微重力环境下导流叶片流体传输速度的试验研究*

庄保堂，李 永，潘海林，胡 齐，李 泽

(北京控制工程研究所，北京100190)

学术研究

微重力环境下导流叶片流体传输速度的试验研究*

庄保堂，李 永，潘海林，胡 齐，李 泽

(北京控制工程研究所，北京100190)

导流叶片是板式表面张力贮箱的关键部件之一，微重力条件下，它的流体传输性能决定了表面张力贮箱的推进剂管理能力.搭建导流叶片模型试验系统，针对不同截面形状的导流叶片模型的流体传输行为进行微重力落塔试验研究，得到微重力环境下导流叶片流体传输规律.试验结果表明，不同截面形状的导流叶片对流体传输性能有较大影响，合理设计导流叶片截面形状可有效地控制液体传输速度，并且为推力器提供不夹气的推进剂.该试验成果不仅为新型板式流体管理部件优化设计提供参考，同时也为空间环境下流体控制提供了一种新的方法.

微重力;导流叶片;流体管理;落塔试验

板式流体管理装置是利用液体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，以板式结构为主，它利用液体表面张力通过导流叶片来实现气液分离、液体传输、蓄留定位和排放，克服网式管理装置重量大、结构强度低、加注速度慢的缺点，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.

导流叶片是板式流体管理装置的核心部件，通过它可以实现流体的供给和气液分离，它决定了板式推进剂管理装置能否为推力器提供充足不夹气的推进剂，并能有效抑制液体晃动，有助于提高航天器控制精度.国外从上世纪70年代就开始了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[1-12].目前，国内尚未开展关于板式管理装置的微重力试验研究工作，国外研究成果起到一定的借鉴作用.本文设计了不同截面形状的导流叶片，通过落塔试验揭示流体在导流叶片作用下的流动规律，对板式管理部件的流体管理机理进行深入的试验研究，为板式贮箱管理装置在空间流体管理的应用奠定基础.

1 微重力落塔试验系统

微重力落塔试验能够提供的微重力时间较短，但可以提供重力加速度相对较低的微重力环境，使用缩比模型可以弥补微重力试验时间短的缺陷，是最常用的微重力试验手段.

本文的微重力落塔试验在国家微重力试验室百米落塔上进行[13]，百米落塔自由落体实验设施提供的微重力时间约为3.6s，微重力加速度接近10-5g0.这套设施由实验舱组件、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，微重力落塔试验系统如图1所示.

图1 微重力落塔试验系统示意图Fig.1 Sketch map ofμ-g drop tower test system

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、单舱两种类型.双舱由内舱和外舱组成的双层套舱，内外舱间抽真空，真空度不大于30Pa，试验装置达到10-5g0的量级甚至更优的微重力水平.本文研究选用了双舱型落舱，其结构示意图如图2所示.

图2 双舱结构示意图Fig.2 Sketch map of double-cabin

根据微重力落塔试验研究要求，搭建模型试验系统.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/s.

2 导流叶片试验模型设计

试验采用5种不同横截面形状的导流叶片模型，如图3所示.靠近液槽内壁面处导流叶片直边相对值a1/a0、a2/a0、a3/a0、a4/a0、a5/a0(a5为零，未标出)分别为1、5/6、1/2、1/3、0，导流叶片宽度 b0保持不变，总高度h0为恒定值(浸没在模拟液中的高度除外)，分别对应于Model 1～Model 5.

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%.导流叶片固定在透明的试验液槽箱体上，与箱体壁面平行且相对间隔距离c/a0为1/6，箱体内装有模拟液相对深度hl/ h0为1/19，为了减少试验次数，每个液槽中放置两个导流叶片模型组成一个试验单元，导流叶片之间以及导流叶片与液槽两侧之间有足够的距离，防止相互之间产生流动干扰.导流叶片的放置方式如图4所示.

相对于水、真实推进剂，无水乙醇具有泡破点低、无污染等优势，故一般采用无水乙醇作为推进剂的试验模拟介质，其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.其中，σ为表面张力系数，μ为无水乙醇粘度，ρ为无水乙醇密度，Nd为折射率，θ为接触角.

图3 不同截面形状的导流叶片模型Fig.3 Propellant acquisition vanesmodel with different section forms

图4 导流叶片缩比模型放置方式Fig.4 Arrangementmode of reduced-scale model of propellant acquisition vanes

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

3 试验结果及讨论

针对5种不同横截面形状的导流叶片模型，分别进行微重力落塔试验，主要研究不同截面形状对液体传输速度的影响.图5分别给出了Model 1～Model 5不同截面形状导流叶片的液体传输高度随微重力时间变化过程的微重力落塔试验图片.图中横向为微重力时间，分别选择0.0s、0.5s、1.0s、1.5s、2.0s、2.5s、3.0s等7个微重力时刻，纵向为液体传输高度，个别图片中的横线表示液体弯曲液面顶端的高度.

图5 不同模型中液体传输过程的微重力落塔试验Fig.5 Microgravity tower test of liquid transfer in differentmodel

从试验图片可以看出，落舱下落之前(0s时刻)，润湿的无水乙醇在导流叶片与液槽内壁面之间形成了向上弯曲的凸形液面，液面曲率半径较大，呈扁平状.这是由于导流叶片与液槽内壁面之间的尺度较小，表面张力作用显著，在表面张力和静压力共同作用下，产生凸形液面现象.当落舱释放后，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，液体沿着导流叶片爬升，气液分界面曲率半径相对于1g0时较小.从图片中可以直观地看到，不同模型的液体传输速度有较大差异，Model 2和Model 3的液体传输速度较快，而Model 5的液体传输速度最慢，Model 1的液体传输速度与Model 4相比较快，两者的传输速度介于介于Model 2与Model 5之间.每隔0.04s测量图片中弯曲液面顶端位置高度，得到不同模在不同微重力时间的液体传输距离.为了考察微重力环境下导流叶片液体传输规律，得到相对传输高度h/h0随相对时间t/t0和 (t/t0)1/2的变化曲线，如图6和图7所示.t0为3s的微重力时间.

图6 不同模型液面传输高度随时间的变化关系Fig.6 Relation of gas-liquid interface high with time in differentmodel

图7 不同模型液面传输高度随t1/2的变化关系Fig.7 Relation of gas-liquid interface high with t1/2in differentmodel

结合图5，通过对图6～7图的数据进行分析可以得到以下试验结论:

(1)微重力环境下，液体沿着导流叶片传输过程分为两个主要阶段，即重力作用突然消失后液面重定位阶段和表面张力起主要作用的稳定传输阶段.

如图6中虚线所示，相对时间0＜t/t0＜0.053 (绝对时间0＜t＜0.16s)时为第一阶段，液体的惯性力其主要作用，液体传输速度较快，气液界面变化明显，液体传输的最大相对高度达到0.21.随着微重力时间增加，传输速度开始减小，表明在此过程中惯性力作用逐渐减弱，而粘性力的作用逐渐增强.

t/t0＞0.053时为第二阶段，即液面重定位后液体稳定传输过程.如图中虚线所示，此时刻对应的相对时间方根 (t/t0)1/2为0.23.可以看出，该阶段液面随着微重力时间稳步上升，不同模型的传播速度开始出现较大差异，同时相对高度h/h0与相对时间方根(t/t0)1/2呈现较强的线性相关性，即微重力条件下导流叶片液面传输高度与时间方根t1/2成正比. Weislogel等人[14-15]用试验方法研究的圆管内的毛细驱动流，得到了传输高度随时间方根t1/2的变化关系，本文研究结果与其相似.

(2)微重力环境下，不同导流叶片截面形状对液体传输速度有显著影响.

可以看出，导流叶片Model 2和Mode 3的液体传输速度最快，两者相差不大，而Model 5的液体传输速度最慢.即靠近液槽内壁面处导流叶片横截面直边相对值(a1/a0、a2/a0…)与液体沿导流叶片的传输速度有关，当相对值为1/2和5/6时，液体传输速度最快，其余相对值为1、1/3、0时依次减慢.因此，设计导流叶片截面形状时应尽量保证直边相对值在1/2～5/6之间.对于导流叶片横截面直边相对值为0的Model 5中，液体在3s时间内爬升相对高度仅0.62，且在后半段时间里爬升速度缓慢.在设计板式管理装置时，应尽量避免使用该截面形状的导流叶片，尤其对于纯导流叶片装置，否则可能无法实现为发动机或推力器提供无夹气的推进剂，严重影响发动机或推力器的运行稳定性.这一试验结果为新型板式管理装置设计优化提供参考.另一方面，这也提供一种在微重力条件下进行液面控制的方法，即改变导流叶片横截面形状可以效地控制液体的传输速度，有效地抑制液面爬升，为空间环境下流体控制提供了一种新的方法.

4 结 论

本文通过不同截面形状的导流叶片流体传输性能的微重力落塔试验，得到以下主要结论:

(1)导流叶片截面形状是影响流体传输速度的主要因素之一，合理设计导流叶片截面形状，可有效地控制空间液体的传输性能，建议设计导流叶片截面形状时应尽量保证直边相对值在1/2～5/6之间.通过该试验得到不同导流叶片截面形状对流体传输性能的影响规律，为新型板式管理部件设计优化提供参考，可以用于板式表面张力贮箱的研制，并为空间环境下流体控制提供了一种新的方法，提高空间环境下流体的管理和控制水平.

(2)获得了微重力条件下导流叶片流体传输特性和液面分布规律，验证了板式部件流体传输和管理特性，对后续板式贮箱设计及导流叶片优化提供了有价值的试验资料.同时，该试验成果可以推广到航天器热控、生命保障、液态物质处理等流体管理系统中.

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Experim ent Investigation on Transportation Velocity of the Fluid on Propellant Acquisition Vanes under M icrogravity Environm ent

ZHUANG Baotang，LIYong，PAN Hailin，HU Qi，LIZe
(Beijing Institute of Control Engineering，Beijing 100190，China)

Propellant acquisition vanes(PAV)are the key parts of vane-type surface tension tank (STT)，and its transportation performance of fluid will determ inemanagement ability of STT undermicrogravity environment.In present paper，amodel test system is established.Based on experimental study of fluid transportation behavior of propellant on the PAV with different section forms conducted on microgravity drop tower，some important conclusions are obtained.According to experimental tests，PAV with different section forms influences the fluid transportation performance of STT remarkably.Thus，it is an effective way to control liquid transportation velocity by reasonably design of section form of PAV，and it used to supply pressurized hydrazine fuel to the spacecraft's propulsion system thrusters.Present experimental results can not only provide a guideline for optimized design of new-style vane type management assembly，but also present a new way for liquid control in space environment.

microgravity;propellant acquisition vanes;fluid management;drop tower test

V43

A

1674-1579(2012)06-0001-05

庄保堂(1982—)，男，工程师，研究方向为航天器推进技术与微重力流体流动理论;李 永(1977—)，男，高级工程师，研究方向为卫星推进系统、推进剂贮箱设计、微重力下的流动机理、先进流动测量技术;潘海林(1960—)，男，研究员，研究方向为卫星推进技术;胡 齐(1985—)，男，助理工程师，研究方向为推进剂贮箱设计;李 泽(1985—)，男，助理工程师，研究方向为推进系统设计.

*国家高技术研究发展计划(2011AA7045038).

2012-04-11

DO I:10.3969/j.issn.1674-1579.2012.06.001