液氦在軌補(bǔ)給技術(shù)現(xiàn)狀分析

王 華， 崔村燕， 陳景鵬， 張 宇， 孫 健， 李 偉

（1.裝備學(xué)院 航天裝備系，北京101416； 2.裝備學(xué)院 訓(xùn)練部，北京101416）

為一些在軌飛行器所攜帶的科學(xué)儀器補(bǔ)給液氦，可顯著提升其完成任務(wù)的能力［1－3］。目前，所有要求溫度低于5K的空間載荷都用超流體氦降溫［4－7］，包括空 間 紅 外 望 遠(yuǎn) 鏡 設(shè) 施（space infrared telescope facility，SIRTF）、大 型 展 開(kāi) 式 反 射 器（large deployable reflector，LDR）和引力探測(cè)器－B（gravity probe－B，GP－B），還包括哈伯天文望遠(yuǎn)鏡（Hubble space telescope，HST）和高級(jí)X射線天文物 理設(shè)備（advanced X－ray astrophysics facility，AXAF）上的某些儀器。在軌補(bǔ)給將會(huì)延長(zhǎng)這些任務(wù)的壽命，與回收這些系統(tǒng)－在地面進(jìn)行補(bǔ)給－再重新發(fā)射相比，困難小、無(wú)延遲、成本低。對(duì)于一些特殊的系統(tǒng)（如LDR），在太空中組裝完成，很難返回地球，必須依靠在軌補(bǔ)給來(lái)延長(zhǎng)其壽命。

由于液氦屬于低溫流體，其在空間的貯藏、轉(zhuǎn)移技術(shù)與常規(guī)推進(jìn)劑差異較大，一些傳統(tǒng)、成熟的技術(shù)無(wú)法用在液氦的在軌補(bǔ)給方面。世界上的航天大國(guó)，尤其是美國(guó)，很早就認(rèn)識(shí)到液氦補(bǔ)給對(duì)于深空探測(cè)的重要意義，因而早在20世紀(jì)70年代就開(kāi)始發(fā)展相關(guān)的技術(shù)。

1 液氦補(bǔ)給方式分析

液體的在軌補(bǔ)給技術(shù)發(fā)展已經(jīng)有數(shù)十年，有以下補(bǔ)給的方法［8－10］。

1）毛細(xì)裝置僅適用于小貯箱，或者殘余加速度與典型的飛行器環(huán)境相比較小的狀態(tài)。

2）飛行器可以通過(guò)快速旋轉(zhuǎn)使供給方和受補(bǔ)方貯箱內(nèi)發(fā)生氣液分離，通過(guò)對(duì)供給方貯箱施加微小壓力，液體可以完成轉(zhuǎn)移，但這種技術(shù)在空間站實(shí)現(xiàn)比較困難。如果利用猛沖的方法獲得模擬重力，供給貯箱必須與前方的受補(bǔ)貯箱相連，當(dāng)受補(bǔ)方被猛推向更高軌道時(shí)，完成體轉(zhuǎn)移。在轉(zhuǎn)移結(jié)束之后，供給貯箱必須返回地球或者丟棄。

3）利用氣囊推動(dòng)供給液體的方法已經(jīng)用于可在太空環(huán)境下貯存的液體。把這種方法應(yīng)用到低溫液體轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵是要找到一種可制作此類(lèi)氣囊的材料以及對(duì)氣囊施加壓力的方法。氣囊既要有彈性，又要有密封性。由于超流體氦比其他物質(zhì)都更容易泄露，所以密封性比較難以實(shí)現(xiàn)，只有薄金屬膜能滿足這種要求。對(duì)氣囊施加壓力的通常方法是利用不可壓氣體從膜的一邊施加壓力。但這種方法顯然不適用于液氦系統(tǒng)，因?yàn)闆](méi)有適合的不可壓氣體可用。所有的氣體，即便是氦的同位素，在所需壓力達(dá)到前都會(huì)凝結(jié)。氣囊也可通過(guò)螺線管、電機(jī)驅(qū)動(dòng)，或者遠(yuǎn)程活塞驅(qū)動(dòng)桿驅(qū)動(dòng)。這些方法需要低溫機(jī)械及施加較大的力，對(duì)于一個(gè)104L的球形貯箱，需要的力大于2×106N。

4）替換低溫貯箱。如果低溫貯箱在被冷卻設(shè)備之外，則比較容易實(shí)現(xiàn)。此結(jié)構(gòu)有2個(gè)弊端：一是增加因耦合而產(chǎn)生的寄生熱負(fù)載（減少低溫系統(tǒng)的壽命）；二是難以對(duì)所需冷卻的設(shè)備進(jìn)行充分冷卻。實(shí)際上，許多裝置需要通過(guò)與低溫貯箱直接接觸而獲得足夠的冷卻效果，這樣易于安排內(nèi)部的貯箱。若利用貯箱置換的方法更換內(nèi)部的液氦貯箱，則內(nèi)部的貯箱與其他設(shè)備必須絕緣；更換的過(guò)程中，不僅需要可拆卸的絕緣連接裝置，而且要求次連接裝置的熱導(dǎo)率極高。此外，還需要一個(gè)特定的絕緣室，以保護(hù)低溫貯箱在運(yùn)輸和置換過(guò)程中免遭污染和熱載荷的影響。

5）在轉(zhuǎn)移過(guò)程及之后，把制冷劑從高壓冷氣體變成液體。這個(gè)過(guò)程效率極低，因?yàn)橹挥幸徊糠止┙o氣體可以液化，其余的將作為低壓氣體排出，而且在保證沒(méi)有液體逃逸的前提下抽空其他氣體也是非常困難的。

6）利用機(jī)械泵驅(qū)動(dòng)液氦。但設(shè)計(jì)出在液氦的溫度下能夠正常工作的機(jī)械泵還需要很多關(guān)鍵技術(shù)需要突破。

綜上所述，前5種方法都不適用于液氦的在軌轉(zhuǎn)移，而第6種方法也是不現(xiàn)實(shí)的。因此，本文將介紹一種利用液氦特有的超流體性質(zhì)而實(shí)現(xiàn)有效在軌轉(zhuǎn)移的熱機(jī)械泵機(jī)制。

2 液氦在軌轉(zhuǎn)移機(jī)制

在飽和蒸汽壓下，2.17K時(shí)，液氦發(fā)生相變（λ轉(zhuǎn)變），如圖1所示［11］。

圖1 氦的溫度－壓強(qiáng)相變圖

低溫相就是超流體氦，因?yàn)樵谶@樣的條件下，氦已經(jīng)表現(xiàn)出無(wú)黏流動(dòng)特性。超流體狀態(tài)可描述為2類(lèi)流體的弱相互作用，一類(lèi)是“正常”流體，具有密度ρn和黏性ηn，另一類(lèi)為“超流體”，密度為ρs，黏度為0。此狀態(tài)下液氦的密度可由2類(lèi)液體的密度計(jì)算得到。正常組分可能攜帶熵S，而超流體組分處于較低能量狀態(tài)，因而不攜帶熱量。2類(lèi)流體模型可用于解釋超流體氦的獨(dú)特效果——熱機(jī)械效應(yīng)，對(duì)于把超流體氦從一個(gè)容器向另一個(gè)容器轉(zhuǎn)移比較有利。

假設(shè)容器A和B都裝有超流體氦，2個(gè)容器之間有管道連接。初始時(shí)，A和B的溫度一致，如果加熱容器A，熱量將會(huì)通過(guò)正常組分傳到B，流動(dòng)速度為vn。同時(shí)，受化學(xué)勢(shì)能差的驅(qū)動(dòng)，超流體組分將從B逆流向A，直到兩邊的密度和液面相等。如果此時(shí)在連接管道上開(kāi)一些細(xì)孔，超流體組分仍然由B流向A，另外，由于其有限的黏性，正常組分由A向B的流動(dòng)將受阻。如果孔足夠小，實(shí)際上就沒(méi)有正常組分由A流向B，也就沒(méi)有熱量傳遞。這樣TA顯然會(huì)上升，液面也隨之上升。這樣轉(zhuǎn)移過(guò)程將會(huì)持續(xù)，直到液體流入B，二者的液面一樣高。液氦在軌轉(zhuǎn)移機(jī)制如圖2所示。

A和B之間的靜壓力為

式中：ρ是氦的密度；S是比熵；ΔT為通過(guò)孔時(shí)的溫降（TA－TB）。ΔP亦稱為熱機(jī)械效應(yīng)或者噴泉效應(yīng)壓力，其值可達(dá)半個(gè)大氣壓，或更高。

圖2 液氦在軌轉(zhuǎn)移機(jī)制示意圖

3 液氦轉(zhuǎn)移技術(shù)在軌驗(yàn)證試驗(yàn)

目前已經(jīng)公開(kāi)發(fā)布的液氦轉(zhuǎn)移技術(shù)在軌驗(yàn)證試 驗(yàn) 只 有NASA的SHOOT項(xiàng) 目［12－14］。超 流 體氦在軌轉(zhuǎn)移（SHOOT）飛行驗(yàn)證的目的是驗(yàn)證空間氦在軌補(bǔ)給技術(shù)，同時(shí)，也發(fā)展了一些在太空中使用超流體氦的通用裝置。

SHOOT在1993年6月21日 作 為STS－57（shuttle transport system，STS）的部分任務(wù)在空間在軌飛行器上開(kāi)展。在軌操作包括3個(gè)階段：把超流體氦泵出并用電子設(shè)備檢驗(yàn)，在地面控制氦的轉(zhuǎn)移，由宇航員控制轉(zhuǎn)移。

3.1 SHOOT計(jì)劃的主要硬件及功能

超流體轉(zhuǎn)移的第1步就是在供給杜瓦瓶?jī)?nèi)收集液體，把其注入到泵的入口管道內(nèi)。這個(gè)任務(wù)由液體獲取裝置（liquid acquisition device，LAD）完成。表面張力通過(guò)2種不同的途徑把2個(gè)杜瓦瓶?jī)?nèi)的液體定位。在左舷杜瓦瓶?jī)?nèi)，LAD是由60個(gè)徑向的鋁制Mylar?葉片組成，這些葉片在泵的周?chē)纬闪艘环N“海綿”結(jié)構(gòu)。表面張力將增大液體／蒸氣交界面的曲率，使液體聚集在杜瓦瓶中心。右舷杜瓦瓶的LAD包括4個(gè)沿著壁面的通道，與底部的泵連接，如圖3所示。每個(gè)通道在靠近壁面的地方都覆蓋了一個(gè)薄網(wǎng)屏。網(wǎng)屏由超流體浸沒(méi)，表面張力阻止了貯箱內(nèi)的氣泡進(jìn)入通道。這樣，除非在通道內(nèi)自發(fā)地產(chǎn)生氣泡（空穴），只要有很小的壓差，就可把純液體向泵輸送。LAD和杜瓦瓶?jī)?nèi)其余部分的液體位置由液體／蒸氣分辨器（liquid／vapor discriminator，LVD）檢測(cè)。

圖3 右舷杜瓦瓶結(jié)構(gòu)示意圖

LAD收集的液體供給到熱機(jī)械泵的入口，這個(gè)泵是基于“噴泉效應(yīng)”工作的，這是超流體氦的特殊現(xiàn)象。泵提供的壓差約為60kPa，用于驅(qū)動(dòng)液體從供給貯箱向受補(bǔ)貯箱轉(zhuǎn)移。首先，被轉(zhuǎn)移的液體使轉(zhuǎn)移管路冷卻，通過(guò)供給杜瓦瓶?jī)?nèi)的閥門(mén)B和J，以及受補(bǔ)杜瓦瓶?jī)?nèi)的閥門(mén)J、E和G，并被排向太空。當(dāng)管路冷卻時(shí)，閥門(mén)E關(guān)閉，閥門(mén)C開(kāi)啟，液體直接進(jìn)入受補(bǔ)貯箱。轉(zhuǎn)移率由文氏流量計(jì)和熱機(jī)械泵的熱量計(jì)監(jiān)測(cè)。任務(wù)過(guò)程中，在泵的下游供給0.5～22 W熱量，使得流率達(dá)到10（轉(zhuǎn)移管道預(yù)冷）～720L／h。

2類(lèi)相分離器用于使液體保留在杜瓦瓶?jī)?nèi)，把氣化的氣體排空，用蒸發(fā)潛熱冷卻剩余的液體。低流動(dòng) 性 相 分 離 器（low flow phase separator，LFPS）是一種新設(shè)計(jì)，可使正常組分的氦和超流體組分的氦都從蒸氣中分離。這使杜瓦瓶在軌時(shí)可從發(fā)射時(shí)的初始溫度上升到超過(guò)超流體的溫度；也可以在減少發(fā)射前，用于保持超流體狀態(tài)的真空系統(tǒng)的重量，節(jié)約費(fèi)用。高流動(dòng)性相分離器（high flow phase separator，HFPS）是以前用于空間飛行器杜瓦瓶的多空塞設(shè)計(jì)的延伸。然而，HFPS更大更薄，孔也較大，以使流率更高。

SHOOT在內(nèi)部的管件中用了2種尺寸的低溫閥門(mén)，這些步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的閥門(mén)對(duì)于超流體的密封性非常好，對(duì)于許多熱循環(huán)和開(kāi)放／封閉循環(huán)都是可靠的。每個(gè)杜瓦瓶?jī)?nèi)的液體數(shù)量由熱脈沖質(zhì)量規(guī)精確的確定。熱脈沖質(zhì)量規(guī)技術(shù)利用了超流體極高的熱傳導(dǎo)特性，以及液體氦和其蒸氣的焓，在5～30s內(nèi)向液體施加1～50 W的脈沖熱，并測(cè)試其溫升，在已知液體和氣體的比焓和密度的條件下，可很容易地計(jì)算出貯箱內(nèi)液體的體積。

3.2 任務(wù)之前的未知因素

在飛行之前，很多有關(guān)各種組件的在軌性能及過(guò)程都不知道，這也是需要開(kāi)展空間飛行實(shí)驗(yàn)的理由。這些未知因素如下：

1）LAD性能。①網(wǎng)屏通道在微重力環(huán)境下何時(shí)產(chǎn)生空穴？②強(qiáng)烈的宇宙射線入射是否會(huì)使得空穴的產(chǎn)生比預(yù)期的快得多？③飛行器的加速度對(duì)于LAD性能有何影響？④不同類(lèi)型LAD的貯箱效率是多少？⑤填充一個(gè)LAD需要多久，在空穴之后多久才可以重新啟動(dòng)轉(zhuǎn)移？

2）液體／蒸氣分辨器（LVD）。①在微重力環(huán)境中，較低的靜壓對(duì)于開(kāi)／關(guān)狀態(tài)有何影響？②在超流體膜較厚的條件下，檢測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間是多少？

3）高流動(dòng)性相分離器（HFPS）。既然由于較大的靜壓而使得無(wú)法完成全部地面測(cè)試，那么相分離器在空間的工作是否會(huì)正常？

4）質(zhì)量規(guī)。①在氣泡形成之前，熱量需要多久能注入液體中？②環(huán)境輻射是否會(huì)影響溫度測(cè)定？

5）層化。①發(fā)射會(huì)對(duì)分層的液體有何影響？②在加速度非常小的條件下，液體是否會(huì)在被泵抽走的過(guò)程中重新分層？

此外，其他已經(jīng)在地面經(jīng)過(guò)測(cè)試的組件也要進(jìn)行飛行驗(yàn)證。整個(gè)轉(zhuǎn)移過(guò)程要作為一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。

3.3 SHOOT的結(jié)果分析

SHOOT計(jì)劃利用2種杜瓦瓶?jī)?nèi)的液體獲取裝置和熱機(jī)械泵在杜瓦瓶之間完成8次超流體轉(zhuǎn)移，結(jié)果如表1所示，轉(zhuǎn)移速率為70～72L／h。轉(zhuǎn)移Gs和I2s分別是轉(zhuǎn)移G和I2之后的短期轉(zhuǎn)移，是為了在下次轉(zhuǎn)移之前把供給杜瓦瓶外部的殘留液體吹除；轉(zhuǎn)移H和G終止的原因是飛行器的加速度較大（約7×10－3g），使得液體偏離了泵。表1中，7次轉(zhuǎn)移是由地面控制的，另一次轉(zhuǎn)移是由宇航員在飛行器的尾部平臺(tái)上通過(guò)1臺(tái)計(jì)算機(jī)和專(zhuān)家系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)控制的。液體獲取裝置可以收集貯箱內(nèi)83%～98%的液體，收集率依賴于裝置的類(lèi)型和流率。轉(zhuǎn)移率由2類(lèi)流量計(jì)測(cè)試：其一是文氏，其二是利用泵的溫降。流量計(jì)的誤差因流率不同而在1%～3%變動(dòng)，熱脈沖質(zhì)量規(guī)技術(shù)的誤差也為1%～3%，這種精度也可滿足轉(zhuǎn)移過(guò)程中測(cè)試的需求。研究發(fā)現(xiàn)，在微重力環(huán)境中，加熱器的功率上限在加熱的延伸段內(nèi)可以達(dá)到11 W。如果功率更大，會(huì)導(dǎo)致氣泡的產(chǎn)生，從而阻止熱流進(jìn)入液體。相反，在地面時(shí)，同樣的加熱器功率可以超過(guò)50 W，仍然可以保持向液體中注入熱量的良好狀態(tài)。在任務(wù)之前的另一個(gè)考慮是電磁場(chǎng)的范圍和帶電粒子與精密質(zhì)量規(guī)所需的靈敏度較高的溫度測(cè)試裝置之間的相互作用。在臨近SHOOT操作結(jié)束時(shí)，加熱其中一個(gè)杜瓦瓶，并發(fā)現(xiàn)僅僅需要損耗少量液體，就可以使被加熱的杜瓦瓶冷卻和填充。

表1 8次轉(zhuǎn)移的主要數(shù)據(jù)

泵初始工作時(shí)損耗的液體較多，特別是右舷杜瓦瓶。據(jù)猜測(cè)，右舷的HFPS被損壞了。飛行后的檢查發(fā)現(xiàn)HFPS沒(méi)有被損壞。進(jìn)一步的分析揭示出：由于高蒸發(fā)率產(chǎn)生的相分離器入口和杜瓦瓶?jī)?nèi)剩余液體之間的巨大溫差，2個(gè)杜瓦瓶?jī)?nèi)的HFPS都會(huì)產(chǎn)生液體逃逸。只要杜瓦瓶?jī)?nèi)的溫度高于1.7K，就會(huì)有較高的蒸發(fā)率，HFPS的關(guān)閉閥門(mén)D就會(huì)被打開(kāi)。在許多轉(zhuǎn)移中，受補(bǔ)杜瓦瓶?jī)?nèi)的溫度都會(huì)達(dá)到這個(gè)溫度，2個(gè)杜瓦瓶在初始啟動(dòng)泵時(shí)所需的操作溫度也可達(dá)到這個(gè)溫度。左舷杜瓦瓶在初始啟動(dòng)泵時(shí)，損耗的液體比右舷的少，這是因?yàn)樽笙螸AD可以使更多的液體保持在遠(yuǎn)離HFPS的位置。超流體氦杜瓦瓶的改進(jìn)設(shè)計(jì)需要考慮這個(gè)區(qū)域的熱交換，以避免此類(lèi)問(wèn)題。

在發(fā)射之前，杜瓦瓶?jī)?nèi)的液體在溫度上是分層的，即存在溫度梯度。在泵已經(jīng)啟動(dòng)并且氦仍然保持在正常狀態(tài)時(shí)，在軌采集的數(shù)據(jù)顯示液體在發(fā)射之后混合得非常充分，再次出現(xiàn)的分層液體很少，主要在左舷杜瓦瓶?jī)?nèi)。理論上，左舷LAD的葉片阻止了對(duì)流，從而允許部分層流出現(xiàn)，但在開(kāi)放狀態(tài)的右舷杜瓦瓶?jī)?nèi)，對(duì)流限制了層流。

在任務(wù)的前期對(duì)LVD進(jìn)行了標(biāo)定。首先，質(zhì)量規(guī)用于確定每個(gè)杜瓦瓶?jī)?nèi)的液體體積。然后，軌道飛行器以3°／s旋轉(zhuǎn)，把液體置于杜瓦瓶的前端，以建立一個(gè)已知的液／氣界面。改變施加在LVD上的功率，并把LVD的讀數(shù)與預(yù)期的界面位置相比，以優(yōu)化功率選擇。

其他組件，包括低溫和熱閥門(mén)、加熱器、電子裝置，等等，都工作正常。

液氦的晃動(dòng)信息通過(guò)一個(gè)超導(dǎo)液位檢測(cè)器和LVD實(shí)現(xiàn)。從任務(wù)前期的數(shù)據(jù)可以看出，1 min之內(nèi)，晃動(dòng)衰減的幅度非常大。當(dāng)在2次轉(zhuǎn)移之間的過(guò)渡時(shí)間（20s）內(nèi)施加較大的加速度（3.5～7×10－3g），LAD產(chǎn)生氣穴。氣穴是由于穩(wěn)態(tài)加速度產(chǎn)生的，而不是液體的晃動(dòng)。

4 小 結(jié)

液氦的在軌補(bǔ)給對(duì)于深空探測(cè)具有重要的意義。由于液氦的溫度非常低，常用的在軌流體補(bǔ)給方法都無(wú)法完全滿足液氦在軌補(bǔ)給的需要。利用液氦特有的超流體特性而產(chǎn)生的“噴泉”效應(yīng)，可以使液氦在熱機(jī)械泵的作用下完成在軌轉(zhuǎn)移。

SHOOT計(jì)劃作為液氦在軌轉(zhuǎn)移整體技術(shù)的空間驗(yàn)證試驗(yàn)，雖然在試驗(yàn)的過(guò)程中有些意外，但是所有任務(wù)目標(biāo)都成功地完成了，超流體氦的轉(zhuǎn)移率達(dá)到了720L／h。SHOOT計(jì)劃的主要收獲包括：①簡(jiǎn)單的發(fā)射狀葉片LAD系統(tǒng)對(duì)于超流體的轉(zhuǎn)移更有力；②質(zhì)量規(guī)和流量測(cè)量技術(shù)在實(shí)驗(yàn)中的誤差僅為1%～3%；③驗(yàn)證了冷卻和再填充受熱杜瓦瓶過(guò)程；④驗(yàn)證了由一個(gè)專(zhuān)家系統(tǒng)控制的自動(dòng)轉(zhuǎn)移過(guò)程；⑤利用了一種新的相分離裝置，展現(xiàn)了一種把超流體氦中的正常組分有效填充到杜瓦瓶的新技術(shù)；⑥發(fā)現(xiàn)了較大的超流體相分離裝置具有熱交換問(wèn)題。這個(gè)發(fā)現(xiàn)將有助于未來(lái)空間超流體杜瓦瓶的設(shè)計(jì)。

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