真空模擬環境下液體推進劑蒸發特性的試驗研究

池保華，洪 流，李龍飛，楊偉東

（西安航天動力研究所，陜西西安710100）

0 引言

空間發動機工作在低溫真空的太空環境，液體推進劑在此環境下常常表現出與地面環境不一樣的特性，這些差異對工質的存儲和使用會帶來影響，甚至影響到發動機點火和冷卻性能。閃蒸是真空環境下液體噴射區別于大氣環境的最顯著的一種現象。當環境壓力突然降低到初始溫度對應的飽和壓力以下時，液體由最初的平衡狀態變成過熱狀態，當壓力下降過快時，液體不能全部以顯熱的方式來釋放能量，而是通過快速蒸發以釋放潛熱，這一過程稱為閃蒸。閃蒸通常伴隨液體劇烈的相變現象，使蒸發過程存在一定的不確定性。空間發動機多次起動時，由于劇烈的相變改變推進劑的霧化、混合和燃燒特性，影響發動機的點火；對于載人飛船和空間站在太空飛行排放生活廢水時，當閃蒸帶走的熱量過多時，會導致排放管出口結冰，惡化宇航員的生活質量。因此，研究液體工質在真空環境下的蒸發特性對于空間發動機和太空排放設計具有重要意義。

D Saury等[1]研究了降壓速率對水閃蒸的影響，Rajshekhar D Oza等[2]提出了閃蒸中汽泡的增長模型，JONG-IL KIM等[3]分析了低壓閃蒸過程中的臨界點，吳楚等[4]研究了壓力、溫度對噴霧特性的影響。這些研究取得了可喜的成績，但研究多以水為研究對象，對于液體火箭發動機真實推進劑研究較少。隨著未來無毒無污染液體火箭發動機的發展，采用煤油、甲烷和酒精作為推進劑成為一種趨勢。本文對水、飽和鹽水、煤油、酒精和凝膠模擬液等工質在真空模擬試驗環境下進行了蒸發特性試驗研究。

1 試驗系統介紹

1.1 試驗系統

真空模擬試驗系統如圖1，由真空艙、真空機組、真空計、溫度傳感器和數據采集系統等組成，基本技術參數如下：

(1)真空艙有效使用容積為3m3，極限真空度0.1Pa；

(2)真空機組抽真空時間小于30分鐘，機組滿足在大水蒸汽（300ml）條件下真空艙內真空度不高于500Pa正常工作的能力；

(3)真空計可檢測真空度范圍為0.1Pa至1×105Pa，顯示精度為0.01Pa；

(4)溫度傳感器滿足真空環境下的正常使用，量程為223.15～373.15K。真空艙側向設有觀察窗，可定性觀察工質在真空中的蒸發過程。數據采集系統對真空度、工質溫度等進行實時記錄和存取。

1.2 試驗工質

試驗工質包括水、飽和鹽水、酒精、航空煤油和凝膠模擬液。由于艙體容積較大、真空程度較高，認為工質間相互不干擾。各工質基本參數如表1。

表1 工質基本參數Tab.1 Basic parameters of the test substances

1.3 數據采集和操作

工質溫度通過PT-300溫度傳感器測量，真空艙的真空度通過壓力傳感器和真空計測量。溫度壓力均接入數據采集系統，并實時顯示和采集。試驗時，先開啟旋片泵對真空艙抽取真空，待真空度達到一定程度（約1000Pa左右）后，旋片泵停止工作，開啟羅茨泵。真空度約為1000Pa時開始采集數據，采集時間為1500s，采集頻率為10點/s。數據采集末段（約1450s），關閉閥門和羅茨泵，對真空艙進行保壓。

2 結果和分析

2.1 試驗結果

試驗中觀察到了所有液體工質的快速蒸發過程，伴隨大量氣泡和液體沸騰；水、飽和鹽水和凝膠模擬液出現了塊狀結冰，酒精和煤油沒有出現結冰，只是煤油中出現少量絲狀物。試驗結束后各工質的最終溫度和蒸發比如表2。

表2 工質蒸發參數Tab.2 Evaporation parameter of the substances

試驗過程中真空度隨時間的變化如圖2，工質溫度隨時間變化如圖3。真空艙壓力除了在末段保壓時出現階段回升外，在420s和1232s處也出現回升，原因是保壓時真空機組無抽取，工質蒸發增加了真空艙壓強。從圖3可看出，在t=0s時刻，閃蒸開始，隨環境壓力的快速降低，工質迅速變得整體過熱，工質的潛熱通過工質表面釋放。閃蒸使得液體汽化帶走大量熱量，導致溫度快速降低；在t=400s，水和凝膠模擬液表面已經結冰，工質由液態轉變為固態會釋放出凝固熱，工質得到加熱，溫度略有上升，在t=400s～420s，固體表面升華導致真空艙壓力上升，t=420s后，水和凝膠模擬液完全變成固相，固相在真空環境下升華帶走的熱量使得溫度繼續下降；而煤油、酒精冰點低，閃蒸時吸收的熱量不足以使自身發生相變，溫度一直下降，由于溫度的降低使過熱度降低，閃蒸過程會逐漸趨于平緩。

2.2 質量蒸發量

忽略工質的自然揮發和環境的換熱，以質量平衡為基礎，假設間隔時間內工質相間處于相對平衡，蒸發量吸收的氣化潛熱來自液相，則有：

對上式在間隔時間內積分，假設工質的密度ρl、氣化潛熱hfg和比熱容cv不變，可得到閃蒸的質量蒸發量：

式中，A為液體橫截面積；H為液位高度。

變換形式后可得到相對質量蒸發量：

工質發生相變過程中，雖然閃蒸沒有停止，但是僅發生在部分液面和容積，質量蒸發量計算較復雜，關鍵參數在本試驗條件下難以獲得，故僅分析水、飽和鹽水和凝膠模擬液在液態時的閃蒸參數，三種工質在273.15K以上狀態的閃蒸參數見圖4。酒精和煤油在閃蒸過程中沒有發生相變，整個過程中的閃蒸參數如圖5。

液體火箭發動機常規推進劑，如N2O4和UDMH，常壓下自然揮發的相對質量蒸發量僅為10-4量級[6]，推進劑在真空環境下的相對質量蒸發量普遍要高1～2個量級。水、飽和鹽水和凝膠模擬液的相對質量蒸發量隨時間總的變化趨勢是先增加后減小，水和凝膠模擬液后續有兩個明顯的波峰，分析認為是工質達到了該溫度下的臨界壓力。酒精和煤油的相對質量蒸發量迅速減小后趨于平緩，在252s（此時真空度為104Pa）前，酒精相對質量蒸發量比煤油大，之后煤油相對質量蒸發量比酒精大。

2.3 真空度對溫度的影響

真空度對不同工質由于蒸發引起的溫度變化各不相同，溫度下降的快慢主要是由閃蒸的強烈程度決定。從圖6可以看出，真空度越小，工質溫度降低速度越快，即閃蒸越來越強烈。在相同降壓條件下，壓強大于267Pa前，煤油溫度降低速度最慢，水、飽和鹽水和凝膠模擬液大體相當，酒精溫度降低最快；壓強小于267Pa后，煤油溫度降低速度最慢，其余依次是飽和鹽水、凝膠模擬液、水和酒精。

3 結論

(1)真空條件下液體工質發生了顯著的閃蒸，導致蒸發比常壓下強烈得多，冰點較高的工質達到固相后溫度會繼續下降。

(2)低壓蒸發過程中，工質溫度的降低先迅速后緩慢。水和凝膠模擬液最終變成固態，在真空度低于100Pa時，水和凝膠模擬液的最低溫度為237.75K和235.55K。煤油和酒精沒有明顯的液相轉變為固相的過程，但煤油出現了絲狀物。

(3)真空度越小，閃蒸越強烈，工質溫度降低速度越快。

[1]Saury D,armand S,Siroux M.Flash evaporation from a water pool:Influence of the liquid height and of the depressurization rate[J].International Journal of Thermal Sciences 44(2005):953-965.

[2]Rajshekhar D Oza,James F Sinnamon.An Experimental and Analytical Study of Flash-Boiling Fuel Injection[J].Society of Automotive Engineers,1983.

[3]JONG-IL KIM.Some critical transitions in pool flash evaporation[J].Int.J.Heat Mass Transfer,40(1997):2363-2372.

[4]吳楚,魏建勤,許滄粟，等.閃蒸噴霧的試驗研究[J].浙江大學學報(工學版),2002,36(5):516-520.

[5]金仁喜,劉登瀛,華順芳，等.爆炸沸騰研究進展[J].海軍工程大學學報,2001,13(6):8-13.

[6]陳新華,吳沖華,佟連捷.可貯存有毒推進劑在大氣中蒸發特性的研究[J].指揮技術學院學報,1999,10(2):11-15.