高真空低重力环境下液态工质排放地面模拟试验研究

2019-07-01王德伟宁献文赵建福苗建印牛春洋

航天器环境工程 2019年3期

王德伟，徐侃，宁献文，赵建福，苗建印，牛春洋

（1.北京空间飞行器总体设计部空间热控技术北京市重点实验室，北京 100094；2.中国科学院力学研究所，北京 100190）

0 引言

流体回路作为主动热控技术中的重要组成[1-3]，具有换热能力强、热传输性能强、热负荷适应能力强等优点，在国内外航天器上广泛应用。对于某些具有返回功能的航天器，在流体回路在轨使用寿命结束后，为了减轻航天器重量，保证航天器安全，需要对管路中的工质进行排放。工质排放时间以及残余工质量，对于航天器工作流程安排以及评估航天器的安全性具有重要意义。

空间工质排放环境为低重力和高真空，其中真空环境使工质排放变得非常复杂，涉及液体闪蒸与气液两相临界流等复杂过程[4-7]，基于目前的计算流体动力学理论，对于克努森数Kn＞0.01的非连续流的计算非常困难或不准确。赵建福等[8]开展了闪蒸试验，获得闪蒸过程中部分液态工质的流动特征。国外针对气液两相临界流的研究发展出许多预测分析模型或经验公式，Ellias和Lellouche[9]发现气液两相预测模型对不同条件的适用能力依赖于对相界面传递过程与模型所采用的控制方程的经验关系。徐侃等[10]针对空间工质排放过程建立了数理模型，将空间工质排放分为5个阶段：阶段I、II为补偿器工质排放，阶段III为过渡阶段，阶段IV为重位压降驱动的管路排放过程，阶段V为闪蒸波传播阶段。

上述已有研究中气液两相预测模型针对工质排放中管路温度、压力变化规律难以分析获得准确和公认的结果；闪蒸过程的相关试验研究未考虑实际工程管路的复杂性；排放管路沿程温度、排放口环境温度等因素对排放速率影响的研究尚未见到报道。鉴于此，本文针对高真空、低重力条件下全氟三乙胺工质的真空排放过程，设计了地面试验系统，开展管路排放过程的试验验证，以获取工质排放过程中管路压力和温度变化特征，探讨工质沿程局部温度、排放口温度与工质排放速率之间的相关性。

1 工质排放影响因素分析

决定工质排放速率的根本因素是工质排放的驱动力和阻力，驱动力源于流体回路系统内部压力、重位压降及饱和蒸气压，阻力源于排放过程的沿程及局部流阻、蒸发相变阻力、逆重力阻力，可以具体描述为以下5条：

1）回路内压

若排放口外是真空环境，则工质排放的驱动压力为回路内压，回路内压P与工质流速u的平方成正比，即P=ξρu2/2，其中ρ为工质密度，ξ为阻力系数。也就是说，回路内压越大，则排放速率越快。排放初始时刻，回路内压取决于补偿器的压力；排放过程中，补偿器压力下降，当补偿器波纹管到达极限位置之后，不能再提供压力，则回路内压取决于回路高度差和工质的饱和蒸气压。

2）高度差

液体排放口之上的管路高度差导致的重位压降是管路中液体排放的主要驱动力；而逆重力的高度差，阻碍工质流动，成为工质排放的阻力。

3）工质温度

工质温度直接影响着作为驱动力的工质饱和蒸气压：工质温度越高，饱和蒸气压越大，驱动力越大。全氟三乙胺工质在20～40 ℃之间的饱和蒸气压约为16～41 kPa[11]，在诸如月面等低重力环境的液体排放过程中，饱和蒸气压一般远大于重位压降。回路管路与结构板等串联，热容大，而全氟三乙胺的汽化潜热小，故排放过程中汽化对回路温度产生的影响可以忽略，每次排放过程中的工质温度可按定值考虑。

此外，流体回路沿程可能由于冷板、预埋板或者换热器导致工质沿程局部温度变化，局部高温会使工质局部饱和蒸气压升高，若高于此处的工质压力（管道上游气液界面饱和蒸气压与相应管段对应重位压降之和），则会局部发生过热闪蒸形成汽团，有利于其下游管段内液体工质的排放，但不利于其上游管段液体工质的排放；若局部的饱和蒸气压低于此处的工质压力，则对工质排放无影响。

4）流阻

单相回路系统的流阻Pz与工质逆向流速uz之间同样满足Pz=ξρuz2/2关系，系统本身阻力越大，在相同驱动力下，排放速率越慢。

5）排放口温度

由于管道外部为真空环境，工质排放口处往往是可压缩临界闪蒸射流，排放速率主要与工质温度或对应的饱和蒸气压有关，而不依赖于外部环境压力。排放口温度越高，工质的饱和蒸气压越高，排放速率也越快。不过，过度提升排放口温度会导致上游液体闪蒸压力低于排放口液体闪蒸压力，进而形成逆向压差，抵消重位压降的驱动力，阻碍管道内部液体工质的流动，抑制排放效果。

2 工质排放地面试验系统

本文依照月球表面重力环境搭建了地面试验系统，主要验证无补偿器阶段的排放过程。地面试验系统的主要参数见表1。泵、热沉、阀门等设备按照等体积等效为2 m长的管路，工质为真实工质全氟三乙胺。试验过程中回路压力为105Pa，高于管路本身重位压降，便于观察阶段III至阶段IV转换过程中的压力变化规律。

表1 地面试验系统主要参数Table 1 Main parameters of experiment system

试验系统模拟某型号流体回路系统，其流程如图1所示。试验系统由真空罐、等效管路以及压力、温度监视系统组成，实物照片见图2。系统管路采用能够承受0.1 MPa负压的PVC塑料软管，在管路支架上按照图1布置；管路的模拟高度为图1系统实际竖直高度的1/6，以等效模拟月球重力的效应，并采用等体积模拟和等阻力模拟的方式，将等效高度减少的管路长度通过水平盘管等长度替代；排放空间由KM2真空罐实现真空环境的模拟。

图1 工质排放地面试验系统流程Fig.1 Flow chart of the ground experimental system for fluid evacuation

图2 工质排放地面试验系统照片Fig.2 Photograph of the ground experimental system for fluid evacuation

试验系统中布置：5个手阀，以实现试验后工质的分段收集；4个压力传感器，P1位于手阀4附近，P2位于管路最低点，P3位于逆重力上升点，P4位于排放口。此外，为模拟工质沿程局部热环境，布置5路控温回路，加热阻值20 Ω，其中，顶部管路布置3路（HT1～HT3），两侧管路各布置1路（HT4、HT5）；布置10个热电偶测温点，其中RD1～RD5为HT1～HT5的控温点，RD6位于工质排放阀阀体上，RD7位于管路最高点，RD8位于管路最低点，RD9位于真空罐排放口附近。各测控点的具体位置参见图1所示。

3 试验工况设置

本文设计3个试验工况，以获取排放过程中管路温度和压力变化规律，同时得出工质沿程局部温度和排放口温度与排放速率的关系。

1）工况1：控温回路不加热，工质温度18 ℃，控制真空罐内排放口初始温度为18 ℃，控温误差±0.3 ℃；

2）工况2：控温回路不加热，工质温度18 ℃，控制真空罐内排放口初始温度为11 ℃，控温误差±0.3 ℃；

3）工况3：控温回路按照表2预定温度进行控温，工质温度18 ℃，排放口温度18 ℃。

表2 控温回路目标值Table 2 Target temperature for the temperature-control loop

试验初始真空度小于100 Pa，试验过程中小于500 Pa。排放 15 min 后，收集手阀 4和手阀 5 之间管路的剩余工质量，以评估工质排放速率和效果。

4 试验结果及分析

图3～图5分别给出了工况1～3试验过程中各测控点的压力和温度变化曲线，工质排放从第1 min 开始，第 16 min 结束。

图3 工况 1 试验过程管路压力和温度变化Fig.3 Temperature and pressure inside pipeline against time:Condition I

图4 工况 2 试验过程管路压力和温度变化Fig.4 Temperature and pressure inside pipeline against time:Condition II

图5 工况 3 试验过程管路压力和温度变化Fig.5 Temperature and pressure inside pipeline against time:Condition III

1）回路压力

各工况的压力变化曲线显示：排放瞬间，管路内的压力从初始压力105Pa直接跌落到20 kPa左右，与全氟三乙胺18 ℃下的饱和蒸气压一致，表明无补偿器排放过程中回路初始压力对工质排放影响较小，排放瞬间均跌落到工质饱和蒸气压附近。排放结束时，工质排放口的压力（P4示）为4.8～5.8 kPa，其他压力测点的压力约为 12～16 kPa。需要说明的是，排放口压力低于对应温度下的工质饱和蒸气压的原因为闪蒸发生需要一定的过热。这会增加额外的排放驱动力。

2）回路温度

各工况的温度变化曲线显示：工质排放过程中，非排放口附近的管路温度基本保持不变，波动在±0.5 ℃以内，表明排放过程对非排放口附近管路温度的影响不大。但在蒸发较剧烈的部位，如工质排放阀处（RD6）和工质排放口处（RD9）温度较低，其中RD9处温度最低在-3～2 ℃之间，并且先降后升，表明排放过程中的工质蒸发越来越慢。

3）顶部管路剩余工质量

顶部管路剩余工质量可以用于评估排放的速率和效果，手阀4和手阀5之间的顶部管路的剩余工质量如表3所示。各工况的剩余工质量均较小，其中最多的工况2剩余工质相对于回路工质总质量的占比仅为7.3%，对于航天器安全性已无影响。

表3 剩余工质量Table 3 Remnant amount of the fluid

4）工况对比

顶部管路和排放口的压力测点P1和P4所示压力可以表征排放初始阶段以及全过程的管路压力变化规律；工质排放阀和排放口的温度测点RD6和RD9作为温度变化剧烈的测点，可以表征排放过程中的管路温度变化规律。图6给出了各工况下这几个测点的压力和温度变化对比。

图6 各工况下典型管路压力和温度对比Fig.6 Comparison of typical temperature and pressure under three conditions

工况1和工况2的对比：2个工况的排放口温度不同，但管路压力、温度的变化趋势一致，顶部管路的压力均先降到饱和蒸气压后缓慢上升，再缓慢下降；排放口的压力由真空上升到饱和蒸气压后缓慢下降；工质排放阀和排放口的温度在波动中下降后缓慢上升。同时表3中这2个工况的工质剩余量相差167 g，仅占工质总质量的2.8%，表明排放口温度对工质排放速率影响较小。此外，工况2的顶部管路压力从排放时刻起上升持续时间较长，排放口压力最低为5.8 kPa，工质剩余量154 mL；而工况1的顶部管路压力上升时间较短，排放口压力最低为 4.8 kPa，工质剩余量 248 mL。试验过程表现为手阀4和手阀5之间的顶部管路内从工质排放2～8 min后开始出现可见气泡，气泡出现的时间对应顶部管路压力的下降沿。由于每次工质的充装会导致手阀4和手阀5之间顶部管路核化点位置和尺寸的随机分布，表现为管内出现可见气泡的时间差异，最终导致相同排放时间内2个工况的排放口最低压力和工质剩余量存在小幅差异。

工况3与工况1的对比：工况3的非排放口管路存在局部热环境，但2个工况的顶部管路和排放口压力，以及工质排放阀和排放口的温度变化趋势一致，重合度高，工质剩余量相当，表明工质沿程热环境对于剧烈的闪蒸排放而言影响较小。

5）试验有效性评估

由于试验装置采用柔性管，而压力波在柔性管内的传播速度比在实际装置的刚性铝管内的传播速度小1个数量级（在刚性管内出现气泡的时间应为数十s内），故采用柔性管的排放试验结果足以反映和预示实际在轨排放结果。