微重力条件下初始液氢温度对低温推进剂贮箱气枕压力的影响

自生增压液氢推进剂贮箱在轨滑行阶段将长期（数百秒）处于微重力环境下，其贮箱压力受多种因素影响.液氢低温推进剂接近饱和温度时，因传热等影响而极易产生相变，从而影响贮箱压力.通过建立贮箱三维CFD模型，研究了不同初始液氢推进剂温度对于贮箱压力和温度变化等的影响.计算结果表明，气液界面附近推进剂温度与当前气体压力下饱和温度之差（过冷度）越大，压力下降速率越大.随着气体压力下降，气枕温度降低，压力下降速率也逐渐减小，压力变化曲线趋于平缓.在初始液体推进剂温度低于平衡温度的情况下，初始液体推进剂温度越高，平衡压力越高.      

微重力环境下大叶片板式贮箱内流体行为的数值仿真与试验验证

大叶片板式贮箱是当前最为先进的一种新型贮箱,大叶片板式结构是该贮箱推进剂管理的核心部件.对微重力条件下大叶片板式贮箱内流体行为进行了数值仿真和微重力试验验证.采用液体体积分数法(VOF,volume of fluid)两相流动模型数值模拟板式贮箱内流体流动特性,得到了流体分布规律.搭建了大叶片板式贮箱缩比模型试验系统,对板式贮箱内流体行为进行微重力落塔试验,得到微重力环境下流体特性.数值仿真和试验结果表明,大叶片板式贮箱在微重力环境下管理流体性能良好,大叶片板式结构为空间流体(包括低温流体)管理提供一种良好的途径.同时本文仿真和试验为国内板式贮箱设计提供了必要的支撑数据.     

微重力环境下导流叶片流体传输速度的试验研究

导流叶片是板式表面张力贮箱的关键部件之一,微重力条件下,它的流体传输性能决定了表面张力贮箱的推进剂管理能力.搭建导流叶片模型试验系统,针对不同截面形状的导流叶片模型的流体传输行为进行微重力落塔试验研究,得到微重力环境下导流叶片流体传输规律.试验结果表明,不同截面形状的导流叶片对流体传输性能有较大影响,合理设计导流叶片截面形状可有效地控制液体传输速度,并且为推力器提供不夹气的推进剂.该试验成果不仅为新型板式流体管理部件优化设计提供参考,同时也为空间环境下流体控制提供了一种新的方法.     

贮箱内低温推进剂汽化过程的CFD数值仿真

为研究贮箱内低温推进剂相变对推进剂温度和贮箱压力的影响,对贮箱内的传热传质过程进行了仿真.仿真涉及的物理过程包括贮箱与外界环境的换热、推进剂的自然对流、推进剂与贮箱内壁面的换热以及低温推进剂的相变过程等.根据热力学平衡原理建立了低温推进剂相变模型,使用CFD(Computational Fluid Dynamic)方法对处于地面常压停放状态的液氢贮箱进行了450 s的仿真.研究表明随着贮箱壁面传热过程的稳定,推进剂的温度分布、流动状态以及相变情况会趋于稳定;通过仿真获得了推进剂单位时间的汽化量;影响相变的主要因素是贮箱壁面漏热以及推进剂自身的对流运动.     

热毛细对流模式转换及温度振荡特征

研究了矩形液池中由于两端温差引起的热毛细对流的温度振荡临界条件.在实验室中,设计了一个高分辨率的温度测量系统,用于实时观测并记录流体的温度.该系统主要由热电偶温度传感器、纳伏表和数据采集电脑3部分组成.得到了各种实验条件下温度振荡的临界条件,并且讨论了它与Prandtl数和Bond数之间的关系.利用flow3d软件数值模拟了微重力条件下的热毛细对流,发现了一种由于自由面变形和液层流场相互作用导致的晃荡的现象.     

一种板式推进剂管理装置（PMD）性能的数值仿真

板式推进剂管理装置（PMD）是板式表面张力贮箱最重要的部件之一．为分析板式PMD管理推进剂能力,以某板式贮箱为研究对象,采用三维非定常流体（VOF）体积函数的两相流模型,对不同填充比时板式PMD的推进剂管理性能进行数值仿真,得到微重力下推进剂在PMD上及贮箱内部的分布情况,仿真结果与国外空间搭载试验结果比较吻合,数值仿真结果为板式贮箱的性能提供验证依据     

基于Surface Evolver的推进剂贮箱气液界面分析

推进剂贮箱是航天器系统的重要部件，用于实现推进剂的管理与输运.在空间微重力条件下，贮箱内部液面呈弯曲状，掌握其液面分布特性是保证贮箱正常工作的前提.针对球形推进剂贮箱，采用Surface Evolver软件对其内部气液自由界面分布特性展开研究，分析充液比、接触角、Bond数等参数对贮箱液面的影响，得到液面分布随各参数的变化规律.研究结果表明，球形贮箱液面曲率随充液比的增大而增大，随接触角或Bond数的增大而减小.研究结果有助于实现推进剂贮箱液面快速分析，为贮箱及推进剂管理装置设计提供参考.      

微重力效应的物理解释及其应用

讨论了微重力效应及其分子物理学解释，万有引力的单极性决定了它的累积性和宏观性，重力对自由分子的影响是微科其微的，然而在流钵，特别是在液体内部的具体条件下，重力对流体内部分子集团产生明显影响，以宏观的静压强形式表现出来。而当重力变小，变微，流体内部的静压强也就趋于消失，由静压强产生的二级现象，如异相沉降或浮泛。同相的浮泛对流，液体自约束成球形，也就消失，这些就是微重力的一，二级物理效应，本文认为，Bossinesq近似对于流体而言实质上是线性热力学假设或近平衡态假设，可以用初始平衡态的物性参量表征临界点时的无量纳数，提出一种重力消失诱发非平衡态向平衡态蜕变的猜想，从文中导出的瑞利数Rα的表达式可以看出，重力加速度的消失，可以使瑞利数的值从远离平衡态的湍流蜕变到稳定流动的瑞利－贝纳对流胞，甚至是没有宏观流动的平衡态，最后，将本文给出的理论解释模型应用到空间材料加工所需微重力水平的估算、窨材料加工工艺的微重力利用准则和空间装置中气体自然对流传热状态模拟的低真空和微重力的互换性方面。     

失重条件下低温推进剂排放计算

针对CZ-3A系列运载火箭三子级低温贮箱内剩余推进剂排放问题,分别对排放过程中液氢和液氧低温推进剂沿2种不同排放管的流动进行了一维数值计算和分析.计算中认为在排放时沿管路压强降低,从而引起液体推进剂气化,并在管路的某个位置出现气固两相或者全部气化,在计算中,根据不同位置时推进剂的不同状态,分别采用液相、气液两相、气固两相及气相的物理数学模型和控制方程.计算得出了排放的出口参数及排放性能,认为液氢从通道1排放比较好,液氧从通道2排放比较好.为进一步进行排放研究提供了依据.      

微重力下层流扩散火焰碳烟生成过程

根据详细的燃料氧化机理和多环芳烃生成机理，对乙烯同轴射流火焰在重力变化下碳烟生成情况进行计算.认为碳烟的初始成核是由两个较大的多环芳烃（PAH）二聚而成，碳烟的表面生长机理为HACA，凝结过程主要考虑PAH与碳烟的碰撞吸附，碳烟生长和氧化过程耦合在分节气溶胶模型中.计算结果表明，微重力条件下乙烯同轴射流火焰峰值温度下降230K，碳烟浓度显著增加，且浓度峰值在微重力条件下更加偏离中心线.分析重力变化对碳烟前驱体乙炔和多环芳烃的分布、初始成核速率、表面生长速率及凝结速率的影响.结果表明碳烟在中心轴线上主要是通过凝结过程生成的，且微重力条件下PAH在碳烟表面的凝结更加重要.由于微重力条件下停留时间更长，导致碳烟直径更大.      

热力学排气系统压力控制地面原理实验研究

低温推进剂由于其比冲高、无毒无污染,被认为是进入空间及轨道转移最经济、效率最高的化学推进剂,也是未来人类月球探测、火星探测以及更远距离深空探测的首选推进剂。热力学排气技术是解决低温推进剂长期在轨应用蒸发量控制问题的一项关键技术。针对应用于低温贮箱的热力学排气系统(TVS)搭建了地面原理实验平台,采用制冷剂R123为工质,开展了增压、混合喷射降压以及节流制冷3种不同工作模式下的实验研究,分析了不同阶段箱体压力及内部流体问题变化情况,实验验证了热力学排气系统的压力控制效果,与直接排气相比,热力学排气可节省41%的排气损失,该结果可为低温推进剂在轨贮存热力学排气技术的发展提供借鉴和参考。     

侧向微重力环境下板式表面张力贮箱内推进剂晃动行为分析

侧向微重力是航天器在轨飞行时在东西位置保持和南北位置保持状态时所处的加速度环境.由于航天器贮箱内推进剂在侧向加速度环境下的重定位过程易产生晃动，因此侧向加速度环境对贮箱内推进剂管理装置(PMD)的管理能力的要求更高.为确保板式贮箱对推进剂的在轨管理能力，需要开展一系列的数值仿真与试验对PMD的管理能力进行验证.本文以板式表面张力贮箱为研究对象，采用VOF两相流模型对侧向微重力环境下重定位过程中贮箱内推进剂的运动进行数值模拟，并对推进剂运动中的晃动行为进行分析.最终，通过数值模拟结果验证了板式表面贮箱的管理能力，为微重力落塔试验与空间站试验提供参考依据.     

Validation of a Compression Mass Gauge using ground tests for liquid propellant mass measurements

To properly estimate orbital lifetimes and predict the maneuverability of spacecraft, the remaining liquid propellant mass must be accurately known at every moment of a space mission. This paper studies the Compression Mass Gauge (CMG) method to determine the mass of liquid contained in a tank in a low-gravity environment with high accuracy. CMG is a thermodynamic method used to determine the quantity of liquid by measuring the gas pressure change when the tank volume changes, and has been previously theoretically and experimentally studied by researchers. The primary objective of this investigation is to explore the effects of attitude disturbance and the spacecraft thermal environment on the accuracy of the method. A ground test system, consisting of several test apparatuses, was fabricated and described as part of this study. The test results and analyses indicate that the CMG performs well and has an accuracy of ±1%. Additionally, demonstrations were performed to show that measurement errors do not increase drastically or exceed ±1% when the test system is vibrated to simulate the tank being perturbed as a result of an attitude disturbance. Liquid sloshing resonance was found to have a significant effect on the gauging accuracy. Measurements in a real thermal environment in which heat transfers into and out of the propellant tank were also conducted. The results show that the gauging accuracy is acceptable for normal liquid propellant. Furthermore, theoretical research shows that heat leakage has a significant influence on cryogenic propellant mass gauging.     

微重力环境下蓄液器流体蓄留特性的试验研究

为验证板式贮箱蓄液器的蓄液性能,搭建了蓄液器模型试验系统,针对蓄液器模型的蓄液性能和流体传输行为进行微重力落塔试验研究,得到微重力环境下蓄液器的流体蓄留和传输规律.试验结果表明,相对于楔形蓄液器,双圆锥形蓄液器具有更好的蓄液能力,对于双圆锥形蓄液器,承受侧向加速度时仍具有良好的蓄液能力,合理设计蓄液器结构可有效地蓄留液体并控制液体传输速度.该试验成果不仅为新型板式流体管理部件设计优化提供参考,同时也为空间环境下流体控制提供了一种新方法.     

称重法低温介质流量校验系统方案研究

液体火箭发动机试验中,流量测量的准确度至关重要。不同于常温流量测量,低温推进剂的流量测量有其特殊性。介绍了称重法低温介质流量校验原理、方法及方案,对流入法排出气体及流出法增压气体流量简略计算公式进行了推导;针对低温容器气枕换热传质特点,对气枕平均温度的一致性进行了讨论。得出了流入法排出气体流量一致性较好、采用流入法可以使低温流量计检定准确度更高的结论。     

称重法低温介质流量校验系统方案研究

液体火箭发动机试验中，流量测量的准确度至关重要。不同于常温流量测量，低温推进剂的流量测量有其特殊性。介绍了称重法低温介质流量校验原理、方法及方案，对流入法排出气体及流出法增压气体流量简略计算公式进行了推导；针对低温容器气枕换热传质特点，对气枕平均温度的一致性进行了讨论。得出了流入法排出气体流量一致性较好、采用流入法可以使低温流量计检定准确度更高的结论。     

某火箭三子级剩余推进剂汽化研究

针对某火箭三子级剩余推进剂的汽化过程,建立了一个零维的数学物理模型.在给定太阳辐 射角的工况下,对贮箱中低温液体推进剂汽化时,贮箱内气体温度和压力变化、贮箱内质量 变化、进入贮箱的外界热流的变化及贮箱排放推力的变化等进行了数值计算,并对贮箱保险 活门排放推力对火箭在轨速度的极限影响作了简单分析.计算结果可进一步用于该火箭三子 级钝化技术的研究.     

微重力板式贮箱推进剂重定位的数值仿真

板式表面张力贮箱内推进剂重定位对确定推进剂分布情况、研究晃动影响、提高控制精度等具有重要意义．为研究板式贮箱内推进剂重定位的规律,对微重力下板式贮箱内液体重定位问题进行数值仿真．计算时使用三维非定常两相流动流体（VOF）模型,对某一板式贮箱寿命末期在不同微重力加速度情况下各种重定位过程进行数值仿真,得到各种工况下重定位的全过程,以及定位后推进剂的分布情况．数值仿真结果为板式贮箱的设计提供有利依据．