王麗紅 王田剛 王小軍 冶文蓮

(蘭州空間技術(shù)物理研究所真空低溫技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 蘭州 730000)

微重力下低溫液體質(zhì)量測(cè)量技術(shù)進(jìn)展

王麗紅 王田剛 王小軍 冶文蓮

(蘭州空間技術(shù)物理研究所真空低溫技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 蘭州 730000)

針對(duì)空間低溫液體需要高精度質(zhì)量測(cè)量技術(shù)的問(wèn)題，提出了微重力下低溫液體測(cè)量技術(shù)的幾種方法，介紹了壓縮質(zhì)測(cè)法、光學(xué)質(zhì)測(cè)法、壓力-體積-溫度法和射頻質(zhì)測(cè)法的測(cè)量原理及研究進(jìn)展，并對(duì)上述4種測(cè)量方法進(jìn)行了比較和評(píng)述，最后對(duì)微重力下低溫液體測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)和展望。

微重力 低溫液體 質(zhì)量測(cè)量 進(jìn)展

1 引言

低溫液體如液氫、液氧和液態(tài)甲烷等具有比沖高、清潔、無(wú)毒無(wú)污染的特點(diǎn)，隨著航天技術(shù)的發(fā)展，低溫液體在航天技術(shù)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，從作為推進(jìn)劑的燃料、宇航員呼吸用的氧到其它用途的氮、氬、氙等，都可以以低溫液體的形式貯存。在空間微重力環(huán)境下，低溫液體的質(zhì)量測(cè)量技術(shù)是空間低溫液體貯存的關(guān)鍵技術(shù)之一。

微重力下低溫液體的質(zhì)量測(cè)量是在不消耗貯箱中低溫液體的情況下進(jìn)行的，要求是精度高、功耗低、重量和體積小、可靠性高。精確的質(zhì)量測(cè)量不僅可以降低低溫液體貯存的不確定性，減少貯存裕度，降低發(fā)射成本，更是確保航天器正常運(yùn)行的重要條件。但是在空間微重力下，低溫液體處于氣液兩相流狀態(tài)，氣液界面不確定，另一方面，低溫液體由于飽和溫度低，易于受熱蒸發(fā)。因此，微重力環(huán)境下貯箱中低溫液體質(zhì)量的精確測(cè)量是多年來(lái)困擾航天器設(shè)計(jì)者的問(wèn)題。

20 世紀(jì)60年代，國(guó)外開(kāi)始研究探空任務(wù)中低溫液體的在軌測(cè)量技術(shù)，已經(jīng)對(duì)一些探空火箭中低溫貯箱中的液體質(zhì)量進(jìn)行了測(cè)量，但測(cè)量都是在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒期間進(jìn)行，不是在真正意義上的微重力環(huán)境。迄今為止，美國(guó)航空航天局(NASA)共提出了6種微重力下低溫液體的質(zhì)量測(cè)量方法:壓縮質(zhì)測(cè)法(compression mass gauging，簡(jiǎn)稱(chēng) CMG)、光學(xué)質(zhì)測(cè)法(optical mass gauging，簡(jiǎn)稱(chēng) OMG)、壓力-體積-溫度法(pressure-volume-temperature method，簡(jiǎn)稱(chēng) PVT)、射頻質(zhì)測(cè)法(radio frequency gauging，簡(jiǎn)稱(chēng) RF)、X-射線法(X-raying gauging)和電容法(capacitance gauging)。以上測(cè)量方法都處于試驗(yàn)研究階段，其中前4種方法是NASA近年來(lái)著重開(kāi)展研究的測(cè)量方法，而后兩種方法涉及的研究較少。

本文將介紹壓縮質(zhì)測(cè)法、光學(xué)質(zhì)測(cè)法、壓力-體積-溫度法和射頻質(zhì)測(cè)法4種測(cè)量方法及其原理，討論每種測(cè)量方法的優(yōu)缺點(diǎn)和進(jìn)展情況，并簡(jiǎn)要總結(jié)其發(fā)展趨勢(shì)。

2 測(cè)量原理

2.1 壓縮質(zhì)測(cè)法

CMG法是通過(guò)一個(gè)擺動(dòng)的波紋管或其它可伸長(zhǎng)的部件會(huì)引起貯箱體積微小變化的原理而實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)測(cè)量壓力變化來(lái)計(jì)算貯箱中的氣體體積，從而可以計(jì)算出液體體積［1］，原理如圖1所示。

圖1 壓縮質(zhì)測(cè)法測(cè)量原理圖Fig.1 Schematic of compression mass gauging

圖1中，壓縮質(zhì)測(cè)計(jì)上裝有一個(gè)動(dòng)態(tài)壓力傳感器，測(cè)量貯箱壓力p隨貯箱體積的變化△p。假設(shè)此刻氣體是理想狀態(tài)，液體是不可壓縮的，貯箱壁是剛性的，壓縮過(guò)程是絕熱的。貯箱內(nèi)氣體體積按照公式(1)計(jì)算:

式中:Vg為貯箱內(nèi)氣體(包括蒸氣)體積，m3;ΔV為貯箱變化體積即波紋管偏移體積，m3;γ0為絕熱膨脹指數(shù);p為壓力，Pa;Δp為貯箱變化壓力，Pa。

2.2 光學(xué)質(zhì)測(cè)法

OMG法基本原理是通過(guò)發(fā)射器將光引入封閉的貯箱中，貯箱壁具有反射功能，光在到達(dá)檢測(cè)器前的路徑是隨機(jī)的。理論上，光被液體吸收衰減，光在檢測(cè)器上的輸出反比于液體質(zhì)量，如圖2所示［2］。該法的最大優(yōu)點(diǎn)是不受貯箱形狀或內(nèi)部?jī)x器的影響。

圖2 光學(xué)質(zhì)測(cè)法測(cè)量原理圖Fig.2 Schematic of optical mass gauging

2.3 壓力-體積-溫度法

PVT法測(cè)量基本原理如圖3所示，該法是根據(jù)航天器上低溫貯箱內(nèi)氣體(加壓氣體和飽和蒸氣兩者并存)的壓力和溫度數(shù)據(jù)，利用氣體狀態(tài)方程計(jì)算出貯箱內(nèi)氣體體積，再由貯箱總體積和液體密度計(jì)算出貯箱內(nèi)低溫液體體積和質(zhì)量，其基本控制方程為［3］:

圖3 壓力-體積-溫度法測(cè)量原理Fig.3 Schematic of pressure-volume-temperature method

式中:Vg為貯箱內(nèi)氣體體積，m3;Mg為氣體質(zhì)量，kg;Zg為氣體壓縮因子;Rg為氣體常數(shù)，J/(kg·mol);Tg為氣體溫度，K;pg為氣體壓力，Pa。

2.4 射頻法

RF法通過(guò)測(cè)量貯箱的射頻電磁諧振特征來(lái)測(cè)量貯箱中的低溫液體質(zhì)量［4］，原理如圖4所示。

圖4 射頻法基本原理Fig.4 Schematic of Radio Frequency gauging

RF法測(cè)量設(shè)備包括一個(gè)伸入貯箱內(nèi)部的天線、內(nèi)置跟蹤發(fā)生器的頻譜分析器、耦合器。測(cè)量時(shí)，信號(hào)源從分析器的跟蹤發(fā)生器通過(guò)耦合器進(jìn)入到貯箱內(nèi)部，從天線反射回的功率再通過(guò)耦合器端口耦合到分析器。將反射功率轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的射頻諧振代碼，就可以計(jì)算出貯箱內(nèi)的液體質(zhì)量。

3 研究進(jìn)展

3.1 壓縮質(zhì)測(cè)法

從20世紀(jì)80年代后期開(kāi)始，NASA的多個(gè)實(shí)驗(yàn)室都在開(kāi)展CMG研究工作。NASA格倫研究中心(GRC)和西南研究中心聯(lián)合建立了一個(gè)適用于低溫液體的CMG工程研究模型，對(duì)不同液位和壓力下的液氫和液氮貯箱進(jìn)行了一系列試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，CMG對(duì)于低溫液體的測(cè)量精度可以控制在±2%之內(nèi)。

2004年，Deffenbaugh等人設(shè)計(jì)了一個(gè)可用于飛行試驗(yàn)的CMG工程模型樣機(jī)［5］，如圖5所示。該樣機(jī)外殼直徑大約16.8 cm，高23 cm，電機(jī)和電磁閥等部件安裝在一個(gè)密閉機(jī)殼內(nèi)，機(jī)殼和貯箱壁連接。電磁閥控制機(jī)殼和貯箱之間的通斷，可以使機(jī)殼內(nèi)部壓力和貯箱壓力達(dá)到平衡。使用該樣機(jī)對(duì)液氫進(jìn)行了試驗(yàn)，解決了微重力和低溫下影響CMG測(cè)量精度的各種問(wèn)題，如液體和蒸汽區(qū)域的位置和狀態(tài)、液體晃動(dòng)、氣-液之間的質(zhì)量傳遞、對(duì)流、熱分層等。試驗(yàn)結(jié)果表明，CMG樣機(jī)功耗55 W，測(cè)量精度為±0.4%，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 可用于飛行試驗(yàn)的CMG樣機(jī)Fig.5 Flight-like CMG

經(jīng)過(guò)20多年的研究，NASA已將CMG數(shù)值模擬和工程研究模型用不同尺寸的低溫貯箱進(jìn)行了試驗(yàn)，獲得了重要的參數(shù)，解決了設(shè)計(jì)中的難題。研究表明，壓縮質(zhì)測(cè)計(jì)的測(cè)量精度、尺寸和功率可以同時(shí)滿足航天器實(shí)際應(yīng)用要求，關(guān)鍵是要研制高精度的動(dòng)態(tài)傳感器。

3.2 光學(xué)質(zhì)測(cè)法

近年來(lái)，GRC還一直從事OMG測(cè)量低溫液體的機(jī)理研究。2007年，該中心研究了一種三維蒙特卡洛法來(lái)模擬OMG在重力場(chǎng)和微重力下的性能，對(duì)OMG開(kāi)展了機(jī)理研究，并建立了一套小型光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)模型。

NASA的馬歇爾空間飛行中心(MSFC)一直在從事OMG測(cè)量低溫液體的研究。2001年，該中心采用OMG分別在一個(gè)小型杜瓦和多功能氫試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了液氫質(zhì)量測(cè)量試驗(yàn)［6］。試驗(yàn)結(jié)果表明:(1)測(cè)量精度重復(fù)性好，但是受到液位傳感器精度的限制;(2)OMG和作為參考的二氧化硅溫度傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)的一致性在1%以?xún)?nèi)，表明 OMG的測(cè)量精度良好。2003年至2004年，MSFC集中對(duì)OMG進(jìn)行了一系列改進(jìn):分析研究其它低溫液體以及氣-液界面變形對(duì)測(cè)量精度的影響，提高發(fā)射器信號(hào)的穩(wěn)定性和擴(kuò)散性，提升檢測(cè)器數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?，升?jí)軟件和傳感器，使OMG不僅適于監(jiān)測(cè)液氧和液氮，同時(shí)也能確定帶壓氣體(比如氦氣)或污染物的存在。

最近，MSFC又研制了裝有邁克爾遜干涉儀的光學(xué)質(zhì)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)體積小、質(zhì)量輕、測(cè)量精度高，具有監(jiān)測(cè)液體在軌貯存的能力。新傳感器作為一個(gè)有效負(fù)載安裝在探空火箭平臺(tái)上進(jìn)行了飛行試驗(yàn)，結(jié)果表明傳感器測(cè)量誤差小于2%。

2009年，先進(jìn)技術(shù)有限公司提出了液氧光學(xué)質(zhì)量測(cè)量傳感器的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)，成功地在一套公共設(shè)施上進(jìn)行了地面試驗(yàn)［7］。試驗(yàn)結(jié)果表明，在貯箱低溫液體壓力從0.1 MPa到1.8 MPa時(shí)，使用該光學(xué)測(cè)量方法可行，不會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成影響。同時(shí)也表明，OMG傳感器是決定測(cè)量系統(tǒng)是否能進(jìn)行地面和空間應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。目前，該公司已經(jīng)申請(qǐng)了這項(xiàng)技術(shù)的專(zhuān)利。

3.3 壓力-體積-溫度法

NASA從20世紀(jì)60年代就開(kāi)始研究用PVT法測(cè)量微重力下空間液體的質(zhì)量，目前對(duì)于常規(guī)推進(jìn)劑的質(zhì)量測(cè)量已經(jīng)很成熟，最近經(jīng)過(guò)驗(yàn)證證明可以應(yīng)用于低溫液體的測(cè)量［8］。

2004年，GRC用液氮進(jìn)行了PVT法地面試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，PVT法可以達(dá)到約3%的測(cè)量精度，試驗(yàn)結(jié)果的可重復(fù)性在1%以?xún)?nèi)。同時(shí)表明PVT法測(cè)量精度和貯箱壓力無(wú)關(guān)，但是和貯箱中液位、氣枕組分以及氦氣在低溫液體中的可溶性有關(guān)。

2006年，GRC對(duì)液氧和液氫進(jìn)行了一些試驗(yàn)，由于液氧具有和液氮相同的特性，其測(cè)量精度可以達(dá)到3%，但是分析表明PVT法對(duì)于液氫的測(cè)量不確定度大于10%，不滿足要求。

2007年8月，GRC又進(jìn)行了微重力下液氧的PVT質(zhì)量測(cè)量概念演示試驗(yàn)。這項(xiàng)試驗(yàn)將一個(gè)1.6 m3、1.7 MPa的充滿液氧的貯箱用3個(gè)支架支撐懸掛在真空室內(nèi)。試驗(yàn)結(jié)果表明，PVT法測(cè)量精度約為2%。

3.4 射頻法

RF法使用時(shí)間較長(zhǎng)，最初采用RF法成功地進(jìn)行了液氮測(cè)試，MSFC在20世紀(jì)70年代就采用RF法對(duì)液氫和液氧進(jìn)行過(guò)測(cè)量［9］，試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)液氫的測(cè)量精度為1.2%，對(duì)液氧的測(cè)量精度為0.9%。

由于模擬技術(shù)的限制，RF法研究經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的間斷，GRC在2005年才重新開(kāi)始RF質(zhì)測(cè)法試驗(yàn)工作［10］，用一個(gè)小型液氧杜瓦作為試驗(yàn)貯箱進(jìn)行了測(cè)量。研究表明，液氮和液氧的試驗(yàn)結(jié)果與簡(jiǎn)單貯箱(形狀對(duì)稱(chēng))的數(shù)值模擬結(jié)果具有很好的一致性。

2007年，GRC采用RF法成功地對(duì)液態(tài)甲烷進(jìn)行了測(cè)試。一個(gè)小型貯箱被放置在一個(gè)高精度的可以提供參考數(shù)據(jù)的天平上，貯箱內(nèi)充有液態(tài)甲烷，對(duì)貯箱進(jìn)行RF頻譜測(cè)量。試驗(yàn)結(jié)果證明，RF技術(shù)在空間探測(cè)器低溫液體質(zhì)量測(cè)量中有潛在的應(yīng)用前景。

2008年2月，RF質(zhì)測(cè)計(jì)的液氧測(cè)試在1.6 m3的貯箱上進(jìn)行。在經(jīng)過(guò)一些校準(zhǔn)試驗(yàn)之后，RF測(cè)量系統(tǒng)表明，實(shí)時(shí)更新的測(cè)量數(shù)據(jù)和參考系統(tǒng)具有很好的一致性，測(cè)量精度優(yōu)于1%。

4 測(cè)量方法比較和評(píng)述

綜合各種文獻(xiàn)報(bào)道和試驗(yàn)結(jié)果，從測(cè)量精度、測(cè)量設(shè)備構(gòu)成和測(cè)量方法通用性等方面對(duì)以上4種微重力下低溫液體測(cè)量方法進(jìn)行比較，如表1所示。

表1 4種測(cè)量方法比較Table 1 Comparison of four mass gauging method

通過(guò)比較，評(píng)述如下:

(1)壓縮質(zhì)測(cè)法已經(jīng)研制了CMG工程模型樣機(jī)，用不同尺寸的低溫貯箱進(jìn)行試驗(yàn)，解決了CMG的設(shè)計(jì)問(wèn)題并進(jìn)行了驗(yàn)證數(shù)值分析，除了質(zhì)量不滿足要求外，CMG樣機(jī)的尺寸和功率均可以滿足航天器實(shí)際應(yīng)用要求。

CMG法和其它微重力測(cè)量方法相比，最大的優(yōu)點(diǎn)是不需要進(jìn)行貯箱在微重力下液位、貯箱形狀、氣液狀態(tài)函數(shù)的校準(zhǔn)。測(cè)量誤差僅來(lái)源于真實(shí)氣體效應(yīng)，與貯箱形狀或氣-液形態(tài)無(wú)關(guān)，誤差很小。目前最重要的任務(wù)是研制用于空間飛行的性能可靠、精度高的CMG動(dòng)態(tài)壓力傳感器，另外還要進(jìn)行微重力下動(dòng)態(tài)壓力傳感器和液體狀態(tài)有關(guān)的測(cè)量不確定度分析。

(2)光學(xué)質(zhì)測(cè)計(jì)目前還處在理論研究和試驗(yàn)并行的階段，但是數(shù)值模擬的成熟度低限制了光學(xué)質(zhì)測(cè)計(jì)的性能(原理上，數(shù)值模型可進(jìn)行參數(shù)空間研究和指導(dǎo)研制工作)。同樣地，OMG傳感器是決定測(cè)量系統(tǒng)是否能進(jìn)行地面和空間應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，需要采取各種措施提高OMG傳感器的重復(fù)性。

(3)PVT法在空間微重力下對(duì)常規(guī)推進(jìn)劑的測(cè)量已是一項(xiàng)成熟技術(shù)，但是對(duì)低溫液體的測(cè)量還需要進(jìn)一步進(jìn)行研究和試驗(yàn)，其最主要的優(yōu)點(diǎn)是不需要額外的硬件。除液氫外，目前的微重力試驗(yàn)表明其測(cè)量精度可滿足其它低溫液體空間質(zhì)量測(cè)量的要求。

(4)RF法提供了一種微重力下高精度測(cè)量貯箱中低溫液體的方法，電磁模擬可以作為RF技術(shù)的基礎(chǔ)，可以對(duì)任意流體的貯箱進(jìn)行諧振頻率模擬。RF質(zhì)量測(cè)量可應(yīng)用壓力反饋或泵反饋，使這項(xiàng)技術(shù)不受氦氣壓力、液體溫度、熱梯度、噴射棒冷卻和貯箱排氣的影響。另外，RF質(zhì)測(cè)法僅僅要求一個(gè)天線伸入貯箱內(nèi)，這比其它測(cè)量器件如電容探頭都要小而且輕。試驗(yàn)結(jié)果表明，RF測(cè)量系統(tǒng)具有較高的準(zhǔn)確度，滿足微重力下低溫液體質(zhì)量測(cè)量精度的要求。

5 總結(jié)及展望

總之，目前微重力下的低溫液體質(zhì)量測(cè)量技術(shù)還都處于試驗(yàn)研究階段，CMG、OMG、PVT、RF法都是有希望應(yīng)用于微重力下的測(cè)量方法，每種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，現(xiàn)在還沒(méi)有達(dá)到確定哪種方法最好的階段，需要繼續(xù)同步對(duì)這些方法進(jìn)行研究，以便在不同的應(yīng)用領(lǐng)域選用不同的測(cè)量方法。

微重力下低溫液體質(zhì)量測(cè)量技術(shù)是實(shí)現(xiàn)低溫液體長(zhǎng)期在軌貯存的關(guān)鍵技術(shù)之一，中國(guó)在該項(xiàng)技術(shù)的研究還未起步。中國(guó)未來(lái)的載人飛行、空間站以及深空探測(cè)等任務(wù)，同樣需要在空間存儲(chǔ)大量的液氧、液氫和液態(tài)甲烷等低溫液體，對(duì)開(kāi)展這一技術(shù)研究的需求與日俱增。及時(shí)開(kāi)展微重力下低溫液體測(cè)量技術(shù)的研究，是航天事業(yè)發(fā)展的必然要求，也是提高中國(guó)航天技術(shù)水平的重要技術(shù)之一。

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Development of mass gauging technology for cryogenic liquid in microgravity

Wang Lihong Wang Tiangang Wang Xiaojun Ye Wenlian

(Science and Technology on Vacuum＆Cryogenics Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou 730000，China)

Aimed at the problem that cryogenic liquid in space needs accurate mass gauging technology，several methods of mass gauging for cryogenic liquid in microgravity were put forward.The principle and research progress of compression mass gauging，optical mass gauging.Pressure-volume-temperature method and radio frequency gauging were introduced.The four methods were compared and commented.Finally，the mass gauging technology for cryogenic liquid in microgravity were summarized and prospected.

microgravity;cryogenic liquid;mass gauging;development

TB61，TB663

A

1000-6516(2012)05-0058-05

2012-05-29;

2012-10-15

真空低溫技術(shù)與物理國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金(9140C550604)項(xiàng)目資助。

王麗紅，女，39歲，碩士，工程師。