微重力环境下蓄液器流体蓄留特性的试验研究*

庄保堂，李 永，潘海林，胡 齐

(北京控制工程研究所，北京100190)

0 引言

板式流体管理装置(PMD)是利用表面张力对空间环境下流体实行主动管理和控制的新型装置.它以板式结构为主，其原理是利用表面张力通过导流叶片和蓄液器来实现气液分离、液体传输、蓄留和定位排放［1-4］，克服了网式管理装置重量大，防晃性能差及无法重复加注等缺点，可以满足各种流量需求，并适应于不同的微重力环境，尤其是微重力水平相对较低的大型卫星平台，是当前最先进的空间流体管理装置.

蓄液器作为板式流体管理装置的核心部件，通过它可以实现液体的存储和气液分离，它决定了板式推进剂管理装置能否为推力器提供充足的燃料，并能有效抑制液体晃动，提高航天器控制精度.国外从20世纪70年代就开始对微重力环境下的板式结构管理流体的机理进行研究，投入了巨大的人力和物力，进行了大量相关的微重力试验，取得了众多研究成果［5-12］.本文设计了2种不同的蓄液器，通过落塔试验揭示流体在蓄液器的蓄液能力，为板式贮箱设计优化提供数据支持.

1 试验系统与蓄液器模型

本文的微重力落塔试验在国家微重力实验室百米落塔上进行［13］.百米落塔自由落体试验设施提供的微重力时间约为3.5 s，微重力加速度接近10-5g0.这套设施由试验舱组件、减速回收系统、释放系统、控制系统、测量系统以及辅助设施组成.整个系统的核心是试验舱组件，它是落塔试验系统中搭载试件的重要专用设备.落舱分为双舱、单舱2种类型.双舱是由内舱和外舱组成的双层套舱［14］，内外舱间抽真空，真空度不大于30 Pa.试验过程中外舱在大气环境中自由下落，设计时选取了轴对称的气动外形，以尽量减小下落时舱体承受的气动阻力;而试验载荷安装于内舱载荷平台上，试验时内舱在外舱内的真空环境中随着外舱一起自由下落，内外舱间相对速度很小.由于真空环境和很小的相对速度有效地减小了内舱在下落期间受空气阻力，从而确保舱内的试验装置达到10-5g0的量级甚至更优的微重力水平.

根据微重力落塔试验研究要求，搭建了模型试验系统.该试验系统由试验模型、试验支架、照明装置、图像采集装置等组件构成，可以进行板式管理部件流体行为的微重力试验验证.模拟试验系统采用4路CCD视频图像输出设备，拍摄速率均为25帧/秒.通过图像采集系统记录蓄液器内液体爬升和重定位过程.本文研究选用了双舱型落舱，其结构示意图如图1所示.

试验采用2种不同类型的蓄液器模型，分别为双圆锥形蓄液器和直板楔形蓄液器.双圆锥形蓄液器的内锥与外锥均为轴对称结构，初始状态下蓄液器内锥与外锥之间蓄留一定量液体，双圆锥形蓄液器模型侧向放置，即承受侧向加速度工况，如图2(a)所示;直板楔形蓄液器由楔形锥与内锥构成，由图2(b)所示的截面结构拉伸得到，蓄液器与外部容器通过底孔连通，初始状态下蓄液器楔形锥与内锥之间均有液体.

试验液槽和导流叶片均采用有机玻璃材料，其折射率为1.491，透光率约为90%.试验采用无水乙醇作为推进剂的试验模拟介质，与有机玻璃的静态接触角近似0°.无水乙醇的详细物性参数见表1.

图1 双舱结构示意图Fig.1 Sketch map of double-cabin

图2 蓄液器模型结构示意图Fig.2 Illustrations of two PRR models

表1 无水乙醇的物性参数(C2H5OH，20℃)Tab.1 Physical properties of absolute alcohol(C2H5OH，20℃)

2 结果及讨论

2.1 双圆锥蓄液器的试验结果

图3给出了落塔试验过程蓄液器侧放时蓄液器内液面变化情况.时间间隔为0.25 s，自落舱释放前(1g0)开始到落舱释放后液面重定位结束的总时间为 1.75 s.

图3 双圆锥形蓄液器内部液面重定位过程Fig.3 Liquid-level relocation process within double-cone PRR

从试验结果可以看出，落舱释放前的常重力条件下，即0.0 s时刻，蓄液器中间部位液面保持水平，液面在靠近蓄液器内外锥的夹角处出现弯曲.由于在尖角处液面的弯曲半径沿着靠近尖角方向逐渐减小，而附加压强和半径成反比，故尖角处液体内的压强沿靠近尖角的方向递减，从而形成了压力梯度.图4能够很好地解释此现象.

图4 常重力下带有尖角的容器中液体分布Fig.4 Liquid distribution in container with sharp corners under normal gravity

对于夹角两点液面处的压差的控制方程为

微重力环境下，表面张力占主导地位，液体将向着结构曲率半径小的位置运动.靠近夹角处的曲率半径较小，因此，出现如图3所示的液体分布状态.

落舱释放后，重力加速度水平突然减小至10-5g0左右，静压作用力几乎消失，表面张力起主要作用，蓄液器内液体沿着蓄液器内外锥的夹角区域迅速沿反向加速度方向爬升，微重力时间达到1.5 s时液面基本趋于稳定状态，液体蓄留在内锥与外锥的夹角区域，最终液体均匀地分布在内外锥之间夹角处，气液界面呈弧面状.

通过落塔试验，获得了在微重力环境下双圆锥形蓄液器内部液体的分布情况，验证了蓄液器良好的蓄液能力.试验表明，液体均蓄留在蓄液器内锥与外锥之间的夹角区域，即承受侧向加速度时双圆锥蓄液器仍具有良好的蓄液能力，但在设计蓄液器时应保证卫星寿命末期此处液体可以顺利导出.

2.2 直板楔形蓄液器的试验结果

微重力试验过程中直板楔形蓄液器内液面重定位过程如图5所示.

从图5中可以看出，初始时刻楔形锥内部与外部液面的高度保持一致;微重力开始后，液体沿着楔形锥内、外壁面和半月形容器内壁面迅速爬升，且楔形锥内部液体相对外部液体爬升速度较快，1.0 s后爬升速度减缓，到达1.75 s时液面基本稳定.图6给出了带有内锥的蓄液器内液面变化原理图.

图5 直板楔形蓄液器内液面重定位过程Fig.5 Liquid-level relocation process within straight wedge PRR

图6 带有内锥的蓄液器内液体驱动原理简图Fig.6 Sketch of driving principle of liquid within PRR with inner cone

微重力环境下，气液界面曲率半径越小压差越大，即驱动力越大.内锥3、4处的曲率半径相对于外锥1、2处较小，故锥内部液面高于外部液面.可以看出，试验结果与理论分析结果基本相符.

从双圆锥形蓄液器和直板楔形蓄液器的蓄液分布情况可以看出，双圆锥形蓄液器中的液体几乎全部蓄留在蓄液器内外锥角处，而直板楔形蓄液器只有部分液体蓄留在楔形锥内.整体来看，双圆锥形蓄液器优于直板楔形蓄液器的蓄液能力，轴对称结构的双圆锥形蓄液器更适合于未来的贮箱设计.从定性试验结果分析可知，影响蓄液器液体蓄留能力的几何参数主要包括内外锥夹角、内锥弧面、内锥楔形角等，优化时应综合考虑这些参数对蓄液器蓄液性能的影响.

3 结论

本文通过2种不同类型蓄液器蓄液过程微重力落塔试验研究，得到以下主要结论:

(1)2种不同类型的蓄液器均具有良好的蓄液能力，对于双圆锥形蓄液器，承受侧向加速度时仍具有良好的蓄液能力.总体来看，双圆锥形蓄液器优于直板楔形蓄液器的蓄液能力.

(2)通过试验得到2种不同类型的蓄液器的液面分布规律，验证了板式部件流体蓄留和管理特性，为新型板式管理部件优化设计提供了有价值的试验资料.内外锥夹角、内锥弧面、内锥楔形角是影响蓄液器蓄留能力的主要几何参数，优化设计时应考虑这些因素对蓄液器蓄液性能的影响，保证卫星寿命末期蓄液器内锥与外锥之间夹角区域的液体可以顺利导出.

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