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,由充液贮箱模型、被充液贮箱模型、自锁阀、自锁阀控制器、图像采集装置、放气阀、氮气瓶、加气阀、气路控制台、加液阀、模拟液箱及管路三通等组件构成板式贮箱流体传输性能验证的微重力试验系统,其中落塔双舱试验模块用于测量和验证板式贮箱内流体传输行为,控制流体传输时间,地面加注与控制模块在落塔试验前为充液贮箱模型充氮气和加注推进剂模拟液,待试验开始后,将地面加注与控制模块与落塔双舱试验模块断开。试验系统及方法具有结构紧凑、自锁阀自动控制与微重力时间协调匹配性强、占用空间小、回路密封性好、模型置换容易、摄像观察方便等优点。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及板式贮箱在微重力条件下流体传输性能的试验验证
,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。
技术介绍
“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/lowgravity fluid behavior. AIAA87-1865”;莱特航空发展中心的 Μ· 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, ff. J. Bowman. Transient studiesof G—induced capillary flow. Journal of Thermophysics and Heat Transfer. vl3n41999” ;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 Μ. M, Nardin C. L. Capillary-drivenflows 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 aVaned Liquid Acquisition Device. AIAA94_3027”、“David J, Timothy A. Vented TankResupply Experiment-FIight Test Results. AIAA97_2815”、“Mark M. ffeislogel, StevenH. Collicott, et al. The Capillary Flow Experiments Handheld Fluids Experimentsfor International Space Station. AIAA2004-1148,,。由于板式贮箱等板式管理装置的研制和相关试验验证技术涉及到国家安全,掌握了该项技术的国家往往进行技术封锁,国外能够提供的资料很不全面,只能起一定的借鉴作用,发表的相关文章中均为提及详细的试验系统设计和试验验证方法,对板式贮箱的机 理研究需要自行搭建试验系统,开展大量的微重力试验,总结微重力试验验证方法,得到充分的第一手资料,这些基础资料是不可能从国外文献中获得的。综上所述,板式表面张力贮箱流体传输性能试验系统和试验方法是进行“航天器在轨加注技术研究”课题过程中摸索和总结的成果,整个系统和试验方法均是全新的,国内没有相关的文献和资料可以借鉴,国外也极少公开纰漏类似试验系统和试验方法。为了实现贮箱流体传输性能验证,结合生产过程的实践和经验,首次提出了板式表面张力贮箱流体传输性能的试验系统和试验方法。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是克服现有技术的不足,提供一种板式表面张力贮箱流体传输性能试验系统和试验方法,能够有效地验证微重力环境下板式贮箱的流体管理和传输能力。本专利技术的技术解决方案是板式贮箱流体传输性能验证的微重力试验系统,包括地面加注与控制模块和落塔双舱试验模块两部分;所述地面加注与控制模块,在落塔试验前为落塔双舱试验模块充氮气和加注推进剂模拟液;地面加注与控制模块包括氮气瓶(7)、加气阀(8)、气路控制台(9)、加液阀(10)和模拟液箱(11);氮气瓶(7)通过加气阀(8)、气路控制台(9)依次连接;模拟液箱(11)和加液阀(10)连接;模拟液箱(11)内部盛装有推进剂模拟液;加气阀(8)用于控制氮气气源开闭,气路控制台(9)用以调整注入充液贮箱模型(I)的氮气量,通过调节加液阀(10)开度,用以限制注入充液贮箱模型(I)中的推进剂模拟液量;所述落塔双舱试验模块,用于测量和验证被充液贮箱模型(2)内的流体传输行为,控制流体传输时间;落塔双舱试验模块包括充液贮箱模型(I)、被充液贮箱模型(2)、自锁阀(3)、自锁阀控制器(4)、图像采集装置(5)、放气阀(6)和管路三通(12);放气阀(6)与被充液贮箱模型⑵的气口③连接;自锁阀⑶的两端分别与被充液贮箱模型⑵的液口④和管路三通(12)的第二端口⑥连接,用来控制管路中液体传输量;管路三通(12)的第三端口⑦与充液贮箱模型(I)的液口②连接;所述自锁阀控制器(4)与自锁阀(3)连接,通过设置自锁阀控制器(4)调节自锁阀(3)的自动开关时间;图像采集装置(5)位于被充液贮箱模型⑵正前方5 I本文档来自技高网...
【技术保护点】
板式贮箱流体传输性能验证的微重力试验系统,其特征在于:包括地面加注与控制模块和落塔双舱试验模块两部分;所述地面加注与控制模块,在落塔试验前为落塔双舱试验模块充氮气和加注推进剂模拟液;地面加注与控制模块包括氮气瓶(7)、加气阀(8)、气路控制台(9)、加液阀(10)和模拟液箱(11);氮气瓶(7)通过加气阀(8)、气路控制台(9)依次连接;模拟液箱(11)和加液阀(10)连接;模拟液箱(11)内部盛装有推进剂模拟液;加气阀(8)用于控制氮气气源开闭,气路控制台(9)用以调整注入充液贮箱模型(1)的氮气量,通过调节加液阀(10)开度,用以限制注入充液贮箱模型(1)中的推进剂模拟液量;所述落塔双舱试验模块,用于测量和验证被充液贮箱模型(2)内的流体传输行为,控制流体传输时间;落塔双舱试验模块包括充液贮箱模型(1)、被充液贮箱模型(2)、自锁阀(3)、自锁阀控制器(4)、图像采集装置(5)、放气阀(6)和管路三通(12);放气阀(6)与被充液贮箱模型(2)的气口③连接;自锁阀(3)的两端分别与被充液贮箱模型(2)的液口④和管路三通(12)的第二端口⑥连接,用来控制管路中液体传输量;管路三通(12)的第三端口⑦与充液贮箱模型(1)的液口②连接;所述自锁阀控制器(4)与自锁阀(3)连接,通过设置自锁阀控制器(4)调节自锁阀(3)的自动开关时间;图像采集装置(5)位于被充液贮箱模型(2)正前方5~10cm处。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员:庄保堂,李永,胡齐,潘海林,李泽,
申请(专利权)人:北京控制工程研究所,
类型:发明
国别省市:
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