(1 航天低溫推進(jìn)劑技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100028；2 西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 西安 710049)

考慮到安全、環(huán)境等因素，無(wú)毒無(wú)污染的低溫推進(jìn)劑成為未來航天發(fā)射、空間加注站和深空探測(cè)任務(wù)的首選推進(jìn)劑[1]。相比之下，液氧/液氫推進(jìn)劑具有最突出的性能，已經(jīng)成功應(yīng)用于土星5號(hào)、太空運(yùn)輸系統(tǒng)、半人馬座等航天器中[2]。然而，低溫推進(jìn)劑也具有低密度、低沸點(diǎn)、低表面張力、低黏性等特殊物性，導(dǎo)致其在軌存儲(chǔ)與管理方面面臨更多挑戰(zhàn)[3]。其中，微重力條件下提供持續(xù)穩(wěn)定的單相液體推進(jìn)劑，是滿足發(fā)動(dòng)機(jī)在軌點(diǎn)火、推進(jìn)劑在軌增壓和傳輸?shù)刃枨蟮氖滓疤醄4]。因此，為了實(shí)現(xiàn)高性能低溫推進(jìn)劑在未來航天任務(wù)中的廣泛應(yīng)用，有必要對(duì)低溫推進(jìn)劑在軌氣液分離技術(shù)進(jìn)行深入研究。

研究人員針對(duì)低溫推進(jìn)劑提出了助推式分離、離心式分離、表面張力式分離、電磁式分離等多種可行的在軌氣液分離方法。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，表面張力式氣液分離技術(shù)充分利用了在微重力下起主導(dǎo)作用的表面張力，不消耗多余能量，能夠無(wú)間斷對(duì)氣液相進(jìn)行定位分離，具有顯著優(yōu)勢(shì)[5]。在板式、海綿式、網(wǎng)幕通道式等多種表面張力式分離方法中，網(wǎng)幕通道式液體獲取裝置(LAD)結(jié)構(gòu)緊湊、簡(jiǎn)單輕便，適用于不同流動(dòng)方向、不同重力水平、不同熱環(huán)境和不同流量的工況，對(duì)于低溫推進(jìn)劑適用性最強(qiáng)，引起了研究人員的廣泛關(guān)注[6-7]。

目前，網(wǎng)幕通道式LAD的分離性能已經(jīng)獲得常溫流體的在軌實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[8]，并多次成功應(yīng)用于常規(guī)推進(jìn)劑的空間飛行任務(wù)[9-10]。針對(duì)低溫流體的在軌適用性，早期已得到小型液氦在軌傳輸實(shí)驗(yàn)(SHOOT)的數(shù)據(jù)支持[11]，太陽(yáng)能上面級(jí)技術(shù)演示(STUSTD)、半人馬座實(shí)驗(yàn)臺(tái)(CTB)等項(xiàng)目均重點(diǎn)規(guī)劃了LAD在軌低溫分離性能的技術(shù)驗(yàn)證[12-13]。近年來，國(guó)際研究人員持續(xù)開展了大規(guī)模的低溫區(qū)實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)網(wǎng)幕通道式LAD在低溫流體中的分離性能有了更深入的了解。J.Hartwig等[14-16]實(shí)驗(yàn)研究了網(wǎng)幕通道式LAD在液氫、液氧等低溫流體中的液體獲取性能，提出了增大網(wǎng)幕密度和降低流體溫度等性能優(yōu)化方法。M.Kudlac[17]結(jié)合泡破壓力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與壓力損失預(yù)測(cè)公式，分析了不同網(wǎng)幕結(jié)構(gòu)的工作性能。J.Jurns等[18-19]研究了微孔截面形狀對(duì)網(wǎng)幕泡破壓力的影響，修正了泡破壓力基本模型，并擬合了增壓氣體對(duì)泡破壓力的影響公式。隨后，J.S.Meserole等[20-21]采用實(shí)驗(yàn)和理論分析的方法研究了增壓氣體對(duì)LAD分離性能的影響規(guī)律。D.J.Chato 等[22-24]采用CFD方法研究了網(wǎng)幕通道式LAD結(jié)構(gòu)內(nèi)部流場(chǎng)、壓降、質(zhì)量流量等參數(shù)的變化規(guī)律，揭示了流速和質(zhì)量流量隨網(wǎng)幕位置的不均勻分布。

我國(guó)針對(duì)低溫流體網(wǎng)幕通道式LAD的研究仍處于起步階段，相關(guān)研究較少。本文分析了國(guó)際領(lǐng)域內(nèi)的相關(guān)研究進(jìn)展，從泡破壓力、壓降損失、性能優(yōu)化三個(gè)方面歸納了針對(duì)低溫流體網(wǎng)幕通道式LAD的階段性研究成果，以期幫助國(guó)內(nèi)研究人員對(duì)網(wǎng)幕通道式LAD形成較為全面系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，為后期的低溫推進(jìn)劑氣液分離系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供幫助。

1 泡破壓力

圖1所示為球型貯箱內(nèi)全范圍4通道網(wǎng)幕通道式LAD結(jié)構(gòu)。該裝置靠近貯箱內(nèi)壁布置，4個(gè)通道平均分布在貯箱的4個(gè)象限，材料多采用不銹鋼。面對(duì)貯箱內(nèi)壁一側(cè)通道上安裝了緊致的金屬織網(wǎng)幕，通道其他三面為金屬固壁，通道截面多為方形或三角形。

圖1 網(wǎng)幕通道式LAD結(jié)構(gòu)[8]Fig.1 Structure diagram of a screen channel liquid acquisition device

網(wǎng)幕通道式LAD的液體獲取能力主要由通道近壁側(cè)安裝的金屬織網(wǎng)提供，依靠表面張力和毛細(xì)力對(duì)液體進(jìn)行吸附獲取。根據(jù)材料以及編織方法可以將網(wǎng)幕細(xì)分為不同類型[7]，圖2所示為不銹鋼制荷蘭斜紋網(wǎng)幕(DT)的編織結(jié)構(gòu)。

圖2 不銹鋼制荷蘭斜紋網(wǎng)幕(DT)的編織結(jié)構(gòu)Fig.2 Diagram of the woven structure of stainless steel Dutch Twill(DT)screen

金屬絲交織形成微米級(jí)的微孔通道，相當(dāng)于多個(gè)路徑彎曲復(fù)雜的毛細(xì)管，依靠表面張力和毛細(xì)力引流液體，阻隔氣體的進(jìn)入。但是這種隔離氣體的能力有限，基于毛細(xì)力學(xué)的相關(guān)理論[25]，表面張力引起的上下界面的靜壓差存在最大值。當(dāng)網(wǎng)幕兩側(cè)壓差超過該最大靜壓差時(shí)，將無(wú)法阻止氣體通過網(wǎng)幕，即網(wǎng)幕將無(wú)法保證純液體的獲取從而失效。

因此，將第一個(gè)氣泡通過網(wǎng)幕所對(duì)應(yīng)的網(wǎng)幕兩側(cè)壓差定義為泡破壓力ΔpBP，ΔpBP與流體物性和網(wǎng)幕結(jié)構(gòu)有關(guān)[26-27]。ΔpBP是評(píng)價(jià)網(wǎng)幕最主要的性能參數(shù)，其值越大對(duì)應(yīng)更高的網(wǎng)幕氣液分離性能。

(1)

式中：γ為流體表面張力，N/m；θC為流體與網(wǎng)幕微孔的接觸角，(°)；DP為微孔有效直徑，m。

美國(guó)格林研究中心在CCL-7低溫實(shí)驗(yàn)臺(tái)上開展了一系列低溫流體泡破壓力的地面實(shí)驗(yàn)研究(圖3)[18]。整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置浸泡在低溫杜瓦中，液面沒過測(cè)試網(wǎng)幕，通過對(duì)網(wǎng)幕下側(cè)注入增壓氣體建立網(wǎng)幕兩側(cè)壓差。隨著增壓氣體的不斷注入，壓差逐漸增大，直到由反射鏡觀測(cè)到第一個(gè)氣泡溢出網(wǎng)幕，記錄該時(shí)刻壓差即為泡破壓力。

圖3 CCL-7低溫實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)泡破壓力實(shí)驗(yàn)杜瓦[18]Fig.3 Bubble point test Dewar of CCL-7 cryogenic testing system

圖4所示為DT-325×2 300網(wǎng)幕的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[27]。有關(guān)其他不同網(wǎng)幕、不同流體的數(shù)據(jù)可以參考文獻(xiàn)[14-15,17]。325×2 300代表每平方英寸有325根經(jīng)絲和2 300根緯絲，能夠反映網(wǎng)幕編織密度，經(jīng)緯絲數(shù)量越多，網(wǎng)幕編織密度越大。由圖4可知，網(wǎng)幕的泡破壓力在低溫區(qū)明顯下降，特別是在液氫溫區(qū)衰減顯著，幾乎只有常溫流體的10%。由式(1)可推測(cè)，液氫的低表面張力導(dǎo)致泡破壓力明顯減小(圖4橫坐標(biāo)為表面張力)，這也說明低溫流體氣液分離的難度較大。

圖4 DT-325×2 300網(wǎng)幕對(duì)不同流體的泡破壓力數(shù)據(jù)[27]Fig.4 Bubble point data of different fluids for a DT-325×2 300 screen

2 壓降損失

網(wǎng)幕通道式LAD在工作過程中，不可避免會(huì)產(chǎn)生壓力損失。圖5所示為網(wǎng)幕通道式LAD單通道壓力損失模型。

圖5 網(wǎng)幕通道式LAD單通道壓力損失模型[16]Fig.5 Pressure drop model for a single channel of screen channel LAD

地面重力下，LAD豎直布置于柱型貯箱內(nèi)，液體由貯箱被提取至LAD出口的過程中，主要產(chǎn)生的壓力損失包括：通道內(nèi)液柱產(chǎn)生的靜壓頭損失Δphydrostatic，液體在通過網(wǎng)幕造成的壓降ΔpFTS(flow through screen，F(xiàn)TS)，黏性流動(dòng)引起的摩擦壓力損失Δpfriction，流動(dòng)動(dòng)力壓損Δpdynamic和其他一些由于振動(dòng)、液體晃動(dòng)導(dǎo)致的瞬時(shí)壓降Δpother[16-17]。為了保證LAD的有效運(yùn)行，總的壓力損失應(yīng)小于對(duì)應(yīng)工況下的泡破壓力，如式(2)，否則網(wǎng)幕通道式LAD將無(wú)法阻止氣體的進(jìn)入。

Δptotal=Δphydrostatic+ΔpFTS+Δpfriction+

Δpdynamic+Δpother<ΔpBP

(2)

Δphydrostatic=ρg(L-Lb)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：ρ為液體密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；L為L(zhǎng)AD通道高度，m；Lb為液位高度，m；α為黏性壓降系數(shù)，β為慣性壓降系數(shù)；Q為彎曲系數(shù)；B為網(wǎng)幕厚度，μm；μ為流體動(dòng)力黏度，Pas；a為表面積與體積比，1/m；ε為孔隙率；e為管內(nèi)粗糙度，為L(zhǎng)AD出口質(zhì)量流量，kg/s；AC為流體淹沒的LAD網(wǎng)幕面積，m2；f為摩擦系數(shù)；DH為水利直徑，m；Re為雷諾數(shù)；V為通道內(nèi)流體流速，m/s；W為L(zhǎng)AD通道寬度，m；H為L(zhǎng)AD通道深度，m。

圖6所示為各部分壓力損失隨LAD通道未浸沒高度L-Lg的變化。LAD的尺寸參考文獻(xiàn)[4]，裝置高度L=91 cm，寬度W和深度H均為2.54 cm，工質(zhì)為液氫，質(zhì)量流量為0.025 kg/s。網(wǎng)幕采用DT-450×2 750，網(wǎng)幕其他結(jié)構(gòu)參數(shù)參考文獻(xiàn)[7]。

圖6 各部分壓損隨LAD通道未浸沒高度的變化情況Fig.6 Relative magnitudes of pressure drop contributions as a function of exposed LAD channel height

由圖6可知，地面工況下，靜壓頭壓力損失Δphydrostatic占總壓力損失Δptotal的主要部分，ΔpFTS次之。微重力工況時(shí)，Δptotal整體有了大幅度下降，LAD通道總壓損約為地面工況的1/5，原因主要是重力的衰減導(dǎo)致Δphydrostatic顯著減小。液體流經(jīng)網(wǎng)幕的ΔpFTS占Δptotal的比重相對(duì)增大，成為主要損失，其他壓力損失相對(duì)較小。

3 性能優(yōu)化

網(wǎng)幕通道式LAD在低溫流體中的液體獲取性能較差，即從氣液混合物中阻隔氣體獲取單相液體的能力較差，特別是在液氫溫區(qū)適用范圍明顯縮小。因此，本節(jié)主要基于對(duì)分離性能要求最嚴(yán)格的低溫推進(jìn)劑液氫，研究LAD分離性能的優(yōu)化方法，改善低溫區(qū)的工作性能。從前期研究分析來看，網(wǎng)幕通道式LAD的氣液分離性能主要受網(wǎng)幕選型、流體溫度和增壓氣體三個(gè)因素的影響[2,7]，下面分別從這三個(gè)方面介紹有關(guān)LAD性能優(yōu)化的研究。

3.1 網(wǎng)幕選型

研究人員在初期研究認(rèn)為泡破壓力是決定LAD性能的唯一參數(shù)，所以不斷提高網(wǎng)幕的織網(wǎng)密度，通過減小DP從而增大ΔpBP(式(1))。但是網(wǎng)幕越密，微孔有效孔徑越小，路徑越曲折，反而引起更大的壓力損失，造成裝置更早失效。因此，研究人員提出了臨界質(zhì)量流率的概念來衡量LAD性能，即ΔpFTS=ΔpBP(在軌環(huán)境下，重點(diǎn)考慮ΔpFTS)時(shí)LAD提供的液體提取質(zhì)量流量[28]。表1所示為100 kPa飽和態(tài)液氫的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的幾組網(wǎng)幕在臨界質(zhì)量流率方面具有更大的優(yōu)勢(shì)，即在有效氣液分離的前提下，能夠提供更大流量的液氫。

表1 液氫中不同網(wǎng)幕泡破壓力和臨界質(zhì)量流率[28]Tab.1 Bubble points and critical mass flow rate for different screens in liquid hydrogen

但是，綜合考慮航天器在飛行過程中遇到的復(fù)雜重力環(huán)境，Plain Square等網(wǎng)幕的泡破壓力過小，在一定的加速度環(huán)境下，靜壓頭損失Δphydrostatic可能直接超過ΔpBP導(dǎo)致LAD失效。因此，為了提高對(duì)復(fù)雜重力環(huán)境的適應(yīng)性，應(yīng)在保證泡破壓力足夠大的前提下，進(jìn)一步選取最合適的網(wǎng)幕。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，DT網(wǎng)幕普遍具有較高的泡破壓力，隨著網(wǎng)幕加密，泡破壓力和臨界質(zhì)量流率整體呈增大的趨勢(shì)。然而，與DT-450×2 750網(wǎng)幕相比，DT-510×3 600與其質(zhì)量流率基本相同，但泡破壓力下降。因此網(wǎng)幕加密到一定程度后，并不能持續(xù)提高網(wǎng)幕工作性能。綜上所述，DT-450×2 750網(wǎng)幕兼顧了泡破壓力和臨界質(zhì)量流率的共同要求，可以作為未來液氫貯箱網(wǎng)幕通道式LAD的優(yōu)先選擇。

3.2 流體溫度

網(wǎng)幕選型一定時(shí)，壓力損失只與重力、流量等實(shí)際工況有關(guān)，那么進(jìn)一步提高泡破壓力即提高了臨界質(zhì)量流率，從而有更好的液體獲取性能。由式(1)可知，泡破壓力只與表面張力、接觸角和微孔孔徑有關(guān)，而低溫流體與不銹鋼接觸角幾乎為0°，即cosθC可以簡(jiǎn)化為1[29]。因此，在網(wǎng)幕結(jié)構(gòu)一定的情況下(DP一定)，增大表面張力是提高泡破壓力的唯一途徑，如圖7所示，流體表面張力受流體溫度的直接影響，流體溫度越低，表面張力越大，幾乎線性相關(guān)。

另一方面，網(wǎng)幕的微孔通道在低溫環(huán)境下會(huì)發(fā)生收縮，式(7)給出了計(jì)算DP的溫度修正，DP,293 K是由室溫實(shí)驗(yàn)測(cè)得的通道平均直徑，b0是由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定的修正系數(shù)，ξ(T)是由溫度確定的體積收縮系數(shù)，由式(8)計(jì)算[7,15]。圖8所示為幾種網(wǎng)幕在低溫至室溫的溫區(qū)范圍內(nèi)，微孔直徑隨流體溫度的變化。

DP(T)=DP,293 K(1+b0ξ(T))

(7)

ξ(T)=3(-293-0.445T+9.63×10-3T2-

2.17×10-5T3+1.94×10-8T4)×10-5

(8)

圖9所示為液氫中網(wǎng)幕泡破壓力隨溫度的變化。對(duì)于不同密度的網(wǎng)幕，泡破壓力均隨著流體溫度的下降呈線性增長(zhǎng)，與式(1)所描述的變化關(guān)系相吻合。

圖8 網(wǎng)幕微孔有效直徑隨流體溫度的變化Fig.8 Effective diameters of screen micro pores change with fluid temperature

圖9 液氫中網(wǎng)幕泡破壓力隨流體溫度的變化Fig.9 Bubble points of different screens in liquid hydrogen changes with fluid temperature

當(dāng)流體溫度從24 K降至18 K時(shí)，DT-80×700網(wǎng)幕的泡破壓力提高約70 Pa，而DT-450×2 750網(wǎng)幕的泡破壓力提高約370 Pa，可見泡破壓力的增長(zhǎng)值隨著網(wǎng)幕密度的提高而增大。對(duì)比變化幅度發(fā)現(xiàn)，相同溫度變化下，不同網(wǎng)幕的泡破壓力提升幅度幾乎相同，且與表面張力的變化幅度基本一致。流體溫度越高，降低溫度所引起的泡破壓力提高幅度越大，流體溫度由21 K降至20 K時(shí)，泡破壓力增幅約為8%，而流體溫度由30 K降至29 K時(shí)，泡破壓力的增幅將高達(dá)35%左右。綜上所述，降低流體溫度可有效增大流體表面張力，顯著提高網(wǎng)幕泡破壓力，即提高LAD的全液獲取性能。

3.3 增壓氣體

在工作過程中，研究人員對(duì)可以改變的增壓條件進(jìn)行了深入研究。研究發(fā)現(xiàn)，增壓氣體的類型可間接影響泡破壓力，增壓氣體一般采用可冷凝的自增壓氣體或不可冷凝的氦氣。圖10給出的液氫實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，對(duì)于DT-325×2 300網(wǎng)幕，氦氣增壓的泡破壓力始終高于氫氣自增壓的工況，增幅可達(dá)10%左右，相似的結(jié)論也在液態(tài)甲烷、液氮、液氧等低溫流體的實(shí)驗(yàn)中獲得[14-15,18]。

圖10 增壓氣體類型對(duì)網(wǎng)幕泡破壓力的影響[21]Fig.10 Effect of pressurization gas type on bubble point

氦氣增壓過程中，網(wǎng)幕附近的氦氣無(wú)法像自增壓氣體一樣發(fā)生冷凝，而低溫流體仍會(huì)蒸發(fā)。因此采用不凝氣體增壓使蒸發(fā)吸熱效果更明顯，增強(qiáng)了對(duì)網(wǎng)幕及附近流體的冷卻作用，間接降低了流體溫度，提高了表面張力，體現(xiàn)出更好的LAD液體獲取性能[20]。此外，采用氦氣增壓的系統(tǒng)對(duì)于溫度的敏感性較低，適用性更廣泛[21]。

4 結(jié)論

網(wǎng)幕通道式液體獲取裝置(LAD)結(jié)合了表面張力與毛細(xì)力的共同作用，相比于其他分離技術(shù)，對(duì)于沸點(diǎn)低、表面張力小、黏性小的低溫推進(jìn)劑具有更好的適用性。本文針對(duì)網(wǎng)幕通道式LAD進(jìn)行了大量的調(diào)研與分析，分別從泡破壓力、裝置總壓力損失、裝置性能優(yōu)化等方面概括了近年來針對(duì)低溫流體的相關(guān)研究，得到如下結(jié)論：

1)網(wǎng)幕通道式LAD的分離性能受到泡破壓力和裝置壓損的共同影響。微重力環(huán)境中，由于靜壓頭壓力損失的顯著衰減，LAD總壓力損失隨之大幅下降，相對(duì)于地面工況體現(xiàn)出了更好的工作性能?？梢灶A(yù)測(cè)獲得地面實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的LAD，在微重力環(huán)境下，能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的分離性能。

2)網(wǎng)幕的選取是決定LAD性能的關(guān)鍵，應(yīng)對(duì)復(fù)雜的重力環(huán)境時(shí)，應(yīng)在保證泡破壓力足夠大的前提下，進(jìn)一步選取大臨界質(zhì)量流率的網(wǎng)幕。DT-450×2 750網(wǎng)幕兼顧了泡破壓力和臨界流率的雙重要求，可以作為未來液氫貯箱LAD網(wǎng)幕的優(yōu)先選擇。

3)網(wǎng)幕泡破壓力隨著網(wǎng)幕編織密度增大而提高。直接降低流體溫度可以顯著增大表面張力(液氫溫度由21 K降至20 K時(shí)，泡破壓力增幅約8%)，采用不凝性氣體(如氦氣)作為增壓氣體可以間接降低流體溫度從而增大表面張力(增幅約10%)，均實(shí)現(xiàn)了提高網(wǎng)幕泡破壓力、優(yōu)化LAD氣液分離性能的目的。