李 永，胡 齊，潘海林，耿永兵，丁鳳林

(北京控制工程研究所，北京 100190)

在軌加注技術對于延長航天器壽命和降低成本具有重要意義.世界各主要的航天大國都已經(jīng)掌握了在軌加注技術或開展了相關研究工作.俄羅斯從1978年就已經(jīng)實現(xiàn)了推進劑在軌加注，目前已經(jīng)成功地完成了多次在軌補給，而美國從上世紀80年代初就開始了在軌補給技術的研究，使該技術得到了充分的發(fā)展，并成功實現(xiàn)了在軌演示驗證［1-7］.

在軌加注方案主要分為3類:推進劑直接傳輸式、推進模塊更換式和推進模塊補加式.其中，推進劑直接傳輸式目前使用最多，俄羅斯和美國都采用了這種在軌加注方案.按照其操作方式的不同，該方案又可分為壓縮機式、背壓式、排氣式和貫通式等4種.本文針對排氣式加注方案開展了加注過程流體傳輸?shù)臄?shù)值模擬和地面演示試驗驗證.

1 排氣式加注的工作原理

排氣式加注的工作原理如下:在進行推進劑加注前，首先對被加注貯箱內(nèi)的氣墊卸壓，然后利用加注貯箱和被加注貯箱內(nèi)的壓差，實現(xiàn)推進劑的加注;隨著加注量的增加，被加注貯箱內(nèi)的壓力也逐漸升高，當壓力升高到排氣門限值時，再對被加注貯箱實施排氣;如此往復，直至被加注貯箱內(nèi)的推進劑加注完成［8］.

排氣式加注可以在低壓狀態(tài)下進行，在加注過程中由壓縮而產(chǎn)生的熱量比背壓式要少，便于縮短加注時間，而且這種加注方式不需要使用壓縮機等活動部件，是一種可靠性和安全性良好的加注方式.

排氣式加注方法使用的貯箱可以是板式表面張力貯箱，該類型貯箱利用表面張力有效實現(xiàn)氣液分離，保證在排氣過程中不會排出推進劑.

2 排氣式加注過程的數(shù)值模擬

通過數(shù)值模擬，可以得到在空間微重力環(huán)境下，排氣式加注全過程加注貯箱和被加注貯箱內(nèi)的氣液分布、質(zhì)心變化情況以及被加注貯箱內(nèi)的壓力變化.

2.1 計算模型

以容積為28L、內(nèi)直徑為190mm的板式表面張力貯箱作為加注箱和被加注箱，該貯箱結構如圖1所示，其推進劑管理裝置(PMD)為板式結構，可以在微重力環(huán)境下對推進劑實施定位［9］.

在軌加注系統(tǒng)模型中，使用兩個28L貯箱，分別作為加注箱和被加注箱，為了便于計算，簡化兩個貯箱的連通管路.

圖1 貯箱及PMD結構圖

采用VOF兩相流動計算方法，對加注過程中的流動傳輸和氣液界面分布情況進行計算。該方法通過引入流體體積組分α函數(shù)及其控制方程來表示混合流體的密度并跟蹤自由面的位置。若設α為液相的體積組分，當網(wǎng)格中的體積組分α=1時，表示該網(wǎng)格內(nèi)完全是液體，當網(wǎng)格中的體積組分α=0時，表示網(wǎng)格中完全是氣體，當0＜α＜1表示網(wǎng)格中含有氣液界面。

計算采用的重力加速度為1×10－4g.加注貯箱推進劑剩余量為95%，被加注貯箱推進劑剩余量為5%.加注貯箱保持恒壓(1.5MPa)，當被加注貯箱的壓力超過1.5MPa時，開始排氣，排氣后貯箱壓力降至最小壓力1.1MPa.

2.2 數(shù)值模擬結果

圖2所示為加注過程不同階段加注貯箱和被加注貯箱內(nèi)的液面變化情況.左邊貯箱為被加注貯箱，右邊為加注貯箱.

從圖2可以看出，在排氣式加注過程中，加注貯箱和被加注貯箱內(nèi)的氣液界面分離定位清晰，表明在加注過程中板式表面張力貯箱可以有效管理推進劑，實現(xiàn)氣液界面分離.

圖3和圖4所示為整個加注過程中加注貯箱和被加注貯箱的液面變化.

對于加注貯箱，在加注過程中，隨著推進劑排出量增加，加注貯箱的質(zhì)心降低;推進劑量從95%減小到5%時，質(zhì)心從0.18m降低到0.05m.對于被加注貯箱，在加注過程中，隨著推進劑加注量增加，加注貯箱的質(zhì)心升高;推進劑量從5%增加到95%時，質(zhì)心從0.05m升高到0.18m.

圖5為整個加注過程中被加注貯箱的壓力變化曲線.

從圖中可以看出，被加注貯箱內(nèi)的壓力在1.1MPa到1.5MPa之間往復變化，且隨著加注量的增加，變化頻率越來越快，這與實際情況是一致的.

3 排氣式加注過程的地面演示試驗

為了驗證排氣式加注的可行性和加注流程的合理性，搭建了地面演示試驗系統(tǒng)，使用該系統(tǒng)可以模擬排氣式加注的實際流程，確定加注壓力、排放壓力以及加注流量之間的關系.

3.1 地面演示試驗系統(tǒng)構成

該系統(tǒng)由加注貯箱、被加注貯箱、控制閥門、排氣閥門、連接管路等組件構成，使用無水乙醇作為推進劑的模擬液，使用氦氣作為壓縮氣體，實現(xiàn)模擬液加注、壓縮氣體排放、流量控制等功能.由于該系統(tǒng)僅對加注過程的流動情況進行研究，故沒有包含對接接口、控制裝置和在線檢測裝置.

圖6所示為地面演示系統(tǒng)的原理圖.為了便于觀察，地面演示時使用了有機玻璃殼體做成的模擬貯箱.

圖6 在軌加注地面演示系統(tǒng)原理圖

試驗時，通過恒壓氣源為加注貯箱補氣，使用壓力傳感器測量加注貯箱和被加注貯箱的壓力，使用超聲波流量計測量加注流量.當被加注貯箱的壓力超過設定壓力后，通過卸壓閥進行卸壓.

3.2 地面演示試驗結果

在進行地面演示試驗時，考慮到模擬貯箱殼體的承壓能力，采用了較低的氣墊壓力，進行原理性演示驗證:加注貯箱通過恒壓氣源提供48kPa的氣墊壓力，被加注貯箱卸壓閥開啟的壓力門檻值為40kPa，卸壓閥關閉的壓力值為30kPa.圖7所示為被加注貯箱內(nèi)的壓力變化曲線，隨著貯箱內(nèi)推進劑的增加，貯箱內(nèi)的壓力逐漸增加，當壓力到達40kPa時，系統(tǒng)開始自動泄壓，貯箱壓力隨之降低，當貯箱內(nèi)壓力降低到30kPa時，泄壓閥關閉，貯箱內(nèi)的壓力開始回升.隨著貯箱內(nèi)的推進劑的量越來越多，系統(tǒng)內(nèi)壓力的變化越來越快，因此所看到的壓力曲線變化的頻率也越來越快.

圖7 被加注貯箱內(nèi)的壓力變化

圖8所示為超聲波流量計測得的加注流量的變化曲線.兩個貯箱之間的壓力差變化是導致流量變化的主要原因，由于被加注貯箱內(nèi)液體的量不斷增加，兩個貯箱的靜壓頭逐漸增大抵消了部分氣墊產(chǎn)生的壓力差，因此流量隨時間呈遞減趨勢.

圖8 流量計測得的流量情況

通過該地面演示試驗系統(tǒng)對排氣式在軌加注進行了全過程演示，試驗結果與數(shù)值計算的結果相一致.

4 結論

(1)通過對排氣式在軌加注系統(tǒng)內(nèi)部流動的數(shù)值模擬，可以得到排氣式加注過程加注貯箱和被加注貯箱內(nèi)的氣液界面分布情況，證明板式表面張力貯箱在加注過程中可以有效實現(xiàn)氣液界面分離.同時可以得到加注過程中加注貯箱和被加注貯箱質(zhì)心分布的變化情況以及不同時刻壓力變化情況.

(2)利用排氣式加注地面演示試驗系統(tǒng)對排氣式加注過程進行了演示，對排氣式加注的可行性和加注流程的合理性進行了驗證，同時得到了加注過程中壓力和流量的變化規(guī)律.

［1］ Lacovic R.Propellant management report for the titan/centaur TC-5 extended mission［R］.NASA-TM-73749，1977

［2］ Chato D J，Martin T A.Vented tank resupply experiment--flight test results［R］.NASA-TM-107498，1997

［3］ Michael D B.Tank pressure control in low gravity by jet mixing［R］.NASA-CR-191012，1993

［4］ Kirkland Z，Tegart J.On-orbit propellant resupply demonstration［C］.AIAA/SAE/ASME，20thJoint Propulsion Conference，ohio，USA，June11-13 ，1984

［5］ Tegart J，Kirkland Z.On-orbit propellant resupply demonstration–flight test results［J］.AIAA/SAE/ASME/ASEE，21stJoint Propulsion Conference，Monterey，CA，July 8-10，1985

［6］ Dominick S，Driscoll S.Fluid acquisition and resupply experiment(Fare I)flight results［J］.AIAA/SAE/ASME/ASEE，29thJoint Propulsion Conference＆ Exibit，Monterey，CA，June 28-30，1993

［7］ Michael D B.Tank pressure control experiment-results of three space flights［J］.AIAA/ASME/SAE/ASEE，33rdJoint Propulsion Conference ＆ Exhibit，Seattle，WA，July 6-9，1997

［8］ 褚桂柏.航天技術概論［M］.北京:宇航出版社，2002

［9］ 胡齊，李永，耿永兵，等.一種板式推進劑管理裝置(PMD)性能的數(shù)值仿真［J］.空間控制技術與應用，2010，36(3):28-31