板式贮箱流体传输性能验证的微重力试验系统及试验方法

技术领域

本发明涉及板式贮箱在微重力条件下流体传输性能的试验验证技术领域， 可以推广应用于各种板式贮箱缩比模型的微重力落塔试验。

背景技术

“十一五”期间，完成了航天器在轨加注用28L板式表面张力贮箱的设计工 作，制作了样机模型，进行了推进剂在轨加注过程的地面演示试验。该演示试 验只能对板式表面张力贮箱的局部性能进行验证，无法真实反映其在空间环境 下利用表面张力对流体的管理、控制和传输能力。因此，必须进行大量的微重 力试验，对板式表面张力贮箱的流体传输性能进行深入研究。

对于微重力试验环境，可以通过落塔、飞机抛物线飞行、空间搭载等手段 提供，其中飞机抛物线飞行不能提供较高的微重力水平，只能进行一些对微重 力条件要求不高的试验研究；空间搭载是进行微重力试验最好的手段，但是费 用昂贵，机会很少；而落塔试验由于能够提供较高的微重力水平，试验费用较 低，使用缩比模型可以弥补微重力试验时间短的缺陷，成为最重要的研究手段。 故自2011年6月起，针对28L板式表面张力贮箱进行缩比设计，采用落塔试验 的方法对贮箱缩比模型内流体传输过程进行了微重力试验研究。

为了实现板式表面张力贮箱模型内流体的传输，搭建了一种由缩比试验模 型、图像采集装置、自锁阀、氮气瓶、气路控制台和试验管路等组成的流体传 输试验系统，明确了试验系统的整体方案和功能，总结得出了适用于板式贮箱 流体传输性能验证的简单、可靠、可行的微重力试验方法。运用该试验方法， 完成了28L板式表面张力贮箱缩比模型流体传输特性和液面重定位过程试验， 验证了微重力环境下板式贮箱的流体管理和传输能力。

国外从上世纪70年代就开始了对微重力环境下的板式结构流体传输性能 进行研究，投入了巨大的人力和物力，进行了大量相关的微重力试验，利用落 塔试验、飞机抛物线飞行试验、空间搭载试验等手段取得了众多研究成果。美 国Ford Aerospace公司的T.P.Yeh在1987年对组合的板式结构性能进行了研究， 通过微重力落塔试验研究了其对流体管理的综合性能，包括流体在微重力作用 下验证板式部件的爬升能力，以及液体在重定位过程中板式部件抑制液体晃动 的能力，试验在Santa Clara大学的落塔上进行，文章为“M.K.Reagan， W.J.Bowman.Analytical and experimental modeling of zero/low gravity fluid  behavior.AIAA87-1865”；莱特航空发展中心的M.K.Reagan和W.J.Bowman在 1994年研究了沟槽状板式部件在微重力环境下的流动传输机理，通过落塔试验 得到了不同时刻流体在沟槽内的三维分布，文章为“M.K.Reagan，W.J.Bowman. Transient studies of G-induced capillary flow.Journal of Thermophysics and Heat  Transfer.v13n4 1999”；Purdue大学的Yon然ang Chen和Steven H.Collicott在 2004年对圆柱型容器板壁间的表面张力驱动流进行了落塔试验研究，得到了几 何参数、接触角、流体粘性、粗糙度、板的厚度以及板的倾斜角对驱动速度的 影响，并对界面轮廓线在时间和空间上的分布规律进行了深入研究，文章为 “Chen，Y，Weislogel M.M，Nardin C.L.Capillary-driven flows along rounded  interior comers.Journal of Fluid Mechanics，Vol.566，2006，p235-271”；国外在板 式管理装置研制方面进行了多次空间搭载试验，其中典型的有FARE2项目、 VTRE项目和NASA在国际空间站上进行的一系列微重力环境下流体传输性能 试验项目，文章分别为“S.Dominick，J.Tegart.Orbital Test Results of a Vaned  Liquid Acquisition Device.AIAA94-3027”、“David J，Timothy A.Vented Tank  Resupply Experiment-Flight Test Results.AIAA97-2815”、“Mark M.Weislogel， Steven H.Collicott，et al.The Capillary Flow Experiments：Handheld Fluids  Experiments for International Space Station.AIAA2004-1148”。

由于板式贮箱等板式管理装置的研制和相关试验验证技术涉及到国家安 全，掌握了该项技术的国家往往进行技术封锁，国外能够提供的资料很不全面， 只能起一定的借鉴作用，发表的相关文章中均为提及详细的试验系统设计和试 验验证方法，对板式贮箱的机理研究需要自行搭建试验系统，开展大量的微重 力试验，总结微重力试验验证方法，得到充分的第一手资料，这些基础资料是 不可能从国外文献中获得的。

综上所述，板式表面张力贮箱流体传输性能试验系统和试验方法是进行“航 天器在轨加注技术研究”课题过程中摸索和总结的成果，整个系统和试验方法均 是全新的，国内没有相关的文献和资料可以借鉴，国外也极少公开纰漏类似试 验系统和试验方法。为了实现贮箱流体传输性能验证，结合生产过程的实践和 经验，首次提出了板式表面张力贮箱流体传输性能的试验系统和试验方法。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种板式表面张力 贮箱流体传输性能试验系统和试验方法，能够有效地验证微重力环境下板式贮 箱的流体管理和传输能力。

本发明的技术解决方案是：板式贮箱流体传输性能验证的微重力试验系统， 包括地面加注与控制模块和落塔双舱试验模块两部分；

所述地面加注与控制模块，在落塔试验前为落塔双舱试验模块充氮气和加 注推进剂模拟液；地面加注与控制模块包括氮气瓶(7)、加气阀(8)、气路控 制台(9)、加液阀(10)和模拟液箱(11)；氮气瓶(7)通过加气阀(8)、气 路控制台(9)依次连接；模拟液箱(11)和加液阀(10)连接；模拟液箱(11) 内部盛装有推进剂模拟液；加气阀(8)用于控制氮气气源开闭，气路控制台(9) 用以调整注入充液贮箱模型(1)的氮气量，通过调节加液阀(10)开度，用以 限制注入充液贮箱模型(1)中的推进剂模拟液量；

所述落塔双舱试验模块，用于测量和验证被充液贮箱模型(2)内的流体传 输行为，控制流体传输时间；落塔双舱试验模块包括充液贮箱模型(1)、被充 液贮箱模型(2)、自锁阀(3)、自锁阀控制器(4)、图像采集装置(5)、放气 阀(6)和管路三通(12)；放气阀(6)与被充液贮箱模型(2)的气口③连接； 自锁阀(3)的两端分别与被充液贮箱模型(2)的液口④和管路三通(12)的 第二端口⑥连接，用来控制管路中液体传输量；管路三通(12)的第三端口⑦ 与充液贮箱模型(1)的液口②连接；所述自锁阀控制器(4)与自锁阀(3)连 接，通过设置自锁阀控制器(4)调节自锁阀(3)的自动开关时间；图像采集 装置(5)位于被充液贮箱模型(2)正前方5～10cm处。

板式贮箱流体传输性能验证的微重力试验方法，包括下列步骤：

a.将板式贮箱流体传输性能验证的微重力试验系统分别按照权利要求1所 述方式连接，然后将加液阀(10)与管路三通(12)的第一端口⑤连接；

b.打开放气阀(6)，通过自锁阀控制器(4)将自锁阀(3)打开；

c.给充液贮箱模型(1)和被充液贮箱模型(2)分别加推进剂模拟液至10％ 的填充量，断开加液阀(10)与管路三通(12)的第一个端口⑤，对管路三通 (12)的第一端口⑤进行密封；

d.通过自锁阀控制器(4)将自锁阀(3)关闭；

e.将气路控制台(9)与充液贮箱模型(1)的气口①连接，通过氮气瓶(7) 给充液贮箱模型(1)加入氮气，调节气路控制台(9)压力阀，加压到0.01～ 0.05Mpa；

f.断开气路控制台(9)与充液贮箱模型(1)的气口①，并对充液贮箱模 型(1)的气口①进行密封；

g.调整图像采集装置(5)，确认照明、摄像及数据采集正常工作；

h.微重力时间到达1～1.2s时，通过自锁阀控制器(4)将自锁阀(3)打 开；

i.微重力时间到达2.8～3s后，通过自锁阀控制器(4)将自锁阀(3)关 闭；

j.微重力时间到达0.5～0.7s后，微重力试验结束。

所述步骤h和i中自锁阀控制器(4)将自锁阀(3)打开与关闭的时间必 须与落塔总微重力时间相匹配，才能够模拟完全微重力环境下流体传输情况， 保证经过步骤h后贮箱处于完全微重力条件下，即充液贮箱内液面基本稳定之 后，开始进行流体传输性能试验，微重力结束前某个时段关闭自锁阀(3)，以 便实现贮箱模型内的液体经历完全失重力、微重力传输、微重力重定位三个阶 段，这样便于记录不同阶段流体传输特性和液体重定位过程，也能够防止试验 结束后被充液注箱内液体回流到充液贮箱，以致影响含液贮箱的挤出效率性能 参数计算。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

(1)本发明根据微重力落塔试验研究要求，合理设计并搭建了模型试验系 统。该试验系统具有结构紧凑、占用空间小、回路密封性好、模型置换容易、 摄像观察方便等优点。能够获得所有板式表面张力贮箱模型的流体管理能力及 流体传输特性，并对贮箱的性能进行验证。

(2)本发明采用自锁阀自动控制，与微重力时间协调匹配性强，实现自锁 阀开关控制与微重力过程协调进行，能够实现地面加注和控制系统与落塔双舱 系统适时断开，也可以防止试验结束后被充液注箱内液体回流到充液贮箱，能 够保障板式表面张力贮箱模型流体传输性能试验安全、可靠进行。

(3)本发明采用的试验方法合理、可行，可操作性强，可以推广应用于各 种板式贮箱的微重力落塔试验，也适用未来空间站或卫星的推进剂在轨加注技 术验证，能够对微重力环境下板式表面张力贮箱推进剂加注的可行性、板式贮 箱极限性能等进行试验验证，推动在轨加注技术的发展。

附图说明

图1是本发明试验系统的结构原理图；

图2是本发明试验方法的流程图。

具体实施方式

如图1说明了本发明的板式贮箱流体传输性能验证的微重力试验系统结构 原理。本发明系统包括充液贮箱模型1、被充液贮箱模型2、自锁阀3、自锁阀 控制器4、图像采集装置5、放气阀6、氮气瓶7、加气阀8、气路控制台9、加 液阀10和模拟液箱11、管路三通12。系统具体连接方式如下：采用高压气管 路将氮气瓶7、加气阀8、气路控制台9与充液贮箱模型1的气口①依次连接， 加气阀8处于关闭状态；采用PVC液体管路将模拟液箱11、加液阀10和充液 贮箱模型1依次连接，加液阀10处于关闭状态；自锁阀3置于充液贮箱模型1 和被充液贮箱模型2之间，采用PVC液体管路连接，同时将自锁阀控制器4与 自锁阀3连接，其电信号由电脑程序控制；放气阀8与被充液贮箱模型2的气 口③连接；图像采集装置5固定于被充液贮箱模型2正前方，距离处于利于调 焦拍摄流体传输的位置。试验采用无水乙醇作为推进剂模拟液，使用氮气作为 压缩气体，能够实现推进剂模拟液加注、排放和贮存等功能，可以进行板式贮 箱板内流体行为、液体重定位过程以及贮箱之间流体传输过程中流动特性的试 验验证。

试验开始前，通过地面加注与控制模块为充液贮箱模型1充氮气和加注推 进剂模拟液，待试验开始后，将地面加注与控制模块与落塔双舱试验模块断开； 试验过程中，落塔双舱试验模块用于测量和验证板式贮箱内流体传输行为，控 制流体传输时间。

为了能够模拟完全微重力环境下流体传输情况，须设定一个合理的微重力 时间，使贮箱处于完全微重力条件下，即充液贮箱内液面基本稳定之后，开始 进行流体传输性能试验。由于百米微重力落塔能够提供的总微重力试验时间月 为3.5s，经过几次试验确定了自锁阀开启和闭合的时间分别为1～1.2s和2.8～ 3s，即微重力时间到达1～1.2s时，通过预先制定的程序命令，将自锁阀3打开， 开始进行微重力环境下加注，微重力时间到达2.8～3s后，通过预先制定的程 序命令，关闭自锁阀3，流体传输过程结束，后续进入液面微重力重定位过程。

图2说明了本发明试验方法的实现过程，具体步骤如下：试验开始前，应 准备好充液贮箱模型1、被充液贮箱模型2、自锁阀3、自锁阀控制器4、图像 采集装置5、放气阀6、氮气瓶7、加气阀8、气路控制台9、加液阀10、模拟 液箱11和管路三通12等试验器材，分别采用高压气管路和PVC液体管路将气 路和液路连接，具体连接方法如前文所述，地面加注与控制模块和落塔双舱试 验模块搭建完成；通过自锁阀控制器4将自锁阀3打开，同时打开被充液贮箱 模型2一侧的放气阀6，断开加注贮箱模型的气口连接管路；给充液贮箱模型 和被充液贮箱模型2分别加液至10％的填充量，断开充液管路，对充液贮箱模 型1的液口②进行密封；通过自锁阀控制器将自锁阀关闭，断开充液贮箱模型 的液口②；连接加气管路，给充液贮箱模型1加入氮气，调节气路控制台9的 压力表值，加压到0.01～0.05Mpa，加压时应先缓慢开启最小压力控制阀，慢慢 调节至所需压力；密封充液贮箱模型1的气口①，使落塔双舱系统处于回路密 闭状态；调整图像采集装置5的位置，4调试焦距，确认照明、摄像及数据采 集正常工作；释放落塔双舱试验系统，开始记录微重力时间；微重力时间到达 1～1.2s范围时，通过自锁阀控制器4将自锁阀3打开，开始进行微重力环境下 加注；微重力时间到达2.8～3s范围时，通过预先制定的程序命令，关闭自锁 阀3；约0.5s～0.7s后，微重力试验结束。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。