一种新型EHD空间燃料贮箱气液相分离管理系统-钱学森试验室.pdf

一种新型EHD 空间燃料贮箱气液相分离管理系统 马 蓉 （钱学森空间技术实验室空间技术与应用基础研究部，北京100094） 1 工作背景 随着人类空间开发与利用规模的迅速扩大，航天器为执行飞行任务，满足其 功能、性能要求，对流体工质燃料的需求量越来越大，其工作任务周期直接受到 航天器上可消耗流体物质装载量的限制，近几年来以航天器维护、维修等为主要 目的的各类航天器在轨服务技术得到了广泛关注和研究，其中，在轨加注技术作 为在轨服务流体管理的核心关键技术之一，要求在微重力条件下把无蒸汽的单一 液体以特定的热力学状态从贮箱输送到需要加注液体的航天器贮箱中。 微重力条件下的流体有效管理是一个复杂的过程，尽管国内外航天大国在航 天器加注贮箱设计和正常运行期间流体管理等方面积累了丰富的经验，但由于微 重力的特殊环境存在，推进剂燃料的加注过程与地面存在很大差别。在空间微重 力环境下，贮箱内液体的气液相不会由于两相密度差异而自然分层，而是在表面 张力等次级力的作用下，气液共同悬浮在贮箱内呈不规则分布，因此无法预测其 具体分布。随着加注量的增加，气液分布的状态会发生很大变化，同时由于压力 的变化，加注速度也会产生相应的变化。为了保障供给空间燃料贮箱为单相液体， 有必要对微重力条件下贮箱内的燃料工质通过流体管理装置进行有效管理，其主 要作用是在燃料流体管理过程中实现气液相分离，强化输运并使燃料工质保持稳 定状态，防止微重力条件下由于燃料的不可控运动而导致航天器失稳。 目前航天器上普遍采用表面张力贮箱作为燃料液体管理装置，它利用表面张 力进行液体输送和气液分离，为航天器提供不夹气的燃料，不仅要满足航天器供 给燃料的需求，还要在燃料加注和排放过程中对燃料进行有效管理。在燃料加注 和排出输运过程中，如果贮箱遇到外界干扰晃动或流体流动速度较大时，表面张 力贮箱仍然无法彻底实现气液分离并完全保证为需要加注液体的航天器贮箱提 供不夹气的燃料，因此急需发展一种新型的可以主动强化控制微重力液体燃料气 液相分离的空间燃料贮箱流体管理系统。 2 技术方案 针对上述问题，通过引入电水动力学 EHD 理念，利用电场、流场和相界面 之间的耦合作用，提出“一种新型 EHD 空间燃料贮箱气液相分离管理系统（专 利受理号201610206723.6 ）”，可以稳定、有效地对在轨服务流体管理中流体工质 燃料的气液相分布进行主动控制，保证在微重力条件下把燃料以特定的温度和压 力从贮箱输送到需要加注液体燃料的航天器贮箱时，不会出现气液掺杂的现象， 解决了在轨加注流体管理气液分离难题，从而有效提升了微重力环境下气液相分 离主动控制能力和在轨服务流体管理水平；并为航天系统微重力流体的气液相分 布控制系统的研究和设计提供了一种全新方法和技术手段。 据Panofsy 和Philips 电磁学理论，推导出电场中的流体所受到的电场力 可 F e 表示为: 1 2 1 2  F qE  E   [E ( ) ] e 2 2  t  式中:E 为电场强度(V/m)； 为介电常数(F/m)；q 为流体中所含自由电荷密 2  度(C/m )； 为流体密度；t 为液体的温度。介电常数 表示电场线穿透介电物质  的容易程度，在高介电常数的流体中，电场将减弱，气体的介电常数总比液体小； 电场空间电荷密度q 表示液体中自由离子的数目。式中等号右边第一项 代表