毕业论文（设计）充注率及压力控制带对TVS作用下储箱增压特性的影响.docxVIP

充注率及压力控制带对TVS作用下储箱增压特性的影响 摘 要：在以R141b为气液相变存储介质的室温温区热力学排气系统（TVS）模拟装置上，进行了充注率分别为35%、50%、65%和压力控制带分别为80~85 kPa、80~90 kPa、80~95 kPa的储箱压力控制实验研究。获得了充注率及压力带对TVS作用下储箱增压特性和排气损失的影响规律。 关键词：储箱；热力学排气；充注率；压力控制带；自增压 0 前言 在深空探测任务中，低温推进剂不但要满足运载火箭发射短时间使用，而且要适应未来长时间在轨任务的需求。低温推进剂外层空间的交变热辐射对绝热储箱内的低温推进剂长期贮存提出了巨大挑战。就热力学考虑而言，容器背阳面的冷辐射将使得储箱内该侧流体过冷，而太阳辐射照面的热辐射将引起该侧低温液体的蒸发与过热。另一方面，受照侧液体的汽化占主导地位，它将导致储箱内部压力的快速增高，当达到储箱设计许用值时必须给予排放。然而，在空间微重力条件下，气液不明显分离，常规的排气方法不再适用，因为排气必然夹带液体，从而造成严重的质量损失。由罗克韦尔公司（现波音公司）提出的喷射棒型热力学排气系统（TVS）[1]是一项能够实现微重力环境储箱内低温推进剂蒸发损失达到最小这一目标的有效解决方案。它不仅不依赖于储箱内气液界面位置的分布情况，而且可以充分利用所排放气体节流后的温降，冷却储箱内剩余推进剂，在双重作用下有效地控制储箱压力。 1999~2014年间，美国NASA的Hastings等人[2-6]在多用途氢测试台（MHTB）上先后进行了不同充注率和环境漏热下的液氮、液氢和液态甲烷贮存实验来考察喷射棒型TVS的性能。其实验结果表明，喷射棒型TVS能有效地将储箱内这几种流体的压力控制在6.9 kPa变化范围内。国内在低温推进剂长期在轨储存研究方面才刚刚起步，大多停留在文献的搜集和调研层面[7-10]，也有初步方案的讨论和论证工作[11-12]，而其中热力学排气的相关实验研究鲜有报道，与国际先进水平仍有较大差距。为了尽快掌握有关低温推进剂管理的核心技术，亟需开展热力学排气相关技术的实验研究工作。然而，一方面一步到位搭建一套直接针对液氢、液氧等低温推进剂的热力学排气测试系统组件研制技术难度大、安全要求高、设备和实验成本昂贵。另一方面，开展相关的热力学排气系统理论仿真需要丰富的实验数据作为对比和检验参照。基于上述现实和需求，本文设计和研制了一套工作于室温温区的喷射棒型热力学排气系统模拟装置，用于在安全可靠和低成本的先决条件下，摸索和揭示用于气液相变流体的热力学排气技术的基本共性规律。寻找一种沸点温度在室温附近、同样具有明显气液相变和节流正效应的模拟工作进行TVS机理研究具有重要意义。制冷剂R141b无毒、不易燃（空气中燃爆体积浓度范围为5.6~17.7%），安全性高，和NASA用来作为模拟工质的LN2及用来作为推进剂的LO2除了沸点温度差异较大外，其他物性参数如潜热、比热容等的差别不大。相较于用液氮（正常沸点-196℃）作为模拟工质，R141b一个大气压下其沸点为32.05℃，适合室温温区进行热力学排气过程模拟要求，因而被选用作为该套系统性能测试工质。 热负荷、充注率、压力控制带是影响热力学排气工作的重要影响因素。热负荷对TVS性能的影响已在论文[13]中进行了分析，本文利用上述热力学排气系统模拟装置，则研究了充注率（35%、50%、65%）和压力控制带（80-85kPa、80-90kPa、80-95kPa）对热力学排气系统作用下储箱自增压特性及排气损失的影响。 1 实验装置 实验系统主要由储箱、循环泵、换热喷射装置、节流阀、补气增压管路、各类传感器、数据采集与自动控制单元、电加热等组成，流程图如图1所示。 1-计算机，2-氮气瓶，3-数据采集器，4-PLC，5-差压液位计，6-电磁阀，7-手动球阀，8-过滤器，9-流量计，10-循环泵，11-节流阀，12-喷射棒，13-换热器，14-电加热，15-内部设备固定杆，16-温度计布点，17-储箱，18-压力传感器 图1 热力学排气实验系统流程图 其中储箱为直径450 mm，高790 mm，壁厚3 mm的圆筒体（如图2所示），两端分别为上封头与下封头，上封头通过连接法兰与储箱主体相连，实现储箱的敞开和密闭；在储箱内设置一垂杆，在垂杆上等间距布置有温度传感器，用于测量储箱内部流体沿储箱轴向温度梯度；换热喷射装置采取套管式结构，将两股流体换热与其中一股返回储箱的流体喷射双重功能耦合为一体。传感器主要包括分别用于测量温度、压力、液体流量、气体流量、液位的PT100铂电阻、压力传感器、气体流量计、液体流量计和差压液位计，其量程及精度如表1所示；差压液位传感器布置在储箱外底部，与差压液位传感器相连的气相引压管与液相引压管均沿储