微重力下低温液体质量测量技术进展

王丽红 王田刚 王小军 冶文莲

(兰州空间技术物理研究所真空低温技术与物理重点实验室 兰州 730000)

微重力下低温液体质量测量技术进展

王丽红 王田刚 王小军 冶文莲

(兰州空间技术物理研究所真空低温技术与物理重点实验室 兰州 730000)

针对空间低温液体需要高精度质量测量技术的问题，提出了微重力下低温液体测量技术的几种方法，介绍了压缩质测法、光学质测法、压力-体积-温度法和射频质测法的测量原理及研究进展，并对上述4种测量方法进行了比较和评述，最后对微重力下低温液体测量技术进行了总结和展望。

微重力 低温液体 质量测量 进展

1 引言

低温液体如液氢、液氧和液态甲烷等具有比冲高、清洁、无毒无污染的特点，随着航天技术的发展，低温液体在航天技术中的应用越来越广泛，从作为推进剂的燃料、宇航员呼吸用的氧到其它用途的氮、氩、氙等，都可以以低温液体的形式贮存。在空间微重力环境下，低温液体的质量测量技术是空间低温液体贮存的关键技术之一。

微重力下低温液体的质量测量是在不消耗贮箱中低温液体的情况下进行的，要求是精度高、功耗低、重量和体积小、可靠性高。精确的质量测量不仅可以降低低温液体贮存的不确定性，减少贮存裕度，降低发射成本，更是确保航天器正常运行的重要条件。但是在空间微重力下，低温液体处于气液两相流状态，气液界面不确定，另一方面，低温液体由于饱和温度低，易于受热蒸发。因此，微重力环境下贮箱中低温液体质量的精确测量是多年来困扰航天器设计者的问题。

20 世纪60年代，国外开始研究探空任务中低温液体的在轨测量技术，已经对一些探空火箭中低温贮箱中的液体质量进行了测量，但测量都是在发动机燃烧期间进行，不是在真正意义上的微重力环境。迄今为止，美国航空航天局(NASA)共提出了6种微重力下低温液体的质量测量方法:压缩质测法(compression mass gauging，简称 CMG)、光学质测法(optical mass gauging，简称 OMG)、压力-体积-温度法(pressure-volume-temperature method，简称 PVT)、射频质测法(radio frequency gauging，简称 RF)、X-射线法(X-raying gauging)和电容法(capacitance gauging)。以上测量方法都处于试验研究阶段，其中前4种方法是NASA近年来着重开展研究的测量方法，而后两种方法涉及的研究较少。

本文将介绍压缩质测法、光学质测法、压力-体积-温度法和射频质测法4种测量方法及其原理，讨论每种测量方法的优缺点和进展情况，并简要总结其发展趋势。

2 测量原理

2.1 压缩质测法

CMG法是通过一个摆动的波纹管或其它可伸长的部件会引起贮箱体积微小变化的原理而实现的，通过测量压力变化来计算贮箱中的气体体积，从而可以计算出液体体积［1］，原理如图1所示。

图1 压缩质测法测量原理图Fig.1 Schematic of compression mass gauging

图1中，压缩质测计上装有一个动态压力传感器，测量贮箱压力p随贮箱体积的变化△p。假设此刻气体是理想状态，液体是不可压缩的，贮箱壁是刚性的，压缩过程是绝热的。贮箱内气体体积按照公式(1)计算:

式中:Vg为贮箱内气体(包括蒸气)体积，m3;ΔV为贮箱变化体积即波纹管偏移体积，m3;γ0为绝热膨胀指数;p为压力，Pa;Δp为贮箱变化压力，Pa。

2.2 光学质测法

OMG法基本原理是通过发射器将光引入封闭的贮箱中，贮箱壁具有反射功能，光在到达检测器前的路径是随机的。理论上，光被液体吸收衰减，光在检测器上的输出反比于液体质量，如图2所示［2］。该法的最大优点是不受贮箱形状或内部仪器的影响。

图2 光学质测法测量原理图Fig.2 Schematic of optical mass gauging

2.3 压力-体积-温度法

PVT法测量基本原理如图3所示，该法是根据航天器上低温贮箱内气体(加压气体和饱和蒸气两者并存)的压力和温度数据，利用气体状态方程计算出贮箱内气体体积，再由贮箱总体积和液体密度计算出贮箱内低温液体体积和质量，其基本控制方程为［3］:

图3 压力-体积-温度法测量原理Fig.3 Schematic of pressure-volume-temperature method

式中:Vg为贮箱内气体体积，m3;Mg为气体质量，kg;Zg为气体压缩因子;Rg为气体常数，J/(kg·mol);Tg为气体温度，K;pg为气体压力，Pa。

2.4 射频法

RF法通过测量贮箱的射频电磁谐振特征来测量贮箱中的低温液体质量［4］，原理如图4所示。

图4 射频法基本原理Fig.4 Schematic of Radio Frequency gauging

RF法测量设备包括一个伸入贮箱内部的天线、内置跟踪发生器的频谱分析器、耦合器。测量时，信号源从分析器的跟踪发生器通过耦合器进入到贮箱内部，从天线反射回的功率再通过耦合器端口耦合到分析器。将反射功率转换为相应的射频谐振代码，就可以计算出贮箱内的液体质量。

3 研究进展

3.1 压缩质测法

从20世纪80年代后期开始，NASA的多个实验室都在开展CMG研究工作。NASA格伦研究中心(GRC)和西南研究中心联合建立了一个适用于低温液体的CMG工程研究模型，对不同液位和压力下的液氢和液氮贮箱进行了一系列试验，试验结果表明，CMG对于低温液体的测量精度可以控制在±2%之内。

2004年，Deffenbaugh等人设计了一个可用于飞行试验的CMG工程模型样机［5］，如图5所示。该样机外壳直径大约16.8 cm，高23 cm，电机和电磁阀等部件安装在一个密闭机壳内，机壳和贮箱壁连接。电磁阀控制机壳和贮箱之间的通断，可以使机壳内部压力和贮箱压力达到平衡。使用该样机对液氢进行了试验，解决了微重力和低温下影响CMG测量精度的各种问题，如液体和蒸汽区域的位置和状态、液体晃动、气-液之间的质量传递、对流、热分层等。试验结果表明，CMG样机功耗55 W，测量精度为±0.4%，满足设计要求。

图5 可用于飞行试验的CMG样机Fig.5 Flight-like CMG

经过20多年的研究，NASA已将CMG数值模拟和工程研究模型用不同尺寸的低温贮箱进行了试验，获得了重要的参数，解决了设计中的难题。研究表明，压缩质测计的测量精度、尺寸和功率可以同时满足航天器实际应用要求，关键是要研制高精度的动态传感器。

3.2 光学质测法

近年来，GRC还一直从事OMG测量低温液体的机理研究。2007年，该中心研究了一种三维蒙特卡洛法来模拟OMG在重力场和微重力下的性能，对OMG开展了机理研究，并建立了一套小型光学测量系统模型。

NASA的马歇尔空间飞行中心(MSFC)一直在从事OMG测量低温液体的研究。2001年，该中心采用OMG分别在一个小型杜瓦和多功能氢试验台上进行了液氢质量测量试验［6］。试验结果表明:(1)测量精度重复性好，但是受到液位传感器精度的限制;(2)OMG和作为参考的二氧化硅温度传感器测量数据的一致性在1%以内，表明 OMG的测量精度良好。2003年至2004年，MSFC集中对OMG进行了一系列改进:分析研究其它低温液体以及气-液界面变形对测量精度的影响，提高发射器信号的稳定性和扩散性，提升检测器数据传输的速度，升级软件和传感器，使OMG不仅适于监测液氧和液氮，同时也能确定带压气体(比如氦气)或污染物的存在。

最近，MSFC又研制了装有迈克尔逊干涉仪的光学质测系统，该系统体积小、质量轻、测量精度高，具有监测液体在轨贮存的能力。新传感器作为一个有效负载安装在探空火箭平台上进行了飞行试验，结果表明传感器测量误差小于2%。

2009年，先进技术有限公司提出了液氧光学质量测量传感器的设计、结构，成功地在一套公共设施上进行了地面试验［7］。试验结果表明，在贮箱低温液体压力从0.1 MPa到1.8 MPa时，使用该光学测量方法可行，不会对整个系统造成影响。同时也表明，OMG传感器是决定测量系统是否能进行地面和空间应用的关键技术。目前，该公司已经申请了这项技术的专利。

3.3 压力-体积-温度法

NASA从20世纪60年代就开始研究用PVT法测量微重力下空间液体的质量，目前对于常规推进剂的质量测量已经很成熟，最近经过验证证明可以应用于低温液体的测量［8］。

2004年，GRC用液氮进行了PVT法地面试验，试验结果表明，PVT法可以达到约3%的测量精度，试验结果的可重复性在1%以内。同时表明PVT法测量精度和贮箱压力无关，但是和贮箱中液位、气枕组分以及氦气在低温液体中的可溶性有关。

2006年，GRC对液氧和液氢进行了一些试验，由于液氧具有和液氮相同的特性，其测量精度可以达到3%，但是分析表明PVT法对于液氢的测量不确定度大于10%，不满足要求。

2007年8月，GRC又进行了微重力下液氧的PVT质量测量概念演示试验。这项试验将一个1.6 m3、1.7 MPa的充满液氧的贮箱用3个支架支撑悬挂在真空室内。试验结果表明，PVT法测量精度约为2%。

3.4 射频法

RF法使用时间较长，最初采用RF法成功地进行了液氮测试，MSFC在20世纪70年代就采用RF法对液氢和液氧进行过测量［9］，试验结果表明，对液氢的测量精度为1.2%，对液氧的测量精度为0.9%。

由于模拟技术的限制，RF法研究经过一段时间的间断，GRC在2005年才重新开始RF质测法试验工作［10］，用一个小型液氧杜瓦作为试验贮箱进行了测量。研究表明，液氮和液氧的试验结果与简单贮箱(形状对称)的数值模拟结果具有很好的一致性。

2007年，GRC采用RF法成功地对液态甲烷进行了测试。一个小型贮箱被放置在一个高精度的可以提供参考数据的天平上，贮箱内充有液态甲烷，对贮箱进行RF频谱测量。试验结果证明，RF技术在空间探测器低温液体质量测量中有潜在的应用前景。

2008年2月，RF质测计的液氧测试在1.6 m3的贮箱上进行。在经过一些校准试验之后，RF测量系统表明，实时更新的测量数据和参考系统具有很好的一致性，测量精度优于1%。

4 测量方法比较和评述

综合各种文献报道和试验结果，从测量精度、测量设备构成和测量方法通用性等方面对以上4种微重力下低温液体测量方法进行比较，如表1所示。

表1 4种测量方法比较Table 1 Comparison of four mass gauging method

通过比较，评述如下:

(1)压缩质测法已经研制了CMG工程模型样机，用不同尺寸的低温贮箱进行试验，解决了CMG的设计问题并进行了验证数值分析，除了质量不满足要求外，CMG样机的尺寸和功率均可以满足航天器实际应用要求。

CMG法和其它微重力测量方法相比，最大的优点是不需要进行贮箱在微重力下液位、贮箱形状、气液状态函数的校准。测量误差仅来源于真实气体效应，与贮箱形状或气-液形态无关，误差很小。目前最重要的任务是研制用于空间飞行的性能可靠、精度高的CMG动态压力传感器，另外还要进行微重力下动态压力传感器和液体状态有关的测量不确定度分析。

(2)光学质测计目前还处在理论研究和试验并行的阶段，但是数值模拟的成熟度低限制了光学质测计的性能(原理上，数值模型可进行参数空间研究和指导研制工作)。同样地，OMG传感器是决定测量系统是否能进行地面和空间应用的关键技术，需要采取各种措施提高OMG传感器的重复性。

(3)PVT法在空间微重力下对常规推进剂的测量已是一项成熟技术，但是对低温液体的测量还需要进一步进行研究和试验，其最主要的优点是不需要额外的硬件。除液氢外，目前的微重力试验表明其测量精度可满足其它低温液体空间质量测量的要求。

(4)RF法提供了一种微重力下高精度测量贮箱中低温液体的方法，电磁模拟可以作为RF技术的基础，可以对任意流体的贮箱进行谐振频率模拟。RF质量测量可应用压力反馈或泵反馈，使这项技术不受氦气压力、液体温度、热梯度、喷射棒冷却和贮箱排气的影响。另外，RF质测法仅仅要求一个天线伸入贮箱内，这比其它测量器件如电容探头都要小而且轻。试验结果表明，RF测量系统具有较高的准确度，满足微重力下低温液体质量测量精度的要求。

5 总结及展望

总之，目前微重力下的低温液体质量测量技术还都处于试验研究阶段，CMG、OMG、PVT、RF法都是有希望应用于微重力下的测量方法，每种方法各有优缺点，现在还没有达到确定哪种方法最好的阶段，需要继续同步对这些方法进行研究，以便在不同的应用领域选用不同的测量方法。

微重力下低温液体质量测量技术是实现低温液体长期在轨贮存的关键技术之一，中国在该项技术的研究还未起步。中国未来的载人飞行、空间站以及深空探测等任务，同样需要在空间存储大量的液氧、液氢和液态甲烷等低温液体，对开展这一技术研究的需求与日俱增。及时开展微重力下低温液体测量技术的研究，是航天事业发展的必然要求，也是提高中国航天技术水平的重要技术之一。

1 Steven T Green，David B Walter，Franklin T Dodge.Ground Testing of a Compression Mass Gauge［R］.AIAA 2004-4151.

2 Leon J Hastings，Tucker S P，Flachbart R H，et al.Marshall Space Flight Center In-Space Cryogenic Fluid Management Program Overview［R］.AIAA 2005-3561.

3 Evans R L，Olivier J R.Proposal for Determining the Mass of Liquid Propellant within a Space Vehicle Propellant Tank subjected to a Zero Gravity Environment［R］.NASA-TN-D-1571，1963.

4 Gregory A.Zimmerli，Karl R.Vaden.Radio Frequency Mass Gauging of Propellants［R］.AIAA 2007-1198.

5 Deffenbaugh D M，Dodge F T，Green S T，et al.Microgravity Advanced Upper Stage Gauging Experiment(μGAUGE)［R］.NASA/CR-2004-99152.

6 Justak J，Caimi F M，Bryant C B，et al.An Optical Mass Gauge Sensor for Zero-G Environment［C］.Cryogenic Engineering Conference，2003.

7 Cyrille J Doux，John F Justak.Liquid Oxygen Test Results for an Optical Mass Gauge Sensor［R］.AIAA 2009-5393.

8 Neil T，Van Dresar.PVT gauging with liquid nitrogen［J］.Cryogenics 46，2006:118-125.

9 George C.Design development and manufacture of a breadboard radio frequency mass gauging system［R］.NASA/CR-144C69，1976.

10 Gregory A Zimmerli，Karl R Vaden.Radio Frequency Mass Gauging of Propellants［R］.AIAA 2007-1198.

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

真空低温技术与物理国家级重点实验室基金(9140C550604)项目资助。

王丽红，女，39岁，硕士，工程师。