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(shù)對(duì)于延長(zhǎng)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(guó)都已經(jīng)掌握了在軌加注技術(shù)或開展了相關(guān)研究工作.俄羅斯從1978年就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了推進(jìn)劑在軌加注，目前已經(jīng)成功地完成了多次在軌補(bǔ)給，而美國(guó)從上世紀(jì)80年代初就開始了在軌補(bǔ)給技術(shù)的研究，使該技術(shù)得到了充分的發(fā)展，并成功實(shí)現(xiàn)了在軌演示驗(yàn)證［1-7］.

在軌加注方案主要分為3類:推進(jìn)劑直接傳輸式、推進(jìn)模塊更換式和推進(jìn)模塊補(bǔ)加式.其中，推進(jìn)劑直接傳輸式目前使用最多，俄羅斯和美國(guó)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(jī)式、背壓式、排氣式和貫通式等4種.本文針對(duì)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(yàn)驗(yàn)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(jìn)行推進(jìn)劑加注前，首先對(duì)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(shí)現(xiàn)推進(jìn)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(dāng)壓力升高到排氣門限值時(shí)，再對(duì)被加注貯箱實(shí)施排氣;如此往復(fù)，直至被加注貯箱內(nèi)的推進(jìn)劑加注完成［8］.

排氣式加注可以在低壓狀態(tài)下進(jìn)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(shí)間，而且這種加注方式不需要使用壓縮機(jī)等活動(dòng)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(shí)現(xiàn)氣液分離，保證在排氣過程中不會(huì)排出推進(jìn)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(jì)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(jié)構(gòu)如圖1所示，其推進(jìn)劑管理裝置(PMD)為板式結(jié)構(gòu)，可以在微重力環(huán)境下對(duì)推進(jìn)劑實(shí)施定位［9］.

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

圖1 貯箱及PMD結(jié)構(gòu)圖

采用VOF兩相流動(dòng)計(jì)算方法，對(duì)加注過程中的流動(dòng)傳輸和氣液界面分布情況進(jìn)行計(jì)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(shè)α為液相的體積組分，當(dāng)網(wǎng)格中的體積組分α=1時(shí)，表示該網(wǎng)格內(nèi)完全是液體，當(dāng)網(wǎng)格中的體積組分α=0時(shí)，表示網(wǎng)格中完全是氣體，當(dāng)0＜α＜1表示網(wǎng)格中含有氣液界面。

計(jì)算采用的重力加速度為1×10－4g.加注貯箱推進(jìn)劑剩余量為95%，被加注貯箱推進(jìn)劑剩余量為5%.加注貯箱保持恒壓(1.5MPa)，當(dāng)被加注貯箱的壓力超過1.5MPa時(shí)，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(jié)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(jìn)劑，實(shí)現(xiàn)氣液界面分離.

圖3和圖4所示為整個(gè)加注過程中加注貯箱和被加注貯箱的液面變化.

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

圖5為整個(gè)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(fù)變化，且隨著加注量的增加，變化頻率越來越快，這與實(shí)際情況是一致的.

3 排氣式加注過程的地面演示試驗(yàn)

為了驗(yàn)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(yàn)系統(tǒng)，使用該系統(tǒng)可以模擬排氣式加注的實(shí)際流程，確定加注壓力、排放壓力以及加注流量之間的關(guān)系.

3.1 地面演示試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)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(gòu)成，使用無水乙醇作為推進(jìn)劑的模擬液，使用氦氣作為壓縮氣體，實(shí)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(duì)加注過程的流動(dòng)情況進(jìn)行研究，故沒有包含對(duì)接接口、控制裝置和在線檢測(cè)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(shí)使用了有機(jī)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(yàn)時(shí)，通過恒壓氣源為加注貯箱補(bǔ)氣，使用壓力傳感器測(cè)量加注貯箱和被加注貯箱的壓力，使用超聲波流量計(jì)測(cè)量加注流量.當(dāng)被加注貯箱的壓力超過設(shè)定壓力后，通過卸壓閥進(jìn)行卸壓.

3.2 地面演示試驗(yàn)結(jié)果

在進(jìn)行地面演示試驗(yàn)時(shí)，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(jìn)行原理性演示驗(yàn)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(guān)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(jìn)劑的增加，貯箱內(nèi)的壓力逐漸增加，當(dāng)壓力到達(dá)40kPa時(shí)，系統(tǒng)開始自動(dòng)泄壓，貯箱壓力隨之降低，當(dāng)貯箱內(nèi)壓力降低到30kPa時(shí)，泄壓閥關(guān)閉，貯箱內(nèi)的壓力開始回升.隨著貯箱內(nèi)的推進(jìn)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(jì)測(cè)得的加注流量的變化曲線.兩個(gè)貯箱之間的壓力差變化是導(dǎo)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(gè)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(shí)間呈遞減趨勢(shì).

圖8 流量計(jì)測(cè)得的流量情況

通過該地面演示試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)排氣式在軌加注進(jìn)行了全過程演示，試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算的結(jié)果相一致.

4 結(jié)論

(1)通過對(duì)排氣式在軌加注系統(tǒng)內(nèi)部流動(dòng)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(shí)現(xiàn)氣液界面分離.同時(shí)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(shí)刻壓力變化情況.

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

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