航天器热控单相流体回路水击效应仿真研究

黄磊 王福军 于新刚 范宇峰

(1 北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)(2 中国农业大学，北京 100083)

随着航天器平台和应用载荷的功耗日趋增大，采用流体回路技术进行航天器热管理和控制的趋势日益明显。航天器热控单相流体回路已经成功应用于我国神舟系列飞船和天宫目标飞行器，并且在后续空间站、探月工程及高热流密度飞行器等重大任务中也将被应用，其主要作用是实现热量的收集、运输、分配以及排散，最终实现航天器的热量管理。

阀门是流体回路必不可少的组成部件。单相流体回路阀门在关闭过程中，可能会产生水击效应。水击是流体与导管结构的一种瞬态交互作用[1]，严重的情况下，水击产生的最大压力可能数倍于工作压力，会对流体回路设备和管路密封接头等造成损伤甚至破坏[2]，严重时会导致流体回路泄漏，从而引起灾难性事故。仅通过加厚管壁避免水击风险，会带来不可接受的质量代价。同时，水击的低压还会导致气蚀、液柱分离，也会对泵阀带来危害[3]。

国内外航天器关于流体水击效应的研究主要集中在推进开式系统领域[4-5]。文献[4]介绍了一种通过对推进管路加热恢复管内压力，从而抑制自锁阀动作导致的水击压力的方法，并用工程试验和数值模拟对其可行性进行了验证。文献[5]以姿态轨道控制液体火箭发动机为研究对象，利用AMESim软件，仿真计算了发动机系统管路中的水击压力。文献[6]针对飞行器推进系统填充和关机过程的水击问题进行了仿真研究，分析了节流孔、弯管对水击的抑制作用。但目前，针对航天器热控单相流体回路闭式系统的水击研究还未见相关文献报道。

本文以一种典型的航天器单相流体回路作为研究对象，进行了自锁阀关闭时回路水击效应的瞬态分析。通过仿真，得出水击效应在单相流体回路中发生的规律及影响，从而指导单相流体回路进行规避水击效应的设计，以提高航天器流体回路设计的可靠性。

1 仿真对象和典型水击工况

航天器热控单相流体回路一般由泵、温控阀、自锁阀、补偿器等设备以及流体导管组成，泵提供驱动流体循环的动力，温控阀是一种三通阀设备，通过调节分配冷热流体的流量实现目标温度的控制，自锁阀是自动化控制的截止阀门。长寿命飞行器如空间站在轨运行时间要达15年以上，长期在近地轨道飞行，使得飞行器暴露在舱外的导管例如辐射器管路，被微流星体和空间碎片撞击的概率大大增加。

为了避免空间碎片或者微流星击穿流体回路导管导致热控失效，一般将辐射器的管路并联设计，如图1的M4和M5管段。当流体回路计算机管理程序发现流体回路发生了泄漏，则首先关闭所有并联支路进出口的自锁阀，经过诊断后，再开启未泄漏支路的自锁阀，保持泄漏支路自锁阀为关闭状态，以实现泄漏支路的隔离。在流体支路进出口自锁阀关闭、开启的过程中发生的水击效应规律及如何进行规避水击效应，是本文仿真研究的对象。

自锁阀开关的瞬态分析主要考核流体回路正常运行过程中，由于某种紧急需求需要隔离(或隔离后需要启用)某条支路时，支路进出口自锁阀开关动作。本文选取图1中自锁阀g、h所在的支路为研究对象，重点研究自锁阀g、h关闭的先后顺序以及动作间隔对水击效应的影响，通过仿真得到流体回路各处由于水击效应产生的瞬态压力情况。

仿真时，泵以额定转速运行，自锁阀i、j、a均处于打开状态，自锁阀g、h组合关闭时，自锁阀由开到关动作用时0.8 ms。根据航天器在轨飞行的一般条件约束，选取了自锁阀g、h组合关闭的动作时间间隔进行研究。

2 基于特征线法的水击数学模型

本节介绍基于特征线法的单相流体回路水击计算基本数学模型和计算方法，建立水击计算的相关边界条件和数值计算方程[7-10]。

2.1 封闭管道非定常流基本方程

在单相流体回路系统中，管道为封闭管道，其一维非定常流基本方程由运动方程和连续方程两部分组成，两个方程式表达如下。

运动方程式为

(1)

连续方程式为

(2)

2.2 特征线方程

(3)

式中：λ是一个待求的线性因子。式(3)即为封闭管道瞬变流的基本偏微分方程，要使式(3)变成全微分方程的条件是

(4)

因而有

λ=±g/a

(5)

λ=±g/a代入式(3)，同时考虑对于微重力下，g的值较小可以忽略所在项，便得到分别沿特征线两个方向上成立的两对常微分方程：

C+微分方程为

(6)

C-微分方程为

(7)

进行水击计算时，假设时间步长为Δt，把管长为L的管道分成每段长Δx的若干段，每段时间步长为Δt=Δx/a，就得到x～t平面上的矩形计算网格，如图2所示，矩形网格的对角线正好是特征线。

从时间为零时的定常流状态开始求解，管道每一个计算截面上的P和Q的初始值是已知的。首先沿着t=Δt求解每个网络点的P及Q，然后在t=2Δt

上计算，依此类推，一直计算到所要的时间为止。

3 水击仿真分析

3.1 自锁阀g、h同时关闭

从图3仿真结果中可以看出，M5段出现负压现象，最小压力为-0.084 MPa，发生在2.370 m处，其中沿程距离指某位置沿流动方向与起点之间的距离。-0.084 MPa为工质的气化压力，但低压持续时间极短，之后又迅速恢复正压，气化现象不明显。系统最大压力为0.943 MPa，发生在M5段0.270 m处，M5段是包含自锁阀g、h的管段，压力极值波动较大，这是因为自锁阀g、h关闭过程中，压力波被阻断在自锁阀g、h之间传播，从而导致自锁阀g和h的进出口压力发生了剧烈的振荡，并且M5管段的最大压力极值明显高于其它管段。

从图4对比自锁阀g和h 进出口压力变化可知，同时关闭g、h时，进出口压力变化趋于相同，其值相差为g、h间的沿程损失；补偿器处的压力略有波动，但维持在稳态工况压力；泵进出口压力在自锁阀关闭动作时开始波动，0.90 s后泵进口压力趋于稳定0.158 MPa，泵出口压力趋于稳定0.355 MPa。

3.2 自锁阀g、h间隔关闭

对自锁阀g、h关闭不同时间间隔的工况仿真结果进行了汇总，归纳于表1，可以看出，当进出口自锁阀关闭时间有一定间隔时，进出口自锁阀之间的压力极值要小于进出口自锁阀同时关闭的极值。另外，入口自锁阀先于出口自锁阀关闭时，其压力极值要小于先关闭出口自锁阀。当自锁阀g、h关闭有一定时间间隔时，各个管段的压力极值是一样的，这是由于自锁阀的自身关闭时间只有0.8 ms，远小于自锁阀g、h关闭的间隔时间，即说明当自锁阀g、h关闭时间间隔远大于自锁阀自身动作时间时，关阀产生的压力极值都是一样的。另外，由于流体回路的基础压力较低，因此水击发生时压力极小值约等于工质的气压压力。由于极小值持续时间短，加之泵入口补偿器能够维持压力，因此泵不会气蚀。

表1 自锁阀g、h间隔关闭情况下各管段压力极值Table 1 Pressure peak of pipes when valve g/h closing at different intervals

续 表

3.3 措施

航天器热控单相流体回路某支路的两个阀门同时动作时，会引起剧烈的水击效应。对某典型航天器流体回路仿真分析表明，水击效应可在回路局部产生接近10个大气压的瞬态压力，可能对设备或管路密封结构造成损害。同时，管路内其它部分低压会造成工质汽化，从而可能造成泵气蚀。因此，提出避免水击的阀门动作优化策略如下：

(1)自锁阀动作尤其是自锁阀组合关闭时，应避免同时关闭，且动作间隔时间要远大于自锁阀阀芯自身动作的时间，以降低回路水击引起的压力脉动极值。这是由于如果进出口自锁阀同一时刻关闭，阀门动作引起的流体压力脉动不能向外传递而在阀门之间叠加振荡，产生较大的压力极值。

(2)当两个自锁阀需要组合关闭时，还因注意先关闭工质上游的阀门，然后再关闭下游出口的阀门，这样可以避免流体正常流速下撞击阀门产生的压力波在两个阀门之间振荡，从而产生较大的压力极值。同样道理，自锁阀开启时，可先开启下游的阀，以降低两个自锁阀之间的管道所产生的水击压力值。

4 结束语

抑制水击现象引起的压力极值是航天器热控单相流体回路需要关注的。本文通过对某典型单相流体回路仿真，获得了不同工况下流体回路压力包络线和回路压力极值，从而提出一种基于自锁阀关闭顺序和时间差的优化策略，仿真结果表明：该策略可有效抑制水击压力脉动。本文仅对某一回路进行了研究，后续需通过试验台系统开展研究的方式，修正水击仿真模型，为不同航天器流体回路的水击研究提供参考。

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治疗前，对照组与治疗组患者血清Ca、P及iPTH比较无明显差异（P＞0.05）。治疗后，对照组患者仅治疗12周末血清Ca、P、iPTH分别与治疗前比较，血清Ca显著升高，血清P、iPTH均显著降低，差异均有统计学意义（P＜0.05）；治疗组患者治疗4周末、8周末、12周末分别与治疗前比较，血清Ca均显著升高，血清P、iPTH均显著降低，差异均有统计学意义（P＜0.05或P＜0.01，表4）。

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