莊保堂，李 永，潘海林，胡 齊，李 澤

(北京控制工程研究所，北京100190)

學(xué)術(shù)研究

微重力環(huán)境下導(dǎo)流葉片流體傳輸速度的試驗(yàn)研究*

莊保堂，李 永，潘海林，胡 齊，李 澤

(北京控制工程研究所，北京100190)

導(dǎo)流葉片是板式表面張力貯箱的關(guān)鍵部件之一，微重力條件下，它的流體傳輸性能決定了表面張力貯箱的推進(jìn)劑管理能力.搭建導(dǎo)流葉片模型試驗(yàn)系統(tǒng)，針對不同截面形狀的導(dǎo)流葉片模型的流體傳輸行為進(jìn)行微重力落塔試驗(yàn)研究，得到微重力環(huán)境下導(dǎo)流葉片流體傳輸規(guī)律.試驗(yàn)結(jié)果表明，不同截面形狀的導(dǎo)流葉片對流體傳輸性能有較大影響，合理設(shè)計(jì)導(dǎo)流葉片截面形狀可有效地控制液體傳輸速度，并且為推力器提供不夾氣的推進(jìn)劑.該試驗(yàn)成果不僅為新型板式流體管理部件優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考，同時(shí)也為空間環(huán)境下流體控制提供了一種新的方法.

微重力;導(dǎo)流葉片;流體管理;落塔試驗(yàn)

板式流體管理裝置是利用液體表面張力對空間環(huán)境下流體實(shí)行主動(dòng)管理和控制的新型裝置，以板式結(jié)構(gòu)為主，它利用液體表面張力通過導(dǎo)流葉片來實(shí)現(xiàn)氣液分離、液體傳輸、蓄留定位和排放，克服網(wǎng)式管理裝置重量大、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低、加注速度慢的缺點(diǎn)，可以滿足各種流量需求，并適應(yīng)于不同的微重力環(huán)境，尤其是微重力水平相對較低的大型衛(wèi)星平臺，是當(dāng)前最先進(jìn)的空間流體管理裝置.

導(dǎo)流葉片是板式流體管理裝置的核心部件，通過它可以實(shí)現(xiàn)流體的供給和氣液分離，它決定了板式推進(jìn)劑管理裝置能否為推力器提供充足不夾氣的推進(jìn)劑，并能有效抑制液體晃動(dòng)，有助于提高航天器控制精度.國外從上世紀(jì)70年代就開始了對微重力環(huán)境下的板式結(jié)構(gòu)管理流體的機(jī)理進(jìn)行研究，投入了巨大的人力和物力，進(jìn)行了大量相關(guān)的微重力試驗(yàn)，取得了眾多研究成果[1-12].目前，國內(nèi)尚未開展關(guān)于板式管理裝置的微重力試驗(yàn)研究工作，國外研究成果起到一定的借鑒作用.本文設(shè)計(jì)了不同截面形狀的導(dǎo)流葉片，通過落塔試驗(yàn)揭示流體在導(dǎo)流葉片作用下的流動(dòng)規(guī)律，對板式管理部件的流體管理機(jī)理進(jìn)行深入的試驗(yàn)研究，為板式貯箱管理裝置在空間流體管理的應(yīng)用奠定基礎(chǔ).

1 微重力落塔試驗(yàn)系統(tǒng)

微重力落塔試驗(yàn)?zāi)軌蛱峁┑奈⒅亓r(shí)間較短，但可以提供重力加速度相對較低的微重力環(huán)境，使用縮比模型可以彌補(bǔ)微重力試驗(yàn)時(shí)間短的缺陷，是最常用的微重力試驗(yàn)手段.

本文的微重力落塔試驗(yàn)在國家微重力試驗(yàn)室百米落塔上進(jìn)行[13]，百米落塔自由落體實(shí)驗(yàn)設(shè)施提供的微重力時(shí)間約為3.6s，微重力加速度接近10-5g0.這套設(shè)施由實(shí)驗(yàn)艙組件、減速回收系統(tǒng)、釋放系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)以及輔助設(shè)施組成，微重力落塔試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示.

圖1 微重力落塔試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Sketch map ofμ-g drop tower test system

整個(gè)系統(tǒng)的核心是試驗(yàn)艙組件，它是落塔試驗(yàn)系統(tǒng)中搭載試件的重要專用設(shè)備，落艙分為雙艙、單艙兩種類型.雙艙由內(nèi)艙和外艙組成的雙層套艙，內(nèi)外艙間抽真空，真空度不大于30Pa，試驗(yàn)裝置達(dá)到10-5g0的量級甚至更優(yōu)的微重力水平.本文研究選用了雙艙型落艙，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示.

圖2 雙艙結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Sketch map of double-cabin

根據(jù)微重力落塔試驗(yàn)研究要求，搭建模型試驗(yàn)系統(tǒng).該試驗(yàn)系統(tǒng)由試驗(yàn)?zāi)Ｐ?、試?yàn)支架、照明裝置、圖像采集裝置等組件構(gòu)成，可以進(jìn)行板式管理部件流體行為的微重力試驗(yàn)驗(yàn)證.模擬試驗(yàn)系統(tǒng)采用4路CCD視頻圖像輸出設(shè)備，拍攝速率均為25幀/s.

2 導(dǎo)流葉片試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用5種不同橫截面形狀的導(dǎo)流葉片模型，如圖3所示.靠近液槽內(nèi)壁面處導(dǎo)流葉片直邊相對值a1/a0、a2/a0、a3/a0、a4/a0、a5/a0(a5為零，未標(biāo)出)分別為1、5/6、1/2、1/3、0，導(dǎo)流葉片寬度 b0保持不變，總高度h0為恒定值(浸沒在模擬液中的高度除外)，分別對應(yīng)于Model 1～Model 5.

試驗(yàn)液槽和導(dǎo)流葉片均采用有機(jī)玻璃材料，其折射率為1.491，透光率約為90%.導(dǎo)流葉片固定在透明的試驗(yàn)液槽箱體上，與箱體壁面平行且相對間隔距離c/a0為1/6，箱體內(nèi)裝有模擬液相對深度hl/ h0為1/19，為了減少試驗(yàn)次數(shù)，每個(gè)液槽中放置兩個(gè)導(dǎo)流葉片模型組成一個(gè)試驗(yàn)單元，導(dǎo)流葉片之間以及導(dǎo)流葉片與液槽兩側(cè)之間有足夠的距離，防止相互之間產(chǎn)生流動(dòng)干擾.導(dǎo)流葉片的放置方式如圖4所示.

相對于水、真實(shí)推進(jìn)劑，無水乙醇具有泡破點(diǎn)低、無污染等優(yōu)勢，故一般采用無水乙醇作為推進(jìn)劑的試驗(yàn)?zāi)M介質(zhì)，其與有機(jī)玻璃的靜態(tài)接觸角近似0°.無水乙醇的詳細(xì)物性參數(shù)見表1.其中，σ為表面張力系數(shù)，μ為無水乙醇粘度，ρ為無水乙醇密度，Nd為折射率，θ為接觸角.

圖3 不同截面形狀的導(dǎo)流葉片模型Fig.3 Propellant acquisition vanesmodel with different section forms

圖4 導(dǎo)流葉片縮比模型放置方式Fig.4 Arrangementmode of reduced-scale model of propellant acquisition vanes

表1 無水乙醇的物性參數(shù)(C2H5OH，20℃)Tab.1 Performance parameter of absolute alcohol (C2H5OH，20℃)

3 試驗(yàn)結(jié)果及討論

針對5種不同橫截面形狀的導(dǎo)流葉片模型，分別進(jìn)行微重力落塔試驗(yàn)，主要研究不同截面形狀對液體傳輸速度的影響.圖5分別給出了Model 1～Model 5不同截面形狀導(dǎo)流葉片的液體傳輸高度隨微重力時(shí)間變化過程的微重力落塔試驗(yàn)圖片.圖中橫向?yàn)槲⒅亓r(shí)間，分別選擇0.0s、0.5s、1.0s、1.5s、2.0s、2.5s、3.0s等7個(gè)微重力時(shí)刻，縱向?yàn)橐后w傳輸高度，個(gè)別圖片中的橫線表示液體彎曲液面頂端的高度.

圖5 不同模型中液體傳輸過程的微重力落塔試驗(yàn)Fig.5 Microgravity tower test of liquid transfer in differentmodel

從試驗(yàn)圖片可以看出，落艙下落之前(0s時(shí)刻)，潤濕的無水乙醇在導(dǎo)流葉片與液槽內(nèi)壁面之間形成了向上彎曲的凸形液面，液面曲率半徑較大，呈扁平狀.這是由于導(dǎo)流葉片與液槽內(nèi)壁面之間的尺度較小，表面張力作用顯著，在表面張力和靜壓力共同作用下，產(chǎn)生凸形液面現(xiàn)象.當(dāng)落艙釋放后，重力加速度水平突然減小至10-5g0左右，靜壓作用力幾乎消失，表面張力起主要作用，液體沿著導(dǎo)流葉片爬升，氣液分界面曲率半徑相對于1g0時(shí)較小.從圖片中可以直觀地看到，不同模型的液體傳輸速度有較大差異，Model 2和Model 3的液體傳輸速度較快，而Model 5的液體傳輸速度最慢，Model 1的液體傳輸速度與Model 4相比較快，兩者的傳輸速度介于介于Model 2與Model 5之間.每隔0.04s測量圖片中彎曲液面頂端位置高度，得到不同模在不同微重力時(shí)間的液體傳輸距離.為了考察微重力環(huán)境下導(dǎo)流葉片液體傳輸規(guī)律，得到相對傳輸高度h/h0隨相對時(shí)間t/t0和 (t/t0)1/2的變化曲線，如圖6和圖7所示.t0為3s的微重力時(shí)間.

圖6 不同模型液面?zhèn)鬏敻叨入S時(shí)間的變化關(guān)系Fig.6 Relation of gas-liquid interface high with time in differentmodel

圖7 不同模型液面?zhèn)鬏敻叨入St1/2的變化關(guān)系Fig.7 Relation of gas-liquid interface high with t1/2in differentmodel

結(jié)合圖5，通過對圖6～7圖的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以得到以下試驗(yàn)結(jié)論:

(1)微重力環(huán)境下，液體沿著導(dǎo)流葉片傳輸過程分為兩個(gè)主要階段，即重力作用突然消失后液面重定位階段和表面張力起主要作用的穩(wěn)定傳輸階段.

如圖6中虛線所示，相對時(shí)間0＜t/t0＜0.053 (絕對時(shí)間0＜t＜0.16s)時(shí)為第一階段，液體的慣性力其主要作用，液體傳輸速度較快，氣液界面變化明顯，液體傳輸?shù)淖畲笙鄬Ω叨冗_(dá)到0.21.隨著微重力時(shí)間增加，傳輸速度開始減小，表明在此過程中慣性力作用逐漸減弱，而粘性力的作用逐漸增強(qiáng).

t/t0＞0.053時(shí)為第二階段，即液面重定位后液體穩(wěn)定傳輸過程.如圖中虛線所示，此時(shí)刻對應(yīng)的相對時(shí)間方根 (t/t0)1/2為0.23.可以看出，該階段液面隨著微重力時(shí)間穩(wěn)步上升，不同模型的傳播速度開始出現(xiàn)較大差異，同時(shí)相對高度h/h0與相對時(shí)間方根(t/t0)1/2呈現(xiàn)較強(qiáng)的線性相關(guān)性，即微重力條件下導(dǎo)流葉片液面?zhèn)鬏敻叨扰c時(shí)間方根t1/2成正比. Weislogel等人[14-15]用試驗(yàn)方法研究的圓管內(nèi)的毛細(xì)驅(qū)動(dòng)流，得到了傳輸高度隨時(shí)間方根t1/2的變化關(guān)系，本文研究結(jié)果與其相似.

(2)微重力環(huán)境下，不同導(dǎo)流葉片截面形狀對液體傳輸速度有顯著影響.

可以看出，導(dǎo)流葉片Model 2和Mode 3的液體傳輸速度最快，兩者相差不大，而Model 5的液體傳輸速度最慢.即靠近液槽內(nèi)壁面處導(dǎo)流葉片橫截面直邊相對值(a1/a0、a2/a0…)與液體沿導(dǎo)流葉片的傳輸速度有關(guān)，當(dāng)相對值為1/2和5/6時(shí)，液體傳輸速度最快，其余相對值為1、1/3、0時(shí)依次減慢.因此，設(shè)計(jì)導(dǎo)流葉片截面形狀時(shí)應(yīng)盡量保證直邊相對值在1/2～5/6之間.對于導(dǎo)流葉片橫截面直邊相對值為0的Model 5中，液體在3s時(shí)間內(nèi)爬升相對高度僅0.62，且在后半段時(shí)間里爬升速度緩慢.在設(shè)計(jì)板式管理裝置時(shí)，應(yīng)盡量避免使用該截面形狀的導(dǎo)流葉片，尤其對于純導(dǎo)流葉片裝置，否則可能無法實(shí)現(xiàn)為發(fā)動(dòng)機(jī)或推力器提供無夾氣的推進(jìn)劑，嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)或推力器的運(yùn)行穩(wěn)定性.這一試驗(yàn)結(jié)果為新型板式管理裝置設(shè)計(jì)優(yōu)化提供參考.另一方面，這也提供一種在微重力條件下進(jìn)行液面控制的方法，即改變導(dǎo)流葉片橫截面形狀可以效地控制液體的傳輸速度，有效地抑制液面爬升，為空間環(huán)境下流體控制提供了一種新的方法.

4 結(jié) 論

本文通過不同截面形狀的導(dǎo)流葉片流體傳輸性能的微重力落塔試驗(yàn)，得到以下主要結(jié)論:

(1)導(dǎo)流葉片截面形狀是影響流體傳輸速度的主要因素之一，合理設(shè)計(jì)導(dǎo)流葉片截面形狀，可有效地控制空間液體的傳輸性能，建議設(shè)計(jì)導(dǎo)流葉片截面形狀時(shí)應(yīng)盡量保證直邊相對值在1/2～5/6之間.通過該試驗(yàn)得到不同導(dǎo)流葉片截面形狀對流體傳輸性能的影響規(guī)律，為新型板式管理部件設(shè)計(jì)優(yōu)化提供參考，可以用于板式表面張力貯箱的研制，并為空間環(huán)境下流體控制提供了一種新的方法，提高空間環(huán)境下流體的管理和控制水平.

(2)獲得了微重力條件下導(dǎo)流葉片流體傳輸特性和液面分布規(guī)律，驗(yàn)證了板式部件流體傳輸和管理特性，對后續(xù)板式貯箱設(shè)計(jì)及導(dǎo)流葉片優(yōu)化提供了有價(jià)值的試驗(yàn)資料.同時(shí)，該試驗(yàn)成果可以推廣到航天器熱控、生命保障、液態(tài)物質(zhì)處理等流體管理系統(tǒng)中.

[1] Tegart J，W right N T.Double perforated plate as a capillary barrier[J].AIAA-83-1379

[2] Reagan M K，Bowman W J.Analytical and experimental modeling of zero/low gravity fluid behavior[J]. AIAA87-1865

[3] Jaekle D E.Propellant management device conceptual design and analysis:vane[J].AIAA-91-2172

[4] Reagan M K，Bowman W J.Transient studies of G-induced capillary flow[J].Journal of Thermophysics and Heat Transfer，1999，13(4):537-543

[5] Strange M，Wolk G，Dreyer M，et al.Drop tower tests on capillary flow in open vanes under lateral acceleration [J].AIAA 2000-3443

[6] De Lazzer，Armin S，Dreyer M，et al.Influence of lateral acceleration on capillary interfaces between parallel plates[J].M icrogravity Science and Technology，2003，14(4):3-20

[7] Jaekle D E.Design&development of a communications satellite propellant tank[J].AIAA-95-2529

[8] Collicott S H.Convergence behavior of surface evolver applied to a generic propellant-management device[J]. Journal of Propulsion and Power，2001，17(4):845-851

[9] Weislogel M M.Capillary flow in interior corners:The infinite column[J].Physics of Fluids，2001，13(11): 3101-3107

[10] Collicott SH.Initial experiments on reduced-weight propellantmanagement vanes[J].AIAA-2000-3442

[11] Chen Y，Weislogel M M，Nardin C L.Capillary-driven flows along rounded interior corners[J].Journal of Fluid Mechanics，2006，6(6):235-271

[12] 侯瑞，段俐，胡良，等.微重力下容器圓形倒角處的毛細(xì)驅(qū)動(dòng)流[J].實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)，2008，22(2):74-78 Hou R，Duan L，Hu L，et al.Capillary-driven flows along rounded interior corners in microgravity[J].Journal of Experiments in Fluid Mechanics，2008，22(2):74-78

[13] 張孝謙，袁龍根，吳文東，等.國家微重力實(shí)驗(yàn)室百米落塔試驗(yàn)設(shè)施的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)[J].中國科學(xué)，E輯，2005，35(5):523-534 Zhang X Q，Yuan L G，Wu W D，et al.Key technologies of hectometer drop tower test facility of national microgravity laboratory[J].Science in China，Ser.E，2005，35(5):523-534

[14] Burguete JN，Daviaud F，Carnier N，et al.Buoyant-thermocapillary instabilities in extended liquid layers subjected to a horizontal temperature gradient[J].Physics of Fluids，200 l，13(10):2773-2787

[15] Shevtsova V M，Nepomnyashchy A A，Legros J C.Themocapillary-buoyancy convection in a shallow cavity heated from the side[J].Physical Review E，2003，67 (6):066308，1-14

Experim ent Investigation on Transportation Velocity of the Fluid on Propellant Acquisition Vanes under M icrogravity Environm ent

ZHUANG Baotang，LIYong，PAN Hailin，HU Qi，LIZe
(Beijing Institute of Control Engineering，Beijing 100190，China)

Propellant acquisition vanes(PAV)are the key parts of vane-type surface tension tank (STT)，and its transportation performance of fluid will determ inemanagement ability of STT undermicrogravity environment.In present paper，amodel test system is established.Based on experimental study of fluid transportation behavior of propellant on the PAV with different section forms conducted on microgravity drop tower，some important conclusions are obtained.According to experimental tests，PAV with different section forms influences the fluid transportation performance of STT remarkably.Thus，it is an effective way to control liquid transportation velocity by reasonably design of section form of PAV，and it used to supply pressurized hydrazine fuel to the spacecraft's propulsion system thrusters.Present experimental results can not only provide a guideline for optimized design of new-style vane type management assembly，but also present a new way for liquid control in space environment.

microgravity;propellant acquisition vanes;fluid management;drop tower test

V43

A

1674-1579(2012)06-0001-05

莊保堂(1982—)，男，工程師，研究方向?yàn)楹教炱魍七M(jìn)技術(shù)與微重力流體流動(dòng)理論;李 永(1977—)，男，高級工程師，研究方向?yàn)樾l(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)、推進(jìn)劑貯箱設(shè)計(jì)、微重力下的流動(dòng)機(jī)理、先進(jìn)流動(dòng)測量技術(shù);潘海林(1960—)，男，研究員，研究方向?yàn)樾l(wèi)星推進(jìn)技術(shù);胡 齊(1985—)，男，助理工程師，研究方向?yàn)橥七M(jìn)劑貯箱設(shè)計(jì);李 澤(1985—)，男，助理工程師，研究方向?yàn)橥七M(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì).

*國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(2011AA7045038).

2012-04-11

DO I:10.3969/j.issn.1674-1579.2012.06.001