孫迎霞，王 浩，陳 劍，趙 正

(上海空間推進研究所，上海 201112)

0 引言

氦氣在常溫和常壓下是無色、無味、無臭氣體，近乎完全惰性。由于化學性質(zhì)非常穩(wěn)定，很少有物質(zhì)能與其發(fā)生反應[1-2]。因此，航天器推進系統(tǒng)常選用氦氣作為液體推進劑，尤其是氧化劑的加注擠壓介質(zhì)。

雖然氦氣化學性質(zhì)穩(wěn)定，但若與液體推進劑直接接觸會溶解其中，特別是在氧化劑中溶解度更大。溶解特性與壓力、溫度密切相關。當壓力或溫度升高時，溶解增多；反之，則過飽和的氦氣就會從液體推進劑中析出。

目前擠壓加注的加注容器通常不設隔膜，擠壓介質(zhì)與液體推進劑直接接觸，在推進劑加注和推進系統(tǒng)工作過程中，壓力和溫度動態(tài)變化，推進劑與擠壓氣體溶解作用相互耦合，嚴重時會對加注過程本身以及推進系統(tǒng)后續(xù)工作造成較大影響，極端嚴重時甚至影響任務成?。孩賹е掳l(fā)動機供給壓力發(fā)生變化，進而直接影響推進系統(tǒng)增壓氣體用量等相關性能參數(shù)；②導致表面張力貯箱加注過程夾氣，輕則致使額定加注壓力下加注量不到位，重則改變貯箱本身固有頻率，降低貯箱剛度，影響貯箱在飛行主動段的抗力學性能；③夾雜氣體的推進劑在節(jié)流或降溫后，析出的氦氣匯集成氣泡，有造成嚴重氣蝕的風險。

本文對氦氣在氧化劑(以MON-1為代表)中的溶解特性進行了分析，模擬加注過程中的壓力變化開展了氦氣析出試驗，在此基礎上，提出一種新型非擠壓加注方法并進行了試驗驗證，為N2O4和MON系列推進劑加注提供了一種新選擇。

1 溶解特性分析

氦氣在液體推進劑中的溶解為典型的氣液相際傳質(zhì)過程。在恒定的溫度和壓力下，經(jīng)足夠時間的接觸后，氦氣吸收速率與解析速率達到動態(tài)平衡，即氦氣在氣相中的分壓和液體中的濃度不再發(fā)生變化，此時，氣、液兩相達到相平衡狀態(tài)。對于相界面固定、兩相靜止的氦氣溶解現(xiàn)象，可以用雙膜理論進行傳質(zhì)機理分析。1923年，Whitman首次提出了雙膜理論[3]，傳質(zhì)示意圖如圖1所示。圖1中：p為氣相主體氦氣分壓，Pa；pi為氣液界面氦氣分壓，Pa；Ci為氣液界面氦氣摩爾濃度，mol/m3；C為液相主體氦氣摩爾濃度，mol/m3。

氦氣為惰性氣體，不與推進劑發(fā)生化學反應(即氣、液相中氣體分子狀態(tài)相同)，在總壓不太大的情況下(≤0.5 MPa)，分壓與摩爾濃度的關系服從亨利定律；在等溫等壓下，某種揮發(fā)性溶質(zhì)(一般為氣體)在溶液中的溶解度與液面上該溶質(zhì)的平衡壓力成正比

pe=HCe

(1)

式中：pe為氣體的平衡分壓，MPa；Ce為氣體摩爾濃度，mol/m3；H為亨利常數(shù)，MPa·m3/mol，與溫度、溶質(zhì)和溶劑的特性相關。由此可知，在推進劑加注中，在加注容器內(nèi)與推進劑接觸的氦氣的擠壓壓力越大，那么溶解在推進劑中的氦氣量越大。

圖1 雙膜理論傳質(zhì)示意圖Fig.1 Two-film theory

氦氣溶解度定義為：溶解飽和狀態(tài)下單位質(zhì)量推進劑溶解的氦氣質(zhì)量或單位體積推進劑溶解的氦氣標準狀態(tài)體積。用溶解質(zhì)量表示的氦氣溶解度

(2)

式中：α為推進劑中氣體的溶解度，%；m為推進劑質(zhì)量，kg；m1為試驗起始時氣體質(zhì)量，kg；m2為試驗終了時氣體質(zhì)量，kg。m1與m2可通過如下公式求得

(3)

式中：p為氣體壓力，Pa；V為氣體容積，m3；M為氣體分子量，g/mol；R為氣體常數(shù)，8.314 5 J/(g·K)；T為氣體溫度，K。

文獻[4-5]給出了氦氣在N2O4、MON-1推進劑中的溶解度情況，如表1和表2所示。

表1 氦氣在N2O4中的溶解度的試驗結(jié)果

表2 氦氣在MON-1中的溶解度

當氦氣與推進劑處于平衡狀態(tài)下，且氦氣自身的平衡壓力為101.325 kPa時，溶解于1 mL推進劑中的氣體標準狀態(tài)(237.15 K，101.325 kPa)體積。

從表1和表2可知，隨著溫度和壓力的升高，氦氣在氧化劑中的溶解度隨之增大。對于大容積表面張力貯箱，通常采用氦氣擠壓加注容器、貯箱維持氦氣背壓的方法進行氧化劑加注，加注過程中及加注后推進劑溫度通常在室溫附近，加注時加注容器擠壓壓力一般在0.3～0.6 MPa(表壓)左右，由表2可見，在此溫度和壓力下，氦氣在氧化劑中的標準溶解度較大，勢必對加注后推進系統(tǒng)特性產(chǎn)生影響。資料調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有國內(nèi)外關于氦氣在推進劑中溶解的資料都是基于較大壓力情況(一般都在0.7 MPa以上)，且多為靜壓下氦氣的溶解情況的理論研究，鮮有看到研究加注過程本身的。在推進劑加注過程中，推進劑從加注容器沿加注管路流動，是壓力逐步下降的過程，壓力在加注容器處最高，在進入貯箱處達到最低點，因此在加注容器內(nèi)溶解于推進劑中并達到飽和的氦氣，會隨著推進劑壓力下降而逐步析出，這是一個動態(tài)過程，也是工程實際中更需加以關注的過程，對此進行研究并給出可行的工程解決方案。

2 氦氣在MON-1中的動態(tài)溶解特性試驗研究

2.1 夾氣計算

以下取某型號680 L貯箱加注狀態(tài)為例進行分析。該型號采用表面張力貯箱，單箱推進劑加注量為640 L，有推進劑管理的下艙容積為50 L，則推進劑淹沒全部管理艙后，還將繼續(xù)加注590 L。正常情況下，這590 L推進劑加注過程中析出的氦氣將被管理裝置捕獲而留在下艙。

假設MON-1加注時加注容器擠壓壓力維持在0.5 MPa(表壓)，貯箱背壓維持在0.1 MPa(表壓)。因加注前加注容器內(nèi)的MON-1已與擠壓氦氣充分接觸，氦氣溶解達到飽和，則在推進劑流動過程中會因加注系統(tǒng)液路管網(wǎng)壓力逐漸衰減而不斷析出之前所溶解的氦氣，加注結(jié)束后，氦氣在推進系統(tǒng)貯箱內(nèi)達到0.1 MPa下新的飽和溶解。因氦氣在推進劑內(nèi)的溶解度隨壓力、溫度不同而不同，故加注過程中析出氦氣的總量，亦應與加注初始狀態(tài)、末了狀態(tài)的溫度、壓力參數(shù)以及推進劑加注量密切相關。

國內(nèi)外文獻均未查及氦氣在MON-1中溶解度計算的精確模型。美國根據(jù)測試數(shù)據(jù)計算的氦氣溶解度與溫度、壓力的關系式如下[6-10]

S(MON-1)=-0.247 401+15.127 1p+0.002 313t

(4)

式中：S為溶解度，mL/mL；p為壓力，Pa；t為溫度，℃。

式(4)對1 MPa以上壓力誤差較小，但對本文研究的壓力較低的加注過程而言，計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)誤差極大，無法采用。故本文以對表2進行擬合的方法進行計算。經(jīng)計算，加注590 L MON-1推進劑后析出的氦氣總量為47.59 L(STP)，如此大的氦氣析出量會導致出現(xiàn)推進劑夾氣、加注提前溢出等風險。

雖然通過降低加注壓力、提高貯箱背壓可以減少析出氣體的量，但無法從根本上解決氦氣析出問題。比如，把加注容器擠壓壓力降低到0.3 MPa(表壓)，把貯箱背壓提高到0.15 MPa(表壓)，經(jīng)計算，析出的氦氣量約為16.96 L(STP)。此外，降低加注容器和提高貯箱背壓，還會導致加注流量下降并進而大大延長加注時間。因此，對于工程應用實際來說，并不是一種最佳的解決方案[11-15]。

2.2 加注過程夾氣試驗

為驗證實際加注過程中貯箱的夾氣情況，開展了推進劑加注專項試驗。試驗系統(tǒng)原理圖如圖2所示，推進劑使用綠色四氧化二氮MON-1。

1-氦氣源；2，3，7，10-截止閥；4-壓力傳感器P1；5-加注容器；6-流量計；8-貯箱試驗件；9-壓力傳感器P3。圖2 加注試驗原理圖Fig.2 Schematic of injection experiment apparatus

試驗采用一個內(nèi)部設置表面張力網(wǎng)的容積為2 L的貯箱試驗件來模擬表面張力貯箱的管理裝置，以此捕獲氦氣。通過截止閥(序號7)和較長的金屬軟管(約20 m)調(diào)節(jié)流阻，建立推進劑加注容器和貯箱試驗件之間的液路壓差。每輪試驗開始時，管路、貯箱試驗件內(nèi)均充填滿推進劑，試驗過程中通過監(jiān)測貯箱試驗件的質(zhì)量變化來獲得其內(nèi)蓄留的氣體量。

設置不同的加注擠壓壓力(p1)、貯箱試驗件出口壓力(p3)和推進劑溫度(T)等參數(shù)，進行了多輪加注試驗。以推進劑過流量為橫坐標，貯箱試驗件質(zhì)量減少量(可用于推算氣團容積)為縱坐標繪制曲線，結(jié)果如圖3(a)～3(c)所示。

從圖3(a)可知，壓差為0.48 MPa下，過流20 kg MON-1，過濾器質(zhì)量減輕0.65 kg，考慮18 ℃氧化劑密度，相當于產(chǎn)生了0.448 L氣團，推算過流590 L MON-1，將產(chǎn)生19.16 L氣團。

從圖3(b)可知，壓差為0.15 MPa下，過流20 kg綠氮，過濾器質(zhì)量減輕0.20 kg，考慮18 ℃氧化劑密度，相當于產(chǎn)生了0.138 L氣團，推算過流590 L MON-1，將產(chǎn)生5.90 L氣團。

從圖3(c)可知，壓差為0.1 MPa下，過流20 kg MON-1，過濾器質(zhì)量減輕0.16 kg，考慮18 ℃氧化劑密度，相當于產(chǎn)生了0.110 L氣團，推算過流590 L MON-1，將產(chǎn)生4.71 L氣團。

圖3 試驗結(jié)果Fig.3 Test results

此外，為驗證試驗系統(tǒng)的有效性，采用1件100 L金屬膜片貯箱代替加注容器，將增壓氦氣與推進劑物理隔離進行加注，結(jié)果如圖3(d)所示。

從圖3(d)可知，使用金屬膜片貯箱作為加注容器后，在加注容器內(nèi)增壓氦氣與推進劑物理隔離，推進劑過流31 kg，過濾器質(zhì)量基本保持不變，說明無氦氣持續(xù)析出現(xiàn)象發(fā)生。

理論計算與專項試驗結(jié)果均表明，在表面張力貯箱加注過程中，氦氣在氧化劑中的溶解情況動態(tài)變化，因管網(wǎng)系統(tǒng)壓力衰減而析出氦氣，析出的氣體量與加注系統(tǒng)壓差相關，隨壓差增大而增大。無論壓差控制得多么低，只要存在壓差，即便增壓壓力為0.2 MPa(表壓)，貯箱背壓為0.1 MPa(表壓)狀態(tài)，依然會有氣體持續(xù)析出。

此外需要指出的是，在進行氣體析出量計算時，計算結(jié)果在數(shù)值上會比試驗實測結(jié)果要大，這是由于缺乏MON-1溶解度隨溫度的準確變化關系，故在STP數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為試驗對應條件時未對數(shù)據(jù)進行溫度修整導致的。

3 新型加注方法

3.1 基于隔膜泵的加注方案概況

基于理論和專項試驗結(jié)果，得到了加注過程中氦氣在高壓狀態(tài)下溶解、低壓狀態(tài)下析出的特性，在此基礎上本文提出了一種新型加注方法，該加注方法可以在推進劑加注容器的氦氣增壓壓力小于推進系統(tǒng)貯箱背壓的情況下實現(xiàn)順利加注，從根本上解決了傳統(tǒng)加注方法必然出現(xiàn)的氦氣析出問題。

該方案采用氣動隔膜泵。氣動隔膜泵的原理與常用的氣動增壓泵類似，即通過驅(qū)動氣體的驅(qū)動，推動活塞擠壓工質(zhì)，最終將液體推進劑加注進入貯箱。

方案的特點：①推進劑入口壓力可以低于貯箱背壓，全過程避免氦氣析出；②采用氣體驅(qū)動，無需用電，不會引入對加注過程的新隱患；③通過調(diào)整驅(qū)動氣壓力可以改變活塞作動頻率，并以此來調(diào)整加注速率，方法簡單可靠。

3.2 加注試驗驗證

為驗證本文所述隔膜泵加注方案的可行性，選取嫦娥五號軌道器680 L表面張力貯箱進行真實推進劑加注試驗，以驗證加注全程是否還會出現(xiàn)夾氣現(xiàn)象。試驗原理圖如圖4所示。

隔膜泵接在加注容器出口，貯箱入口管路處接一個30 L緩沖容器(加注前充填滿)，下方放置一個電子秤，用于實時監(jiān)測加注過程是否夾氣，貯箱下方放置一個電子秤，用于監(jiān)測推進劑加注量。

1-氦氣源；2,3,10,13,15-截止閥；4-壓力傳感器；5-加注容器；6-氣動隔膜泵；7-控制閥；8-驅(qū)動氣源；9-流量計；11-緩沖容器；12-壓力傳感器；14-680 L貯箱。圖4 680L貯箱加注試驗原理圖Fig.4 The schematic of 680L propellant tank injection test apparatus

試驗結(jié)果如下：貯箱加氦氣背壓0.16～0.18 MPa，加注擠壓壓力0.06～0.15 MPa，貯箱最終加注量為997.5 kg(按照貯箱容積和氧化劑密度計算貯箱已經(jīng)加滿)，加注時長約4 h，加注過程中最小流量為3 kg/min，可以根據(jù)實際需求通過調(diào)整截止閥將流量調(diào)至更小，最大流量為10 kg/min，該加注流量滿足表面張力貯箱的工作需求。

緩沖容器在整個加注過程中，質(zhì)量一直維持在43.75 kg，這說明在整個加注過程中貯箱未出現(xiàn)夾氣現(xiàn)象。

試驗結(jié)束后對隔膜泵系統(tǒng)進行了分解，試驗系統(tǒng)完好，未發(fā)現(xiàn)推進劑不相容現(xiàn)象。后續(xù)又對隔膜泵進行了MON-1和甲基肼為期30天的浸泡試驗，結(jié)果表明隔膜泵材料與推進劑均為一級相容。

使用本文所述的新型加注方法對某型號全系統(tǒng)熱試車產(chǎn)品的570 L貯箱進行了推進劑加注，取得圓滿成功，進一步驗證了加注方案的可行性，后續(xù)擬使用該方法用于相關型號的發(fā)射場推進劑加注。

4 結(jié)論

通過對氦氣在MON-1中溶解特性的分析，以及模擬加注過程的專項試驗，驗證了氦氣在高壓區(qū)溶解、低壓區(qū)析出的規(guī)律，證明了傳統(tǒng)擠壓加注方法因無法避免氦氣析出現(xiàn)象，給推進系統(tǒng)帶來隱患。在此基礎上，提出了一種基于氣動隔膜泵的加注方法，完成了加注約1 t推進劑、時長4 h情況下無氦氣夾氣的試驗驗證。本文所做工作為推進劑及相關模擬液的加注提供了一種新選擇，并選用了570 L貯箱進行了推進劑加注，試驗表明該方法徹底解決了推進劑夾氣問題，尤其適用于長時、貯箱容量百升甚至千升的推進系統(tǒng)的推進劑加注。