[发明专利]卫星电推进工质氙气的充装特性测试方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种卫星电推进系统氙气的工质充装特性测试的方法，特别是涉及基于burnnet法(等温膨胀法)与定容法相结合的高精度卫星电推进工质氙气充装特性测试方法。

背景技术

卫星电推进系统工质为氙气，由于氙气分子量大、熔点高、沸点高及临界点高等特殊的物理性质，电推进系统工质氙气充气加压、发射场加注及在轨存储使用等存在众多未知因素，安全风险高，氙气地面存储、测试、加注及在轨存储使用技术难度也较大，无相应的技术基础及试验数据。氙气是一种单原子分子气体，其原子序数为54，原子量为131.3，十分不活泼，不能燃烧，也不助燃。氙气在常温常压下为无色透明气体，纯氙在常温常压下的密度为5.761kg/m³，是天然稀有气体中分子量最大、密度最高的一个，大约是地球表面大气密度的4.5倍。在标准大气压下，氙气的熔点是-112℃，沸点是-108℃。氙的三相点为-112℃，81.6kPa。液态氙的密度在三相点处达到最大，为3.100g/cm³，固态氙的密度为3.640g/cm³。氙的临界点为289.77K(16.6℃)，5.841MPa，氙气在此压力、温度之上转化为超临界流体。氙气的临界密度约为1.091g/cm³到1.119±0.011g/cm³不等。氙气在空气中的含量为8.6×10^-8(86ppb)，具有9种同位素，因此，氙气具有极其特殊的属性。氙气热物理性质的研究可以追溯到1912年Patterson等的工作，至美国NIST的Gillis等在2004年对氙气的临界参数的展开测量，他们测量了氙气的临界参数、沸点及沸点下的蒸气密度等性质，但测量的方法及参数较单一，且都处于单相区，而本方法主要关注氙气的饱和蒸气压和pvT性质，涉及的区域包括单相区、两相区、临界区和超临界区，建立氙气在全区域范围可用的充装测试方法及数据库，Burnett法是测量氙气的饱和蒸气压和pvT性质的基础，该方法在段远源编著的《三氟碘甲烷和二氟甲烷的热物理性质研究》(高等教育出版社)2.2.1“Burnett法原理”中详细描述。

Burnett法测试装置的原理图如图1所示，测试装置的本体由两个容器组成，主容器容积为V1，膨胀容器的容积V2，两容器间通过小直径管道由阀门连接，整个装置处于同一恒温环境下。在测试前将两容器分别抽成真空，关闭两容器之间的膨胀阀，向容器V1中充入工质，稳定后工质压力为p₀，压缩因子为Z₀，则有

Z₀＝p₀V₁/(n₀RT)   (2)

式1中，n₀为充注的摩尔数，T为热力学温度，R为通用气体常数。打开膨胀阀，使气体由容器V1向容器V2已抽真空)膨胀，待平衡后，关闭阀门，再次测量容器V1中工质的压力为p₁，其后重复关闭膨胀阀、容器V2抽真空、打开膨胀阀、记录新压力值这一过程压力和温度，直至膨胀压力足够低。这样就得到了一条等温线上的一系列膨胀压力值：p₀、p₁、p₂…p_r，其中p_r为第r次膨胀后的压力，p_r-1/p_rp_r曲线和p_r曲线。当气体压力趋于零时，其压缩因子趋近于1，容积常数N₀和充气常数A分别可表示成如下的极限形式

N0=limpr→0pr-1pr---(3)]]>