[发明专利]板式贮箱流体传输性能验证的微重力试验系统及试验方法

说明书

技术领域

本发明涉及板式贮箱在微重力条件下流体传输性能的试验验证技术领域，可以推广应用于各种板式贮箱缩比模型的微重力落塔试验。

背景技术

“十一五”期间，完成了航天器在轨加注用28L板式表面张力贮箱的设计工作，制作了样机模型，进行了推进剂在轨加注过程的地面演示试验。该演示试验只能对板式表面张力贮箱的局部性能进行验证，无法真实反映其在空间环境下利用表面张力对流体的管理、控制和传输能力。因此，必须进行大量的微重力试验，对板式表面张力贮箱的流体传输性能进行深入研究。

对于微重力试验环境，可以通过落塔、飞机抛物线飞行、空间搭载等手段提供，其中飞机抛物线飞行不能提供较高的微重力水平，只能进行一些对微重力条件要求不高的试验研究；空间搭载是进行微重力试验最好的手段，但是费用昂贵，机会很少；而落塔试验由于能够提供较高的微重力水平，试验费用较低，使用缩比模型可以弥补微重力试验时间短的缺陷，成为最重要的研究手段。故自2011年6月起，针对28L板式表面张力贮箱进行缩比设计，采用落塔试验的方法对贮箱缩比模型内流体传输过程进行了微重力试验研究。

为了实现板式表面张力贮箱模型内流体的传输，搭建了一种由缩比试验模型、图像采集装置、自锁阀、氮气瓶、气路控制台和试验管路等组成的流体传输试验系统，明确了试验系统的整体方案和功能，总结得出了适用于板式贮箱流体传输性能验证的简单、可靠、可行的微重力试验方法。运用该试验方法，完成了28L板式表面张力贮箱缩比模型流体传输特性和液面重定位过程试验，验证了微重力环境下板式贮箱的流体管理和传输能力。

国外从上世纪70年代就开始了对微重力环境下的板式结构流体传输性能进行研究，投入了巨大的人力和物力，进行了大量相关的微重力试验，利用落塔试验、飞机抛物线飞行试验、空间搭载试验等手段取得了众多研究成果。美国Ford Aerospace公司的T.P.Yeh在1987年对组合的板式结构性能进行了研究，通过微重力落塔试验研究了其对流体管理的综合性能，包括流体在微重力作用下验证板式部件的爬升能力，以及液体在重定位过程中板式部件抑制液体晃动的能力，试验在Santa Clara大学的落塔上进行，文章为“M.K.Reagan，W.J.Bowman.Analytical and experimental modeling of zero/low gravity fluid behavior.AIAA87-1865”；莱特航空发展中心的M.K.Reagan和W.J.Bowman在1994年研究了沟槽状板式部件在微重力环境下的流动传输机理，通过落塔试验得到了不同时刻流体在沟槽内的三维分布，文章为“M.K.Reagan，W.J.Bowman.Transient studies of G-induced capillary flow.Journal of Thermophysics and Heat Transfer.v13n4 1999”；Purdue大学的Yon然ang Chen和Steven H.Collicott在2004年对圆柱型容器板壁间的表面张力驱动流进行了落塔试验研究，得到了几何参数、接触角、流体粘性、粗糙度、板的厚度以及板的倾斜角对驱动速度的影响，并对界面轮廓线在时间和空间上的分布规律进行了深入研究，文章为“Chen，Y，Weislogel M.M，Nardin C.L.Capillary-driven flows along rounded interior comers.Journal of Fluid Mechanics，Vol.566，2006，p235-271”；国外在板式管理装置研制方面进行了多次空间搭载试验，其中典型的有FARE2项目、VTRE项目和NASA在国际空间站上进行的一系列微重力环境下流体传输性能试验项目，文章分别为“S.Dominick，J.Tegart.Orbital Test Results of a Vaned Liquid Acquisition Device.AIAA94-3027”、“David J，Timothy A.Vented Tank Resupply Experiment-Flight Test Results.AIAA97-2815”、“Mark M.Weislogel，Steven H.Collicott，et al.The Capillary Flow Experiments：Handheld Fluids Experiments for International Space Station.AIAA2004-1148”。