)入貯箱。

方案的特點(diǎn)：①推進(jìn)劑入口壓力可以低于貯箱背壓，全過(guò)程避免氦氣析出；②采用氣體驅(qū)動(dòng)，無(wú)需用電，不會(huì)引入對(duì)加注過(guò)程的新隱患；③通過(guò)調(diào)整驅(qū)動(dòng)氣壓力可以改變活塞作動(dòng)頻率，并以此來(lái)調(diào)整加注速率，方法簡(jiǎn)單可靠。

3.2 加注試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文所述隔膜泵加注方案的可行性，選取嫦娥五號(hào)軌道器680 L表面張力貯箱進(jìn)行真實(shí)推進(jìn)劑加注試驗(yàn)，以驗(yàn)證加注全程是否還會(huì)出現(xiàn)夾氣現(xiàn)象。試驗(yàn)原理圖如圖4所示。

隔膜泵接在加注容器出口，貯箱入口管路處接一個(gè)30 L緩沖容器(加注前充填滿)，下方放置一個(gè)電子秤，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)加注過(guò)程是否夾氣，貯箱下方放置一個(gè)電子秤，用于監(jiān)測(cè)推進(jìn)劑加注量。

1-氦氣源；2,3,10,13,15-截止閥；4-壓力傳感器；5-加注容器；6-氣動(dòng)隔膜泵；7-控制閥；8-驅(qū)動(dòng)氣源；9-流量計(jì)；11-緩沖容器；12-壓力傳感器；14-680 L貯箱。圖4 680L貯箱加注試驗(yàn)原理圖Fig.4 The schematic of 680L propellant tank injection test apparatus

試驗(yàn)結(jié)果如下：貯箱加氦氣背壓0.16～0.18 MPa，加注擠壓壓力0.06～0.15 MPa，貯箱最終加注量為997.5 kg(按照貯箱容積和氧化劑密度計(jì)算貯箱已經(jīng)加滿)，加注時(shí)長(zhǎng)約4 h，加注過(guò)程中最小流量為3 kg/min，可以根據(jù)實(shí)際需求通過(guò)調(diào)整截止閥將流量調(diào)至更小，最大流量為10 kg/min，該加注流量滿足表面張力貯箱的工作需求。

緩沖容器在整個(gè)加注過(guò)程中，質(zhì)量一直維持在43.75 kg，這說(shuō)明在整個(gè)加注過(guò)程中貯箱未出現(xiàn)夾氣現(xiàn)象。

試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)隔膜泵系統(tǒng)進(jìn)行了分解，試驗(yàn)系統(tǒng)完好，未發(fā)現(xiàn)推進(jìn)劑不相容現(xiàn)象。后續(xù)又對(duì)隔膜泵進(jìn)行了MON-1和甲基肼為期30天的浸泡試驗(yàn)，結(jié)果表明隔膜泵材料與推進(jìn)劑均為一級(jí)相容。

使用本文所述的新型加注方法對(duì)某型號(hào)全系統(tǒng)熱試車產(chǎn)品的570 L貯箱進(jìn)行了推進(jìn)劑加注，取得圓滿成功，進(jìn)一步驗(yàn)證了加注方案的可行性，后續(xù)擬使用該方法用于相關(guān)型號(hào)的發(fā)射場(chǎng)推進(jìn)劑加注。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)氦氣在MON-1中溶解特性的分析，以及模擬加注過(guò)程的專項(xiàng)試驗(yàn)，驗(yàn)證了氦氣在高壓區(qū)溶解、低壓區(qū)析出的規(guī)律，證明了傳統(tǒng)擠壓加注方法因無(wú)法避免氦氣析出現(xiàn)象，給推進(jìn)系統(tǒng)帶來(lái)隱患。在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于氣動(dòng)隔膜泵的加注方法，完成了加注約1 t推進(jìn)劑、時(shí)長(zhǎng)4 h情況下無(wú)氦氣夾氣的試驗(yàn)驗(yàn)證。本文所做工作為推進(jìn)劑及相關(guān)模擬液的加注提供了一種新選擇，并選用了570 L貯箱進(jìn)行了推進(jìn)劑加注，試驗(yàn)表明該方法徹底解決了推進(jìn)劑夾氣問(wèn)題，尤其適用于長(zhǎng)時(shí)、貯箱容量百升甚至千升的推進(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)劑加注。