筛网LAD 通道液氮动态出流性能研究

朱文杰 张瑞平 黄立钠 邱中华 马 原

（1 上海空间推进研究所 上海 201112）

（2 上海空间发动机工程技术研究中心 上海 201112）

（3 西安交通大学制冷与低温工程研究所 西安 710049）

1 引 言

低温推进剂具有比冲高、无毒、可重复使用和现场资源利用等优势,因此在未来深空探测、机动任务等领域有广阔应用前景。空间推进系统运行时处于微重力状态,在微重力状态下,气液位置及气液界面形状具有很高的不确定性,而贮箱需给下游发动机提供不夹气的液体,因此需在贮箱出口设置带金属筛网的管理装置,利用微重力下筛网液膜的表面张力阻止气体进入下游涡轮泵及发动机入口。

低温推进剂具有粘度小、表面张力小等特点,与常温推进剂N2O4和MMH 及试验测试介质IPA（异丙醇）、无水乙醇等具有较大差异,同时低温下筛网金属丝会冷收缩,引起筛网孔径变化,导致分离性能变化,因此低温推进系统的筛网通道LAD（Liquid Acquisition Device）需在低温下获得动态传输性能参数并进行理论修正。

筛网是保证LAD 性能的关键组件,它的气液分离性能通过气体突破液膜产生第一个气泡时的压差来反映,该压差也称为“泡破点”。近20 年来,NASA格林中心在低温推进剂管理项目中研究了筛网在多种低温流体包括液氮、液氢、液氧和液甲烷的性能。Hartwig 等[1]系统研究了液氢温区和液氮温区中筛网泡破点及筛网复合通道的性能,发现流体过冷度及增压气体类型对泡破点有较大影响,选择He 气增压同时增大过冷度可以提高筛网泡破点,提升气液分离性能。Jurns 等[2]对NASA 的实验进行补充,研究了圆形、方形和三角形的不同筛孔结构对泡破点的影响,发现三角形筛孔比圆形和方形微孔性能更好。Kudlac[3]等研究了多种低温流体中200×1 400 筛网通道LAD 的动态出流特性,对流体过网流阻的模型进行修正,实验发现在地面1 g 条件下,酒精的液柱静压压损比过网流阻压损高7.7 倍而低温流体的静态水力压损是过网流阻压损的14 倍。因为流动过程的压损决定了筛网通道LAD 在微重力下工作的设计裕度,同时不同编织细度的筛网具有不同的泡破点和流动特性,所以需低温流体的流动特性进行深入研究,为低温贮箱管理装置PMD（Propellant Management Device）的设计提供理论基础。中国针对低温推进剂的贮箱管理装置研究较少,马原[4-5]等对国外低温推进剂筛网通道式液体获取装置的研究进行了总结。研究了不同筛网编织密度、不同过热度及重力状态对饱和液氢芯吸速度和芯吸高度的影响[6-7]。筛网在低温推进剂中的分离与流动性能目前国内尚未开展研究,而筛网在不同低温流体中的泡破点及过网流阻等基础参数是进行低温贮箱研究与设计的关键。本文设计、加工了覆盖筛网的圆管通道并通过可视化实验,基于325×2 300Dutch Twill 型筛网复合通道进行了液氮自增压动态出流试验,对流动中静态水力压损与流体过网压损进行研究。

2 实验原理

筛网通道LAD 是微重力推进剂管理装置PMD中的一种,主要利用通道表面筛网的毛细作用力及表面张力来吸取液体后,在筛网表面形成阻隔气体的液膜,其经典结构如图1 所示。经过半个多世纪的研究,目前常用的LAD 装置已成熟应用于使用常温推进剂（N2O4和MMH）的空间姿轨控系统[10]。

图1 贮箱内筛网通道式LAD 结构Fig.1 LAD structure inside the propellant tank

筛网通道式LAD 包括多根贴近贮箱壁面的金属通道,通道上多个位置设置有金属筛网。金属筛网通过编织的金属丝形成微米级通道,电镜下的金属筛网结构如图2,通道内的液体在通道表面筛网上形成液膜,液体可以通过筛孔的毛细力吸入并穿过筛网,液膜的表面张力提供的局部压力使得气体则被阻挡在通道外。其中筛网的气体拦阻性能可以通过泡破点（Bubble Point）实验来获得气体突破筛网形成的液膜时筛网两侧的压差ΔPbp。筛网与通道复合后,其性能可通过动态出流实验（Outflow Test）所获得液柱静压压损（head pressure）及过网压降（flow through screen pressure）来表征。筛网通道工作时,增压气体挤压液体,液体通过筛网流进通道后,自通道出口排出。筛网通道在1 g地面条件下工作时,液体倒排的压损包括液柱静压差ΔPhydro、过网流阻ΔPFTS、管道流阻ΔPfriction、动能损失ΔPdynamic及其他损失ΔPother。

图2 200×1 400 Dutch Twill 型筛网扫描电镜图Fig.2 SEM of 200×1 400 Dutch Twill mesh

在地面1g流动过程中,ΔPfriction、ΔPdynamic和ΔPother相比静压差ΔPhydro及过网流阻ΔPFTS相比可忽略不计,所以压损主要是液柱静压差ΔPhydro和过网流阻ΔPFTS,即:

这两部分压力损失之和不能大于泡破点的压力,否则增压气体会突破筛网液膜进入液体通道中,向下游排出夹气的液体;突破后若液膜不能重新建立,气体通过筛网与出口短路,形成气体排放通道,阻碍液体继续排出。

实验过程中,装置充分冷却后的稳态漏热量引起液氮汽化,在玻璃杜瓦内发生自增压,挤压液体通过筛网通道LAD 出口排出。筛网通道LAD 最初浸没在液体中,随着排出过程的进行,液面下降,增压气体接触筛网。通常增压气体的泡破位置发生在通道的出口筛网处,发生泡破时的压力损失为:

对于Dutch Twill 型编织的筛网,流体正面流过筛网时的过网流阻模型为:

式中:u为流动速度,m/s;μ为流体粘度,Pa/s;ρ为流体的密度,kg/m3;A、B为经验系数,与筛网有关。

图3 筛网复合通道动态出流示意图Fig.3 Sketch of the outflow test for mesh combined LAD channel

3 实验系统

筛网通道芯吸试验采用325×2 300Dutch Twill型编织的不锈钢筛网,包覆于钛合金管之上,构造了两根用于倒排的筛网通道LAD,如图4 所示。两种筛网先用酒精测试其泡破点均为6 100 Pa,酒精泡破点的测试证明其筛网的性能良好,没有制造与焊接缺陷,可以进行低温流体中的测试。

图4 筛网圆管通道LADFig.4 Circular section LAD channel combined with mesh

为了满足排放试验系统的可视性要求采用内径180 mm,高度350 mm 的双层真空玻璃杜瓦作为液氮盛放容器,下部垫有海绵隔热减少导热漏热。玻璃杜瓦上方设置氟塑料盖板和密封结构,盖板上设有加注口和通道排放口,如图5 所示。因为通道LAD 上部连接到氟塑料盖板上,因此筛网浸润高度可通过玻璃杜瓦高度与玻璃杜瓦中液面高度之差来获得。

图5 玻璃杜瓦容器及盖板密封Fig.5 Glass dewar with sealed cover plate

排放试验有自增压排放和外部增压气体排放两种增压排放方式,其差异在于用常温增压气体排放会带入热量,在筛网表面给气液界面带来蒸发,热量过多可能导致金属筛网表面液膜破裂。自增压排放依靠容器漏热引起的低温推进剂蒸发增压,此过程不会引入大量热量,气液界面处于热平衡状态,不会影响金属筛网表面的液膜性能。

实验系统包括自增压液氮杜瓦、连接管道、玻璃杜瓦容器及测量装置,如图6 所示。

图6 试验系统原理图Fig.6 Schematic diagram of experiment system

4 实验步骤

（1）用液氮对玻璃杜瓦容器进行预冷,充分冷却后向容器中通过一支覆有325×2 300 筛网的通道加入液氮,减少加注中气相的扰动,加注的液氮量应漫过LAD 通道有筛网部分10 cm 以上。

（2）玻璃杜瓦容器产生自增压时,上方气垫向下挤压液体,液体从另一支325×2 300 筛网通道LAD顶部排出。

（3）观察排出液体的状态,当出液管能够持续排液时,说明LAD 液膜未被破坏;当出液管停止出液时,说明LAD 发生泡破,记录此时的液柱高度。

图7 试验排放过程Fig.7 Discharge progress in experiment

5 结果分析

Kudlac M T 的研究[2]给出了低温流体的泡破点的理论模型计算与实测值,如表1 所示。

表1 常温流体与低温流体泡破点相关参数对比Table 1 Parameter comparison of bubble point between room-temperature and cryogenic liquids

以上泡破点数据是基于泡破点测试实验装置采用圆网片测试得到。而LAD 实验中所用200×1 400筛网通道排放性能测试获得的液柱静压差ΔPhydro和过网流阻ΔPFTS如表2 所示。

表2 200×1 400 筛网流动参数Table 2 Flow parameter of 200×1 400 mesh

由表2 可以看出,流量对静压差的影响为4%,低于流量在0.07 kg/s 时的3 次实验之间的误差11%,因此可以忽略流量变化对静压差的影响,分别对过网压差和静压差取平均值,如表3 所示。

表3 200×1 400 筛网压力损失构成Table 3 Pressure loss components of 200×1 400 mesh

Kudlac M T 的研究中,静压差与过网压差之和小于He 增压的圆网片泡破点数据,可能的原因是网片与通道焊接之后的热应力拉伸会导致一定程度的泡破性能下降,这在常温推进剂的试验中较为普遍,但每次焊接后的实测值与理论值差异与工艺直接相关。

根据式（4）,结合200×1 400 和325×2 300 筛网的经验参数A、B,假设接近泡破时的流速相同时,计算得到325×2 300 筛网的过网压降为94.57 Pa。本次动态出流实验测量得到325×2 300 筛网通道LAD 的液柱高度为280 mm,计算静压差为2 222.64 Pa,如表4 所示。

表4 325×2 300 筛网压力损失构成Table 4 Pressure loss components of 325×2 300 mesh

可以看出,因为325×2 300 筛网更加致密,液体润湿筛网表面形成液膜后,气体突破液膜的阻力进一步提高,泡破点因此增加,而泡破点的提高能够支撑更大的静压差。随着筛网致密性的提高,筛孔的孔径减小,突破泡破点后,液氮流过325×2 300 筛网的压损较200×1 400 高。

根据Hartwig J W 的研究[11],低温流体中He 增压的泡破点比同温度下自增压的泡破点高,如图8 所示,325×2 300 筛网在液氮中采用He 气增压比自增压泡破点高,是本次实验中压损低于文献中He 增压泡破点300 Pa 的主要原因。其次,玻璃杜瓦冷透后,漏热量保持稳定,漏热量引起的液氮自增压速率略有不足,排放后期增压气体的压力有所下降。

图8 不同增压气体下325×2 300 筛网液氮泡破点[11]Fig.8 Bubble point of 325×2 300 mesh in liquid nitrogen under different pressurants

6 总 结

设计并搭建了便于快速检测的可视化的低温实验系统,对筛网通道LAD 在液氮中的自增压动态出流特性进行研究。结果表明:

（1）LAD 通过毛细力及表面张力的作用,充分浸润后形成液膜,对气相进行阻隔。在自增压形成的微过冷状态下,筛网通道LAD 表面形成的液膜可以保证一定条件下的不夹气排放,该装置可以用于低温推进系统。

（2）325×2 300 筛网在液氮动态出流时,静态压损为280 mm 的液柱高度,即2 222.64 Pa。筛网越致密,气体突破液膜的阻力越大,因此325×2 300 筛网比200×1 400 所能支撑的静压损更大,但同时液体流过筛网的过网压损也相应增大。

（3）筛网在焊接等其他加工中可能导致微小的变形,表现为泡破点的下降。而增压方式的不同也会影响低温流体的泡破点及动态出流时的最大静压损,因此在LAD 实验前需针对具体结构,通过泡破点测试来标定。