推进剂在轨加注流体传输过程的数值模拟和地面试验研究

李 永，胡 齐，潘海林，耿永兵，丁凤林

(北京控制工程研究所，北京 100190)

在轨加注技术对于延长航天器寿命和降低成本具有重要意义.世界各主要的航天大国都已经掌握了在轨加注技术或开展了相关研究工作.俄罗斯从1978年就已经实现了推进剂在轨加注，目前已经成功地完成了多次在轨补给，而美国从上世纪80年代初就开始了在轨补给技术的研究，使该技术得到了充分的发展，并成功实现了在轨演示验证［1-7］.

在轨加注方案主要分为3类:推进剂直接传输式、推进模块更换式和推进模块补加式.其中，推进剂直接传输式目前使用最多，俄罗斯和美国都采用了这种在轨加注方案.按照其操作方式的不同，该方案又可分为压缩机式、背压式、排气式和贯通式等4种.本文针对排气式加注方案开展了加注过程流体传输的数值模拟和地面演示试验验证.

1 排气式加注的工作原理

排气式加注的工作原理如下:在进行推进剂加注前，首先对被加注贮箱内的气垫卸压，然后利用加注贮箱和被加注贮箱内的压差，实现推进剂的加注;随着加注量的增加，被加注贮箱内的压力也逐渐升高，当压力升高到排气门限值时，再对被加注贮箱实施排气;如此往复，直至被加注贮箱内的推进剂加注完成［8］.

排气式加注可以在低压状态下进行，在加注过程中由压缩而产生的热量比背压式要少，便于缩短加注时间，而且这种加注方式不需要使用压缩机等活动部件，是一种可靠性和安全性良好的加注方式.

排气式加注方法使用的贮箱可以是板式表面张力贮箱，该类型贮箱利用表面张力有效实现气液分离，保证在排气过程中不会排出推进剂.

2 排气式加注过程的数值模拟

通过数值模拟，可以得到在空间微重力环境下，排气式加注全过程加注贮箱和被加注贮箱内的气液分布、质心变化情况以及被加注贮箱内的压力变化.

2.1 计算模型

以容积为28L、内直径为190mm的板式表面张力贮箱作为加注箱和被加注箱，该贮箱结构如图1所示，其推进剂管理装置(PMD)为板式结构，可以在微重力环境下对推进剂实施定位［9］.

在轨加注系统模型中，使用两个28L贮箱，分别作为加注箱和被加注箱，为了便于计算，简化两个贮箱的连通管路.

图1 贮箱及PMD结构图

采用VOF两相流动计算方法，对加注过程中的流动传输和气液界面分布情况进行计算。该方法通过引入流体体积组分α函数及其控制方程来表示混合流体的密度并跟踪自由面的位置。若设α为液相的体积组分，当网格中的体积组分α=1时，表示该网格内完全是液体，当网格中的体积组分α=0时，表示网格中完全是气体，当0＜α＜1表示网格中含有气液界面。

计算采用的重力加速度为1×10－4g.加注贮箱推进剂剩余量为95%，被加注贮箱推进剂剩余量为5%.加注贮箱保持恒压(1.5MPa)，当被加注贮箱的压力超过1.5MPa时，开始排气，排气后贮箱压力降至最小压力1.1MPa.

2.2 数值模拟结果

图2所示为加注过程不同阶段加注贮箱和被加注贮箱内的液面变化情况.左边贮箱为被加注贮箱，右边为加注贮箱.

从图2可以看出，在排气式加注过程中，加注贮箱和被加注贮箱内的气液界面分离定位清晰，表明在加注过程中板式表面张力贮箱可以有效管理推进剂，实现气液界面分离.

图3和图4所示为整个加注过程中加注贮箱和被加注贮箱的液面变化.

对于加注贮箱，在加注过程中，随着推进剂排出量增加，加注贮箱的质心降低;推进剂量从95%减小到5%时，质心从0.18m降低到0.05m.对于被加注贮箱，在加注过程中，随着推进剂加注量增加，加注贮箱的质心升高;推进剂量从5%增加到95%时，质心从0.05m升高到0.18m.

图5为整个加注过程中被加注贮箱的压力变化曲线.

从图中可以看出，被加注贮箱内的压力在1.1MPa到1.5MPa之间往复变化，且随着加注量的增加，变化频率越来越快，这与实际情况是一致的.

3 排气式加注过程的地面演示试验

为了验证排气式加注的可行性和加注流程的合理性，搭建了地面演示试验系统，使用该系统可以模拟排气式加注的实际流程，确定加注压力、排放压力以及加注流量之间的关系.

3.1 地面演示试验系统构成

该系统由加注贮箱、被加注贮箱、控制阀门、排气阀门、连接管路等组件构成，使用无水乙醇作为推进剂的模拟液，使用氦气作为压缩气体，实现模拟液加注、压缩气体排放、流量控制等功能.由于该系统仅对加注过程的流动情况进行研究，故没有包含对接接口、控制装置和在线检测装置.

图6所示为地面演示系统的原理图.为了便于观察，地面演示时使用了有机玻璃壳体做成的模拟贮箱.

图6 在轨加注地面演示系统原理图

试验时，通过恒压气源为加注贮箱补气，使用压力传感器测量加注贮箱和被加注贮箱的压力，使用超声波流量计测量加注流量.当被加注贮箱的压力超过设定压力后，通过卸压阀进行卸压.

3.2 地面演示试验结果

在进行地面演示试验时，考虑到模拟贮箱壳体的承压能力，采用了较低的气垫压力，进行原理性演示验证:加注贮箱通过恒压气源提供48kPa的气垫压力，被加注贮箱卸压阀开启的压力门槛值为40kPa，卸压阀关闭的压力值为30kPa.图7所示为被加注贮箱内的压力变化曲线，随着贮箱内推进剂的增加，贮箱内的压力逐渐增加，当压力到达40kPa时，系统开始自动泄压，贮箱压力随之降低，当贮箱内压力降低到30kPa时，泄压阀关闭，贮箱内的压力开始回升.随着贮箱内的推进剂的量越来越多，系统内压力的变化越来越快，因此所看到的压力曲线变化的频率也越来越快.

图7 被加注贮箱内的压力变化

图8所示为超声波流量计测得的加注流量的变化曲线.两个贮箱之间的压力差变化是导致流量变化的主要原因，由于被加注贮箱内液体的量不断增加，两个贮箱的静压头逐渐增大抵消了部分气垫产生的压力差，因此流量随时间呈递减趋势.

图8 流量计测得的流量情况

通过该地面演示试验系统对排气式在轨加注进行了全过程演示，试验结果与数值计算的结果相一致.

4 结论

(1)通过对排气式在轨加注系统内部流动的数值模拟，可以得到排气式加注过程加注贮箱和被加注贮箱内的气液界面分布情况，证明板式表面张力贮箱在加注过程中可以有效实现气液界面分离.同时可以得到加注过程中加注贮箱和被加注贮箱质心分布的变化情况以及不同时刻压力变化情况.

(2)利用排气式加注地面演示试验系统对排气式加注过程进行了演示，对排气式加注的可行性和加注流程的合理性进行了验证，同时得到了加注过程中压力和流量的变化规律.

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

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［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

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［8］ 褚桂柏.航天技术概论［M］.北京:宇航出版社，2002

［9］ 胡齐，李永，耿永兵，等.一种板式推进剂管理装置(PMD)性能的数值仿真［J］.空间控制技术与应用，2010，36(3):28-31