陳既東，朱建炳，趙積鵬，張 海，顧森東，于 斌

（蘭州空間技術(shù)物理研究所，蘭州 730000）

0 引言

電推進(jìn)概念是美國(guó)于20世紀(jì)初最先提出的[1]。電推進(jìn)以其長(zhǎng)壽命、高比沖、可控性好的特點(diǎn)，成為目前空間遠(yuǎn)距離探測(cè)和大軌道轉(zhuǎn)移的選擇。電推進(jìn)系統(tǒng)利用電磁場(chǎng)電離推進(jìn)劑工質(zhì)產(chǎn)生等離子體，通過(guò)電磁場(chǎng)加速使等離子體高速噴出而產(chǎn)生推力。氙、氪作為傳統(tǒng)的電推進(jìn)氣體推進(jìn)劑，推力性能較好，多次應(yīng)用于航天任務(wù)，如Deep Space1、Smart-1、黎明號(hào)、地球靜止軌道通訊衛(wèi)星等。相關(guān)研究[2-3]表明，氙氣具有較低的電離能和較高的原子質(zhì)量，在放電通道內(nèi)的電離和聚焦過(guò)程比較好控制，因此在推進(jìn)劑利用率和推力方面均優(yōu)于氪氣，但在同等電壓功率下氪氣比沖高于氙氣。結(jié)合推進(jìn)劑的任務(wù)需求量（一般為幾百kg）和目前最新市場(chǎng)價(jià)格（氙氣28萬(wàn)元/m3、氪氣3萬(wàn)元/m3）等兩方面因素綜合考慮，氪工質(zhì)優(yōu)勢(shì)明顯，對(duì)此類任務(wù)的適用性更好，因此開(kāi)展氪推力器的相關(guān)研究工作對(duì)電推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展意義重大。

貯供單元作為電推進(jìn)系統(tǒng)推進(jìn)劑儲(chǔ)存和管理的重要子系統(tǒng)，面對(duì)幾個(gè)月、甚至幾年的任務(wù)周期，氪工質(zhì)貯存方式的選擇成為目前最關(guān)注的問(wèn)題。Welle[4]介紹了電推進(jìn)氣體推進(jìn)劑（氙、氪等）低溫貯存和超臨界貯存兩種方式，發(fā)現(xiàn)低溫液化貯存的應(yīng)用更多；郭志釩等[5]橫向?qū)Ρ攘烁邏簝?chǔ)氫、低溫液化儲(chǔ)氫以及金屬氫化物儲(chǔ)氫三種方式，認(rèn)為低溫液化儲(chǔ)氫具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)；NASA的Ames Research Center（ARC）、Glenn Research Center（GRC）、Marshall Space Flight Center（MSFC）對(duì)低溫液化推進(jìn)劑的貯供問(wèn)題做了大量研究[6-8]，在地面試驗(yàn)階段已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了低溫推進(jìn)劑的無(wú)損貯存。由此不難發(fā)現(xiàn)，低溫液化貯存逐漸成為低溫推進(jìn)劑較優(yōu)的貯存方式。

本文基于深空探測(cè)和大軌道轉(zhuǎn)移任務(wù)需求，開(kāi)展氪低溫液化貯存必要性論證，梳理低溫推進(jìn)劑貯箱的研究現(xiàn)狀，并結(jié)合氪工質(zhì)物性特點(diǎn)，對(duì)液氪低溫推進(jìn)劑貯箱關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析和總結(jié)。

1 氪低溫液化貯存的必要性

目前，電推進(jìn)低溫氣體推進(jìn)劑的貯存方式一般有三種：高壓氣態(tài)貯存、超臨界貯存、低溫液化貯存。高壓氣態(tài)貯存采用高壓氣瓶貯存氣體，當(dāng)氪的貯存壓力為30 MPa時(shí)，其貯存密度也只能達(dá)到1.2 g/cm3。后兩種貯存方式如文獻(xiàn)[4]所述，均可應(yīng)用于空間貯存，下面就這兩種方式結(jié)合氪的相關(guān)物性參數(shù)進(jìn)行分析。

超臨界狀態(tài)下，氪介于液態(tài)和氣態(tài)之間，不同溫度下的壓力-密度變化規(guī)律如圖1所示。

圖1 不同溫度下超臨界氪密度隨壓力的變化關(guān)系Fig.1 Relationship between supercritical krypton density and pressure at different temperatures

圖1中，取氪的臨界壓力5.525～15 MPa為貯存壓力，很明顯，當(dāng)貯存溫度接近臨界溫度-63.67℃時(shí)，超臨界氪的密度變化最大。當(dāng)以低溫液化形式貯存時(shí)，氪的壓力和液相密度隨飽和溫度的變化關(guān)系如圖2所示。當(dāng)貯存壓力為0.1 MPa，貯存溫度為-153.42℃時(shí)，液相氪的密度高達(dá)2.417 g/cm3，可滿足貯箱小型化和高密度儲(chǔ)存要求。對(duì)比兩種方式發(fā)現(xiàn)：即使處于超臨界貯存的最優(yōu)值，氪的貯存壓力也是低溫液化貯存壓力的幾十倍，且貯存密度較低，因此超臨界氪貯箱設(shè)計(jì)很難同時(shí)滿足大容量、輕質(zhì)化和安全性要求；低溫液化貯存時(shí)，由于貯存溫度低，存在一定的熱控難度，進(jìn)而對(duì)低溫液氪貯箱熱防護(hù)、流體管理等提出了較高的要求。

圖2 氪工質(zhì)壓力和液相密度隨飽和溫度的變化關(guān)系Fig.2 Relationship between pressure and liquid density of krypton working fluid withsaturation temperature

從氪貯箱尺寸、容量、安全性、制造成本以及大軌道轉(zhuǎn)移任務(wù)的大貯量需求等方面綜合分析，低溫液化貯存明顯優(yōu)于超臨界貯存，設(shè)計(jì)用于氪低溫液化貯存的大容量氪推進(jìn)劑貯箱是必要且可行的。

2 液氪貯箱關(guān)鍵技術(shù)分析

受空間環(huán)境、任務(wù)需求以及氪推進(jìn)劑自身的物理性質(zhì)等三方面因素影響，為實(shí)現(xiàn)液氪推進(jìn)劑在軌長(zhǎng)期貯存，須綜合考慮低溫推進(jìn)劑貯箱的研究現(xiàn)狀和氪工質(zhì)物性參數(shù)，對(duì)大容量液氪貯箱關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析。但由于液氪、液氙貯箱的公開(kāi)資料有限，只能借鑒化學(xué)低溫推進(jìn)劑貯箱，從輕質(zhì)低溫貯箱殼體研制、高效熱防護(hù)技術(shù)、低溫推進(jìn)劑管理技術(shù)等方面著手。

2.1 輕質(zhì)低溫貯箱殼體

質(zhì)量、比強(qiáng)度、比剛度是評(píng)價(jià)電推進(jìn)用低溫推進(jìn)劑貯箱殼體的主要性能指標(biāo)。隨著材料科學(xué)和加工技術(shù)的不斷發(fā)展，低溫貯箱殼體材料經(jīng)歷了鋁鎂系列合金（如“阿波羅”計(jì)劃中土星系列火箭燃料貯箱材料）、鋁銅系列合金（如2014、2219）、鋁鋰系列合金（如前蘇聯(lián)能源號(hào)火箭燃料貯箱材料）等輕質(zhì)金屬材料的發(fā)展，之后復(fù)合材料以其低密度、高比模量和高比強(qiáng)度等性能優(yōu)勢(shì)得到廣泛的研究和應(yīng)用。黃誠(chéng)等[9]對(duì)樹(shù)脂基復(fù)合材料及其性能、復(fù)合材料貯箱的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、貯箱主要部段的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等進(jìn)行了研究。于建等[10]論證了聚合物復(fù)合材料作為低溫貯箱材料的必要性和可行性。陳振國(guó)等[11]針對(duì)碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料（CFRP）貯箱嚴(yán)重的滲漏問(wèn)題，闡述了國(guó)內(nèi)外有關(guān)納米材料摻雜增強(qiáng)、樹(shù)脂基體改性增韌、鋪層結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等抗?jié)B漏設(shè)計(jì)方法。美國(guó)NASA、SpaceX以及Boeing公司合作研制出了無(wú)金屬內(nèi)襯的CFRP低溫貯箱[12]。

目前在軌加注轉(zhuǎn)移技術(shù)尚未成熟，為完成遠(yuǎn)距離、長(zhǎng)時(shí)間的探測(cè)任務(wù)，氪推進(jìn)劑的攜帶量非常大，同時(shí)，低溫液氪貯箱還須滿足高比強(qiáng)度、高比剛度、輕質(zhì)化以及耐低溫等性能要求。從表1數(shù)據(jù)分析，復(fù)合材料的性能明顯優(yōu)于金屬材料。從國(guó)內(nèi)貯箱輕質(zhì)化發(fā)展角度看，全復(fù)合材料貯箱是航天低溫貯箱的下一步發(fā)展方向，但是考慮到加工制造水平和成本，以及全復(fù)合材料貯箱結(jié)構(gòu)還存在很多加工和驗(yàn)證問(wèn)題有待解決等因素，現(xiàn)階段大多數(shù)輕質(zhì)低溫貯箱結(jié)構(gòu)仍采用薄壁金屬內(nèi)襯+復(fù)合材料纏繞的形式，如圖3所示。部分文獻(xiàn)中用鈦?zhàn)鳛橐弘A箱金屬內(nèi)襯，鈦的密度為4.51 g/cm3。參照表2中氪、氫、氧的數(shù)據(jù)對(duì)比，結(jié)合表1殼體材料參數(shù)，可以看出，輕質(zhì)化液氪貯箱更適合用鋁鋰合金+T1000碳纖維/樹(shù)脂基復(fù)合材料作為殼體，環(huán)向纏繞和螺旋纏繞組合方式制造。

表1 貯箱殼體材料匯總Tab.1 Summary of tank shell materials

表2 三種推進(jìn)劑物性參數(shù)Tab.2 Physical parameters of three propellants

圖3 貯箱殼體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of tank shell structure

2.2 熱防護(hù)技術(shù)

低溫推進(jìn)劑貯箱熱防護(hù)是實(shí)現(xiàn)低溫推進(jìn)劑在軌蒸發(fā)量控制的核心手段。按是否需要外界提供能量可將低溫推進(jìn)劑貯箱熱防護(hù)分為被動(dòng)絕熱和主動(dòng)制冷兩大方式。1999年NASA格倫研究中心的Plachta[13]提出了“零蒸發(fā)”（Zero Boil-Off，ZBO）貯存概念，即以被動(dòng)絕熱和主動(dòng)制冷相結(jié)合的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)貯箱熱防護(hù)。基于貯箱輕質(zhì)化性能參數(shù)，以氫、氧貯箱LEO（Low Earth Orbit）在軌時(shí)間和熱防護(hù)質(zhì)量之間的變化曲線[14]（如圖4所示）為例評(píng)判在軌長(zhǎng)期貯存的兩種熱防護(hù)方式，可以看出，隨著在軌時(shí)間的增加，理論上低溫推進(jìn)劑的蒸發(fā)量越大，所需要的熱防護(hù)質(zhì)量越大，很顯然，使用被動(dòng)絕熱+主動(dòng)制冷的方式進(jìn)行低溫推進(jìn)劑在軌長(zhǎng)期蒸發(fā)量控制是目前最優(yōu)的方案選擇。

圖4 低溫貯箱在軌時(shí)間與熱防護(hù)質(zhì)量關(guān)系圖Fig.4 Relationship between on-orbit time of cryogenic tank and thermal protection quality

2.2.1 被動(dòng)絕熱方式

被動(dòng)絕熱，即通過(guò)增設(shè)熱防護(hù)層的方式控制貯箱的漏熱量。最傳統(tǒng)的方式是采用真空多層絕熱結(jié)構(gòu)（Multi-Layer Insulation，MLI），但該結(jié)構(gòu)存在貯箱質(zhì)量過(guò)大的問(wèn)題。后續(xù)，該結(jié)構(gòu)被優(yōu)化為變密度多層絕熱結(jié)構(gòu)（Variable Density-Multi Layer Insulation，VD-MLI）。在此基礎(chǔ)上，衍生出以下兩種組合形式：

（1）SOFI+VD-MLI組合

這是由NASA的低溫學(xué)者首先提出的一種新型絕熱防護(hù)組合，VD-MLI配合能夠在地面和發(fā)射階段起到很好絕熱保護(hù)作用的聚氨酯泡沫絕熱（Spray-On Foam Insulation，SOFI），來(lái)保證整個(gè)航天器壽命期間內(nèi)的貯箱絕熱。

Marshall Space Flight Center的 Martin 等[15]針對(duì)液氫貯箱在32℃左右的輻射屏溫下對(duì)MLI和SOFI+VD-MLI組合進(jìn)行了試驗(yàn)，得到表3所列的相關(guān)數(shù)據(jù)?？梢钥闯?，SOFI+VD-MLI組合的性能優(yōu)勢(shì)明顯。李延娜[16]在不同環(huán)境下，對(duì)SOFI+VD-MLI組合的貯箱熱防護(hù)性能進(jìn)行了理論分析和數(shù)值模擬。鄭建朋等[17]針對(duì)SOFI+VD-MLI的不同層數(shù)組合進(jìn)行絕熱性能試驗(yàn)研究；Martin等[18]主要針對(duì)SOFI+MLI結(jié)構(gòu)組合進(jìn)行了相應(yīng)的試驗(yàn)評(píng)估。

表3 MLI和SOFI+VD-MLI組合熱防護(hù)性能對(duì)比Tab.3 Comparison of thermal protection performance between MLI and SOFI+VD-MLI

（2）SOFI+VD-MLI+VCS復(fù)合結(jié)構(gòu)

近幾年，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)SOFI+VD-MLI+VCS復(fù)合結(jié)構(gòu)的討論很多，許多人認(rèn)為由聚氨酯泡沫（SOFI）、變密度多層絕熱（VD-MLI）和蒸氣冷卻屏（VCS）組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)（如圖5所示）是一種極有效的被動(dòng)熱防護(hù)組合。陳叔平等[19]基于漏熱量最小原則，從能量守恒推導(dǎo)了VCS屏溫和屏位數(shù)值計(jì)算關(guān)系，對(duì)蒸汽冷卻屏的位置進(jìn)行了優(yōu)化。Jiang等[20]為了更好地預(yù)測(cè)和優(yōu)化絕熱組合的熱性能，提出了一個(gè)考慮VD-MLI三種傳熱機(jī)制和VCS內(nèi)對(duì)流傳熱的理論模型，通過(guò)實(shí)驗(yàn)方式驗(yàn)證了模型的正確性，研究了VCS位置和熱邊界溫度（熱流）對(duì)隔熱性能的影響。該復(fù)合結(jié)構(gòu)與SOFI+VD-MLI不同的是加入了VCS，從而可以進(jìn)行冷量的二次應(yīng)用，得到更好的絕熱效果。

圖5 SOFI+VD-MLI+VCS復(fù)合結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 SOFI+VD-MLI+VCS composite structure diagram

2.2.2 主動(dòng)制冷方式

主動(dòng)制冷技術(shù)是采用低溫制冷機(jī)和貯箱內(nèi)換熱裝置耦合設(shè)計(jì)，將低溫制冷機(jī)產(chǎn)生的冷量高效、均勻地傳輸至貯箱內(nèi)部，使貯箱內(nèi)蒸發(fā)量和壓力得到控制。自ZBO貯箱提出以來(lái)，國(guó)外學(xué)者對(duì)于主動(dòng)制冷技術(shù)的相關(guān)研究從未間斷。

（1）低溫制冷機(jī)相關(guān)研究

在主動(dòng)制冷技術(shù)方案中，輸入的冷量是由低溫制冷機(jī)產(chǎn)生的，因此針對(duì)低溫貯箱用的低溫制冷機(jī)的研究工作十分重要。Plachta[21]在NASA報(bào)告中研究了兩種類型的制冷機(jī)，逆布雷頓循環(huán)（RTBC）制冷機(jī)和分置式機(jī)械制冷機(jī)，如脈沖管或斯特林循環(huán)制冷機(jī)。Nugent等[22]基于載人長(zhǎng)期任務(wù)中推進(jìn)劑的儲(chǔ)存要求，介紹了NASA正在開(kāi)發(fā)的大容量、高效的20 K和90 K逆布雷頓循環(huán)制冷機(jī)。Kittel等[23]測(cè)試了輕型、高效的脈管制冷機(jī)。該制冷機(jī)的設(shè)計(jì)工作點(diǎn)為95 K@10 W，工作壽命為10年，冷卻器的質(zhì)量小于4.0 kg。日本學(xué)者[24]在液氙ZBO貯箱設(shè)計(jì)中采用脈管制冷機(jī)提供冷源，運(yùn)行良好。目前，斯特林制冷機(jī)和脈管制冷機(jī)具有分置式、輕質(zhì)量的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和高效率、長(zhǎng)壽命的性能優(yōu)勢(shì)，而且在軌性能良好，逐漸成為航天應(yīng)用最受歡迎的低溫制冷機(jī)。

（2）換熱裝置

NASA采用不同技術(shù)手段，針對(duì)貯箱內(nèi)低溫推進(jìn)劑蒸發(fā)量主動(dòng)控制技術(shù)開(kāi)展了大量設(shè)計(jì)研究和試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了低溫推進(jìn)劑的ZBO貯存。Hedayat等[25]針對(duì)液氫ZBO貯箱進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，采用低溫制冷機(jī)與TVS（熱力學(xué)排氣系統(tǒng)）組合的主動(dòng)制冷方案，如圖6（a）所示。結(jié)果顯示，該結(jié)構(gòu)貯箱可以維持液氫20～30 d的ZBO貯存；Ho等[26]對(duì)一個(gè)帶噴嘴主動(dòng)循環(huán)結(jié)構(gòu)的液氫ZBO貯箱（如圖6（b）所示）進(jìn)行了流體流動(dòng)和傳熱分析。

圖6 幾種主動(dòng)制冷技術(shù)Fig.6 Schematic diagram of active refrigeration technology

David分析了ZBO貯箱中低溫制冷機(jī)+熱管+翅片散熱器組合方案（如圖6（c）所示）的性能特點(diǎn)，對(duì)比分析了主動(dòng)制冷技術(shù)對(duì)于ZBO貯箱設(shè)計(jì)的重要性。Plachta等[27]針對(duì)LEO用的液氧ZBO貯箱進(jìn)行了地面試驗(yàn)驗(yàn)證（如圖6（d）所示）。試驗(yàn)證明，兩級(jí)脈管制冷機(jī)+BAC（Broad Area Cooling）組合方案可以實(shí)現(xiàn)19 d的ZBO貯存，能夠抑制88%的熱分層現(xiàn)象。

從單一被動(dòng)絕熱引起的貯箱漏熱出發(fā)，結(jié)合在軌長(zhǎng)期貯存要求，貯箱內(nèi)液氪蒸發(fā)量和壓力控制成為該部分設(shè)計(jì)的關(guān)鍵?；赯BO貯存的設(shè)計(jì)目標(biāo)和液氪貯存溫度，參照國(guó)外已經(jīng)成功驗(yàn)證的化學(xué)低溫推進(jìn)劑ZBO貯箱設(shè)計(jì)，液氪貯箱熱防護(hù)設(shè)計(jì)選取SOFI+VD-MLI被動(dòng)絕熱組合，再通過(guò)主動(dòng)制冷技術(shù)抵消貯箱漏熱，實(shí)現(xiàn)貯箱內(nèi)推進(jìn)劑蒸發(fā)量和壓力控制。從熱控難度分析，液氪貯箱更容易實(shí)現(xiàn)無(wú)損貯存。

2.3 低溫推進(jìn)劑管理技術(shù)

2.3.1 氣液分離技術(shù)

微重力環(huán)境下，氣液相處于彌散分布狀態(tài)，無(wú)法分別準(zhǔn)確定位。低溫推進(jìn)劑氣液分離技術(shù)直接決定貯箱在軌供應(yīng)性能的優(yōu)劣，是實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑在軌應(yīng)用和轉(zhuǎn)移的核心技術(shù)?，F(xiàn)有貯箱內(nèi)氣液分離技術(shù)的原理和優(yōu)缺點(diǎn)如表4所列?？梢钥闯觯姆N氣液分離技術(shù)中，表面張力式分離具有良好的空間適用性。海盜75軌道器、STAR-2衛(wèi)星、HS601平臺(tái)衛(wèi)星等均使用了這類分離技術(shù)[33]。

表4 氣液分離技術(shù)對(duì)比表Tab.4 Gas-Liquid Separation Technology

2.3.2 低溫推進(jìn)劑流體管理

利用表面張力進(jìn)行貯箱內(nèi)液體推進(jìn)劑管理，可靠性好、管理效率高。目前，基于表面張力效應(yīng)的推進(jìn)劑管理裝置（Propellant Management Device，PMD）成為實(shí)現(xiàn)空間環(huán)境下液體推進(jìn)劑管理的主要裝置。表面張力貯箱的PMD通常包括導(dǎo)流板（或網(wǎng)幕通道）和出口附近的蓄液器（表面張力貯箱最重要的組成部分），是決定表面張力貯箱性能優(yōu)劣的主要因素。美國(guó)70年代初完成了針對(duì)液氫和液氧表面張力貯箱的設(shè)計(jì)研究，國(guó)內(nèi)在低溫推進(jìn)劑表面張力貯箱的研究進(jìn)展緩慢。薛國(guó)宇等[32]對(duì)低溫推進(jìn)劑表面張力貯箱進(jìn)行了理論分析，對(duì)比了常溫推進(jìn)劑（如四氧化二氮）和低溫推進(jìn)劑（如液氧）之間的表面張力，證實(shí)了利用表面張力貯箱進(jìn)行低溫推進(jìn)劑流體管理的可行性。李永等[33]對(duì)板式貯箱進(jìn)行了研究和調(diào)研，對(duì)比了篩網(wǎng)式和板式流體管理裝置和應(yīng)用環(huán)境，闡述了板式表面張力貯箱的性能優(yōu)勢(shì)。朱文杰等[34]介紹了國(guó)內(nèi)外對(duì)上面級(jí)低溫推進(jìn)劑表面張力貯箱的研究進(jìn)展，分析了低溫推進(jìn)劑在軌管理的關(guān)鍵技術(shù)?？傊Y網(wǎng)通道式和板式在結(jié)構(gòu)上存在很大的差距，板式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，流體管理效果好，但是只適合表面張力稍大一些的推進(jìn)劑，如常溫推進(jìn)劑四氧化二氮（表面張力為10.27 N/m）。表面張力稍小的低溫推進(jìn)劑，如液氫（表面張力為1.90×10-3N/m），液氧（表面張力為1.31×10-2N/m）等更適合采用第一代金屬網(wǎng)幕通道式表面張力貯箱貯存。

氪推進(jìn)劑與化學(xué)推進(jìn)劑的工作狀態(tài)不同，前者是氣態(tài)，后者是純液態(tài)，因此，低溫液氪貯箱內(nèi)部是否需要PMD成為設(shè)計(jì)者最關(guān)心的問(wèn)題之一。2009年，法國(guó)的Duchemino等[35]在液氙低溫貯箱設(shè)計(jì)中仿照化學(xué)低溫推進(jìn)劑的流體管理方式，利用PMD進(jìn)行無(wú)夾氣液體采集，然后對(duì)其進(jìn)行汽化，以供推力器使用。氪氣與氙氣物性相似，可見(jiàn)，液氪貯箱利用表面張力進(jìn)行流體管理具有可行性，利用該方法既可以滿足推進(jìn)劑定量高效排出的要求，又方便以現(xiàn)有方法檢測(cè)貯箱內(nèi)的推進(jìn)劑余量。在氪沸點(diǎn)溫度下，其液相表面張力為1.56×10-2N/m，與液氧表面張力處于同一量級(jí)，即選擇網(wǎng)幕通道式表面張力貯箱（如圖7所示）進(jìn)行流體管理，較其他方式效果更好。

圖7 網(wǎng)幕通道式表面張力貯箱Fig.7 Screen channel surface tension tank

3 總結(jié)與建議

NASA針對(duì)在軌長(zhǎng)期運(yùn)行的低溫推進(jìn)劑貯箱設(shè)計(jì)的研究成果頗豐，包括：理論研究、仿真分析、地面試驗(yàn)驗(yàn)證以及部分技術(shù)的飛行驗(yàn)證，這些成果對(duì)液氪低溫推進(jìn)劑貯箱在軌長(zhǎng)期貯存具有借鑒和指導(dǎo)意義。國(guó)內(nèi)在該方面的研究起步比較晚，與國(guó)外存在較大差距，現(xiàn)階段涉及以下關(guān)鍵技術(shù)需要攻關(guān)：

（1）鋁鋰合金薄殼金屬內(nèi)襯和復(fù)合材料的加工制造。隨著氪推進(jìn)劑的需求量增大，輕量化貯箱的直徑增大，因此大尺寸的鋁鋰合金內(nèi)襯的加工成型問(wèn)題凸顯；其次，高強(qiáng)碳纖維的加工制造以及大溫差范圍內(nèi)與金屬內(nèi)襯在內(nèi)壓作用下的變形協(xié)調(diào)也是目前亟待解決的問(wèn)題。

（2）低溫貯箱高效絕熱方式。由于氪氣為惰性氣體，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，采用SOFI+VD-MLI被動(dòng)絕熱組合不僅足以提供液氪低溫貯箱壽命周期內(nèi)的高效絕熱，而且有利于貯箱輕質(zhì)化設(shè)計(jì)，但對(duì)于材料和最優(yōu)層數(shù)的選擇還需要相應(yīng)的理論分析和數(shù)值計(jì)算。

（3）低溫制冷機(jī)與貯箱之間的高效熱耦合。該技術(shù)對(duì)于液氪低溫貯箱內(nèi)蒸發(fā)量控制意義重大，目前耦合結(jié)構(gòu)大致有以下幾種：熱管、導(dǎo)熱帶、換熱器等結(jié)構(gòu)，而對(duì)于低溫制冷機(jī)與低溫液氪貯箱之間的耦合特性，還須進(jìn)行大量的仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

（4）空間低溫推進(jìn)劑流體管理。利用金屬網(wǎng)幕四通道式PMD能夠在空間熱環(huán)境和微重力環(huán)境下有效處理氪推進(jìn)劑的兩相流問(wèn)題，更有利于氣液兩相流的界面定位。而針對(duì)電推進(jìn)氣體工質(zhì)適用性更高的流體管理方式還有待進(jìn)一步研究。

結(jié)合以上關(guān)鍵技術(shù)，應(yīng)盡快開(kāi)展大軌道轉(zhuǎn)移任務(wù)用氪推力器貯供單元技術(shù)研究，為未來(lái)更遠(yuǎn)距離的小行星探測(cè)和更大軌道轉(zhuǎn)移應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，不斷提升我國(guó)在航天領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力。