低溫推進劑網幕通道式液體獲取裝置性能研究進展

(1 航天低溫推進劑技術國家重點實驗室 北京 100028；2 西安交通大學能源與動力工程學院 西安 710049)

考慮到安全、環境等因素，無毒無污染的低溫推進劑成為未來航天發射、空間加注站和深空探測任務的首選推進劑[1]。相比之下，液氧/液氫推進劑具有最突出的性能，已經成功應用于土星5號、太空運輸系統、半人馬座等航天器中[2]。然而，低溫推進劑也具有低密度、低沸點、低表面張力、低黏性等特殊物性，導致其在軌存儲與管理方面面臨更多挑戰[3]。其中，微重力條件下提供持續穩定的單相液體推進劑，是滿足發動機在軌點火、推進劑在軌增壓和傳輸等需求的首要前提[4]。因此，為了實現高性能低溫推進劑在未來航天任務中的廣泛應用，有必要對低溫推進劑在軌氣液分離技術進行深入研究。

研究人員針對低溫推進劑提出了助推式分離、離心式分離、表面張力式分離、電磁式分離等多種可行的在軌氣液分離方法。對比發現，表面張力式氣液分離技術充分利用了在微重力下起主導作用的表面張力，不消耗多余能量，能夠無間斷對氣液相進行定位分離，具有顯著優勢[5]。在板式、海綿式、網幕通道式等多種表面張力式分離方法中，網幕通道式液體獲取裝置(LAD)結構緊湊、簡單輕便，適用于不同流動方向、不同重力水平、不同熱環境和不同流量的工況，對于低溫推進劑適用性最強，引起了研究人員的廣泛關注[6-7]。

目前，網幕通道式LAD的分離性能已經獲得常溫流體的在軌實驗驗證[8]，并多次成功應用于常規推進劑的空間飛行任務[9-10]。針對低溫流體的在軌適用性，早期已得到小型液氦在軌傳輸實驗(SHOOT)的數據支持[11]，太陽能上面級技術演示(STUSTD)、半人馬座實驗臺(CTB)等項目均重點規劃了LAD在軌低溫分離性能的技術驗證[12-13]。近年來，國際研究人員持續開展了大規模的低溫區實驗研究，對網幕通道式LAD在低溫流體中的分離性能有了更深入的了解。J.Hartwig等[14-16]實驗研究了網幕通道式LAD在液氫、液氧等低溫流體中的液體獲取性能，提出了增大網幕密度和降低流體溫度等性能優化方法。M.Kudlac[17]結合泡破壓力實驗數據與壓力損失預測公式，分析了不同網幕結構的工作性能。J.Jurns等[18-19]研究了微孔截面形狀對網幕泡破壓力的影響，修正了泡破壓力基本模型，并擬合了增壓氣體對泡破壓力的影響公式。隨后，J.S.Meserole等[20-21]采用實驗和理論分析的方法研究了增壓氣體對LAD分離性能的影響規律。D.J.Chato 等[22-24]采用CFD方法研究了網幕通道式LAD結構內部流場、壓降、質量流量等參數的變化規律，揭示了流速和質量流量隨網幕位置的不均勻分布。

我國針對低溫流體網幕通道式LAD的研究仍處于起步階段，相關研究較少。本文分析了國際領域內的相關研究進展，從泡破壓力、壓降損失、性能優化三個方面歸納了針對低溫流體網幕通道式LAD的階段性研究成果，以期幫助國內研究人員對網幕通道式LAD形成較為全面系統的認識，為后期的低溫推進劑氣液分離系統設計提供幫助。

1 泡破壓力

圖1所示為球型貯箱內全范圍4通道網幕通道式LAD結構。該裝置靠近貯箱內壁布置，4個通道平均分布在貯箱的4個象限，材料多采用不銹鋼。面對貯箱內壁一側通道上安裝了緊致的金屬織網幕，通道其他三面為金屬固壁，通道截面多為方形或三角形。

圖1 網幕通道式LAD結構[8]Fig.1 Structure diagram of a screen channel liquid acquisition device

網幕通道式LAD的液體獲取能力主要由通道近壁側安裝的金屬織網提供，依靠表面張力和毛細力對液體進行吸附獲取。根據材料以及編織方法可以將網幕細分為不同類型[7]，圖2所示為不銹鋼制荷蘭斜紋網幕(DT)的編織結構。

圖2 不銹鋼制荷蘭斜紋網幕(DT)的編織結構Fig.2 Diagram of the woven structure of stainless steel Dutch Twill(DT)screen

金屬絲交織形成微米級的微孔通道，相當于多個路徑彎曲復雜的毛細管，依靠表面張力和毛細力引流液體，阻隔氣體的進入。但是這種隔離氣體的能力有限，基于毛細力學的相關理論[25]，表面張力引起的上下界面的靜壓差存在最大值。當網幕兩側壓差超過該最大靜壓差時，將無法阻止氣體通過網幕，即網幕將無法保證純液體的獲取從而失效。

因此，將第一個氣泡通過網幕所對應的網幕兩側壓差定義為泡破壓力ΔpBP，ΔpBP與流體物性和網幕結構有關[26-27]。ΔpBP是評價網幕最主要的性能參數，其值越大對應更高的網幕氣液分離性能。

(1)

式中：γ為流體表面張力，N/m；θC為流體與網幕微孔的接觸角，(°)；DP為微孔有效直徑，m。

美國格林研究中心在CCL-7低溫實驗臺上開展了一系列低溫流體泡破壓力的地面實驗研究(圖3)[18]。整個實驗裝置浸泡在低溫杜瓦中，液面沒過測試網幕，通過對網幕下側注入增壓氣體建立網幕兩側壓差。隨著增壓氣體的不斷注入，壓差逐漸增大，直到由反射鏡觀測到第一個氣泡溢出網幕，記錄該時刻壓差即為泡破壓力。

圖3 CCL-7低溫實驗系統泡破壓力實驗杜瓦[18]Fig.3 Bubble point test Dewar of CCL-7 cryogenic testing system

圖4所示為DT-325×2 300網幕的實驗數據[27]。有關其他不同網幕、不同流體的數據可以參考文獻[14-15,17]。325×2 300代表每平方英寸有325根經絲和2 300根緯絲，能夠反映網幕編織密度，經緯絲數量越多，網幕編織密度越大。由圖4可知，網幕的泡破壓力在低溫區明顯下降，特別是在液氫溫區衰減顯著，幾乎只有常溫流體的10%。由式(1)可推測，液氫的低表面張力導致泡破壓力明顯減小(圖4橫坐標為表面張力)，這也說明低溫流體氣液分離的難度較大。

圖4 DT-325×2 300網幕對不同流體的泡破壓力數據[27]Fig.4 Bubble point data of different fluids for a DT-325×2 300 screen

2 壓降損失

網幕通道式LAD在工作過程中，不可避免會產生壓力損失。圖5所示為網幕通道式LAD單通道壓力損失模型。

圖5 網幕通道式LAD單通道壓力損失模型[16]Fig.5 Pressure drop model for a single channel of screen channel LAD

地面重力下，LAD豎直布置于柱型貯箱內，液體由貯箱被提取至LAD出口的過程中，主要產生的壓力損失包括：通道內液柱產生的靜壓頭損失Δphydrostatic，液體在通過網幕造成的壓降ΔpFTS(flow through screen，FTS)，黏性流動引起的摩擦壓力損失Δpfriction，流動動力壓損Δpdynamic和其他一些由于振動、液體晃動導致的瞬時壓降Δpother[16-17]。為了保證LAD的有效運行，總的壓力損失應小于對應工況下的泡破壓力，如式(2)，否則網幕通道式LAD將無法阻止氣體的進入。

Δptotal=Δphydrostatic+ΔpFTS+Δpfriction+

Δpdynamic+Δpother<ΔpBP

(2)

Δphydrostatic=ρg(L-Lb)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：ρ為液體密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；L為LAD通道高度，m；Lb為液位高度，m；α為黏性壓降系數，β為慣性壓降系數；Q為彎曲系數；B為網幕厚度，μm；μ為流體動力黏度，Pas；a為表面積與體積比，1/m；ε為孔隙率；e為管內粗糙度，為LAD出口質量流量，kg/s；AC為流體淹沒的LAD網幕面積，m2；f為摩擦系數；DH為水利直徑，m；Re為雷諾數；V為通道內流體流速，m/s；W為LAD通道寬度，m；H為LAD通道深度，m。

圖6所示為各部分壓力損失隨LAD通道未浸沒高度L-Lg的變化。LAD的尺寸參考文獻[4]，裝置高度L=91 cm，寬度W和深度H均為2.54 cm，工質為液氫，質量流量為0.025 kg/s。網幕采用DT-450×2 750，網幕其他結構參數參考文獻[7]。

圖6 各部分壓損隨LAD通道未浸沒高度的變化情況Fig.6 Relative magnitudes of pressure drop contributions as a function of exposed LAD channel height

由圖6可知，地面工況下，靜壓頭壓力損失Δphydrostatic占總壓力損失Δptotal的主要部分，ΔpFTS次之。微重力工況時，Δptotal整體有了大幅度下降，LAD通道總壓損約為地面工況的1/5，原因主要是重力的衰減導致Δphydrostatic顯著減小。液體流經網幕的ΔpFTS占Δptotal的比重相對增大，成為主要損失，其他壓力損失相對較小。

3 性能優化

網幕通道式LAD在低溫流體中的液體獲取性能較差，即從氣液混合物中阻隔氣體獲取單相液體的能力較差，特別是在液氫溫區適用范圍明顯縮小。因此，本節主要基于對分離性能要求最嚴格的低溫推進劑液氫，研究LAD分離性能的優化方法，改善低溫區的工作性能。從前期研究分析來看，網幕通道式LAD的氣液分離性能主要受網幕選型、流體溫度和增壓氣體三個因素的影響[2,7]，下面分別從這三個方面介紹有關LAD性能優化的研究。

3.1 網幕選型

研究人員在初期研究認為泡破壓力是決定LAD性能的唯一參數，所以不斷提高網幕的織網密度，通過減小DP從而增大ΔpBP(式(1))。但是網幕越密，微孔有效孔徑越小，路徑越曲折，反而引起更大的壓力損失，造成裝置更早失效。因此，研究人員提出了臨界質量流率的概念來衡量LAD性能，即ΔpFTS=ΔpBP(在軌環境下，重點考慮ΔpFTS)時LAD提供的液體提取質量流量[28]。表1所示為100 kPa飽和態液氫的實驗數據，結構簡單的幾組網幕在臨界質量流率方面具有更大的優勢，即在有效氣液分離的前提下，能夠提供更大流量的液氫。

表1 液氫中不同網幕泡破壓力和臨界質量流率[28]Tab.1 Bubble points and critical mass flow rate for different screens in liquid hydrogen

但是，綜合考慮航天器在飛行過程中遇到的復雜重力環境，Plain Square等網幕的泡破壓力過小，在一定的加速度環境下，靜壓頭損失Δphydrostatic可能直接超過ΔpBP導致LAD失效。因此，為了提高對復雜重力環境的適應性，應在保證泡破壓力足夠大的前提下，進一步選取最合適的網幕。對比發現，DT網幕普遍具有較高的泡破壓力，隨著網幕加密，泡破壓力和臨界質量流率整體呈增大的趨勢。然而，與DT-450×2 750網幕相比，DT-510×3 600與其質量流率基本相同，但泡破壓力下降。因此網幕加密到一定程度后，并不能持續提高網幕工作性能。綜上所述，DT-450×2 750網幕兼顧了泡破壓力和臨界質量流率的共同要求，可以作為未來液氫貯箱網幕通道式LAD的優先選擇。

3.2 流體溫度

網幕選型一定時，壓力損失只與重力、流量等實際工況有關，那么進一步提高泡破壓力即提高了臨界質量流率，從而有更好的液體獲取性能。由式(1)可知，泡破壓力只與表面張力、接觸角和微孔孔徑有關，而低溫流體與不銹鋼接觸角幾乎為0°，即cosθC可以簡化為1[29]。因此，在網幕結構一定的情況下(DP一定)，增大表面張力是提高泡破壓力的唯一途徑，如圖7所示，流體表面張力受流體溫度的直接影響，流體溫度越低，表面張力越大，幾乎線性相關。

另一方面，網幕的微孔通道在低溫環境下會發生收縮，式(7)給出了計算DP的溫度修正，DP,293 K是由室溫實驗測得的通道平均直徑，b0是由實驗數據確定的修正系數，ξ(T)是由溫度確定的體積收縮系數，由式(8)計算[7,15]。圖8所示為幾種網幕在低溫至室溫的溫區范圍內，微孔直徑隨流體溫度的變化。

DP(T)=DP,293 K(1+b0ξ(T))

(7)

ξ(T)=3(-293-0.445T+9.63×10-3T2-

2.17×10-5T3+1.94×10-8T4)×10-5

(8)

圖9所示為液氫中網幕泡破壓力隨溫度的變化。對于不同密度的網幕，泡破壓力均隨著流體溫度的下降呈線性增長，與式(1)所描述的變化關系相吻合。

圖8 網幕微孔有效直徑隨流體溫度的變化Fig.8 Effective diameters of screen micro pores change with fluid temperature

圖9 液氫中網幕泡破壓力隨流體溫度的變化Fig.9 Bubble points of different screens in liquid hydrogen changes with fluid temperature

當流體溫度從24 K降至18 K時，DT-80×700網幕的泡破壓力提高約70 Pa，而DT-450×2 750網幕的泡破壓力提高約370 Pa，可見泡破壓力的增長值隨著網幕密度的提高而增大。對比變化幅度發現，相同溫度變化下，不同網幕的泡破壓力提升幅度幾乎相同，且與表面張力的變化幅度基本一致。流體溫度越高，降低溫度所引起的泡破壓力提高幅度越大，流體溫度由21 K降至20 K時，泡破壓力增幅約為8%，而流體溫度由30 K降至29 K時，泡破壓力的增幅將高達35%左右。綜上所述，降低流體溫度可有效增大流體表面張力，顯著提高網幕泡破壓力，即提高LAD的全液獲取性能。

3.3 增壓氣體

在工作過程中，研究人員對可以改變的增壓條件進行了深入研究。研究發現，增壓氣體的類型可間接影響泡破壓力，增壓氣體一般采用可冷凝的自增壓氣體或不可冷凝的氦氣。圖10給出的液氫實驗數據顯示，對于DT-325×2 300網幕，氦氣增壓的泡破壓力始終高于氫氣自增壓的工況，增幅可達10%左右，相似的結論也在液態甲烷、液氮、液氧等低溫流體的實驗中獲得[14-15,18]。

圖10 增壓氣體類型對網幕泡破壓力的影響[21]Fig.10 Effect of pressurization gas type on bubble point

氦氣增壓過程中，網幕附近的氦氣無法像自增壓氣體一樣發生冷凝，而低溫流體仍會蒸發。因此采用不凝氣體增壓使蒸發吸熱效果更明顯，增強了對網幕及附近流體的冷卻作用，間接降低了流體溫度，提高了表面張力，體現出更好的LAD液體獲取性能[20]。此外，采用氦氣增壓的系統對于溫度的敏感性較低，適用性更廣泛[21]。

4 結論

網幕通道式液體獲取裝置(LAD)結合了表面張力與毛細力的共同作用，相比于其他分離技術，對于沸點低、表面張力小、黏性小的低溫推進劑具有更好的適用性。本文針對網幕通道式LAD進行了大量的調研與分析，分別從泡破壓力、裝置總壓力損失、裝置性能優化等方面概括了近年來針對低溫流體的相關研究，得到如下結論：

1)網幕通道式LAD的分離性能受到泡破壓力和裝置壓損的共同影響。微重力環境中，由于靜壓頭壓力損失的顯著衰減，LAD總壓力損失隨之大幅下降，相對于地面工況體現出了更好的工作性能。可以預測獲得地面實驗驗證的LAD，在微重力環境下，能夠實現相應的分離性能。

2)網幕的選取是決定LAD性能的關鍵，應對復雜的重力環境時，應在保證泡破壓力足夠大的前提下，進一步選取大臨界質量流率的網幕。DT-450×2 750網幕兼顧了泡破壓力和臨界流率的雙重要求，可以作為未來液氫貯箱LAD網幕的優先選擇。

3)網幕泡破壓力隨著網幕編織密度增大而提高。直接降低流體溫度可以顯著增大表面張力(液氫溫度由21 K降至20 K時，泡破壓力增幅約8%)，采用不凝性氣體(如氦氣)作為增壓氣體可以間接降低流體溫度從而增大表面張力(增幅約10%)，均實現了提高網幕泡破壓力、優化LAD氣液分離性能的目的。