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贾洲侠; 王梦魁; 李海波; 张伟; 王建军; 任方
【期刊名称】《《强度与环境》》
【年(卷),期】2025(046)005
【总页数】11 页(P7-17)
【关键词】液体治理; 低温推动剂; 微重力; 落塔; 试验
【作 者】贾洲侠; 王梦魁; 李海波; 张伟; 王建军; 任方
【作者单位】北京强度环境争论所牢靠性与环境工程技术重点试验室 北京100076; 北京强度环境争论所 北京 100076
【正文语种】中 文
【中图分类】+3
放射卫星的运载火箭要在停靠轨道上滑行一段时间，然后发动机再启动将其推动到转移轨道。先进上面级在轨长时间工作，期间需经受较长时间的在轨滑行和主发动机屡次启动。同步卫星、载人航天器在轨道需要长时间惯性飞行，发动机要屡次再启动。上述飞行器在空间中均会发生一段无动力滑翔过程，在此过程中飞行器向心加速的惯性力与引力相平衡，依据等效性原理即产生了微重力环境。由于惯性飞行期间贮箱内储存的大量推动剂处于微重力状态，所以外界干扰极易使贮箱中液体推动剂变为不稳定，滑行期间作用在推动剂上的干扰很多。邦德数是用来表征作用于流体上的重力与外表张力之间关系的无量纲参数，邦德数越大则认为重力对流体行为占据主导作用，反之则外表张力成为掌握流体行为的主导作用。而在微重力条件
下，外表张力成为影响液体行为的主导因素。在期间，我国将重点开展远征
系列上面级、轨道飞行器、重型运载、天地来回等等型号的研制工作，此类型号均承受液体推动剂，具有在轨任务时间长、经受的微重力环境简单等特点，在轨任务时间往往长至几天甚至几个月。
为了进一步对运载火箭运载力量的深度挖潜，就需要在运载火箭末级通过屡次启停发动机形成多段无动力滑翔段进展有效载荷入轨过程的优化，以提高轨道设计的适应性。目前现役 CZ-3 及 CZ-5 火箭在轨有着几百秒的滑行时间，飞行器在轨滑行时间的大幅增长、微重力环境简单，同时，型号在轨期间要求屡次完成简单调姿变轨动作，推力发动机需要屡次停顿和启动。微重力环境下，在滑翔段贮箱内推动剂处于悬浮状态，为了保证发动机能够正常进展多场启停，需要将推动剂有效的输送到发动机燃烧室。目前常承受设置沉底发动机，对飞行器在滑翔段始终施加加速度以保证推动剂沉底，或承受网筛等外表张力蓄留装置是对推动剂的位置进展锁定。相关需要争论的问题包括液体重定位、微重力液体蓄留、低重力液体出流、微重力液体晃动、贮箱旋转晃动、微重力液体形态、微重力液体位置掌握、关机瞬间晃幅放大等多项内容。同时，随着一代重型运载火箭的进展，其特点是起飞重量大、直径粗，并且要执行深空探测、登月探测等任务，同样面临着发动机需要屡次执行启动-停机命令，发动机屡次启动时必需解决失重和低重条件下的液体晃幅放大、露底等液体治理问题。
随着空间技术的进展，在轨效劳越来越引起各航天大国的重视。在轨效劳包括在轨加注、修理、组装、关心入轨、碎片清理等一系列内容，进展在轨效劳经济效益显著。另一方面，在轨效劳的军事应用潜力巨大。在轨效劳过程涉及轨道机动、对目标航天器的空间捕获与掌握、空间交会与对接、效劳航天器与目标航天器间物质的传输等技术，这些技术经移植转化，即可形成型的空间攻防武器系统。上面级技术是在轨效劳的根底，可以在空间救援与效劳中供给快速的轨道机动运输。以上面
级为根底的轨道转移飞行器协作适当的有效载荷，即可以完成在轨效劳等工作。在
轨效劳要求效劳平台具备长时间在轨伺服、飞行的力量〔3 个月以上〕、屡次启动的力量〔20 次以上〕和快速完成轨道机动的力量，这就需要开发型的先进上面级。先进上面级承受的泵压式主发动机，具有推动剂流量大，单次点火构成有效沉底前所需不夹气推动剂量较大的特点。先进上面级推动剂治理方式既不同于传统的长时间、小流量推动剂治理方式的卫星，也不同于短时间、超大流量治理方式的传统火箭末级。在运载火箭领域上由于低温推动剂具有比冲高、无毒无污染的优点， 在国内外运载火箭和上面级上得到了广泛的应用，因此，承受液氢/液氧等低温推动剂的高性能低温上面级具备良好的应用前景。目前我国已完成常规上面级的研制与应用，而通用型低温上面级的争论正处于起步和攻关阶段。
到 2025 年，我国将全面构建形成卫星遥感、通信播送、导航定位三大系统，根本建成国家空间根底设施体系。我国正在开展的高分专项、一代通信卫星 DFH5
平台以及导航平台卫星需要通过加速寿命试验等方法增加卫星的长寿命高牢靠设计。而商业卫星、微小卫星则需要充分利用现有航天试验设施，加强军民融合，缩减研 制周期和研制经费。现有试验设施无法满足平台、载荷的需求。某高轨型号也 提出了空间微重力试验的需求，主要是液体重定位试验，管路内液体治理试验，载 荷失重试验等。随着我台卫星技术的进展，长寿命、高牢靠性的卫星成为主 要的技术进展方向，而长寿命在轨服役就需要极大地提高卫星的燃料存储力量。因 此，迫切需要对平台卫星在空间微重力环境下的推动剂治理问题开放系统争论。 依据目前我国深空探测规划，2025 年将进展首次火星探测，研制并放射火星探测
器，实现火星围绕，开展对火星全球性、综合性的科学探测，并为后续任务进展先期技术验证；2025 年放射深空太阳天文台；2025 年火星着陆，研制由轨道器和小型着陆器组成的火星围绕探测器。任务中需要经受月球、火星等行星际环境、星表各类环境，飞行器组合体多，工况简单。大型运载器和姿势轨道掌握发动机需要
在多种环境下屡次点火。另外，鉴于深空探测的技术特点，比冲极高的低温推动剂
广受青睐。而低温推动剂在空间环境长期服役条件下面临着严酷简单的空间热环境， 其在微重力条件下的压力掌握及有效隔热等问题会严峻制约深空探测技术的进展。 对于天地来回飞行器等具有颠覆性的战略性飞行器，对传统的试验技术带来挑战， 飞行器材料、构造特别，超高温、轨道机动多，经受的力热环境格外简单。当前我 国正在构建空天一体化攻防兼备的空间安全体系，将有更多的航天器在轨服役。空 间环境下航天器在轨生存验证试验设施主要效劳于高防护卫星平台建设、超低轨航 天器、载人登月工程及空间站长期在轨效劳等重大装备建设工程。XX 飞行器需要
进展大范围轨道机动，在轨屡次启动发动机进展变轨，而且在轨运行时间超过一年， 需要长期在微重力环境中运行，且微重力水平高〔10-4g～10-6g〕，很难使用人
造重力场来避开或削减微重力效应，所以发动机再启动问题就较为严峻。此外，随着技术的进展，空间飞行器在轨时间越来越长，其中就涉及到推动剂在轨补加注问题。XX 飞行器除了携带了大量的推动剂需要关注在微重力环境下的效应，热控分系统也有大量的流体处于微重力环境中，因此在热控过程中涉及液体的循环传输， 流速、流量的掌握，管路的设计优化等问题。
目前正在进展的长期运行的空间站打算、空间站科学争论、太空望远镜、太阳能电站、在轨维护、将来的载人登月打算、月球基地建设和行星资源开发利用，任务简单，牢靠性要求高。重型运载工具、核心舱及其组合体，体积浩大、工况多、涉及专业广。这些航天器在空间环境下的在轨生存力量亟需得到保障与提高。同时，载人航天器还需要特别的环境掌握、生命保障系统及火灾防治系统等，上述系统中多有涉及空间微重力环境下流体的流淌与传热传质过程。
随着重型运载、上面级、平台卫星以及型航天飞行器的进展，在空间微重力环境下的液体治理问题成为制约飞行器的关键瓶颈技术。如不开展微重力液体治理争论，液体治理只能依据以往试验阅历结合计算结果提出保守设计，会降低液体推动
剂的使用效率，不利于液体贮箱构造优化，严峻影响飞行器使用寿命，降低航天器
的工作力量。针对航天领域在微重力环境下的液体治理的需求，凝练出了三类微重力问题：剩余微重力水平下、不同邦德数范围内以及存在横向过载条件下的液体治理问题。因此，提出了在微重力液体治理问题中需要重点考虑的 5 类参数：争论对象的尺度、剩余微重力水平、邦德数范围、横向扰动与过载以及微重力时间。 微重力下流体的外表张力及内聚力等次级力将占据主导地位，微重力流体会表现出不同于常规地面重力环境下的特别行为，常重力环境下的局部流体科学规律不再适用于微重力环境。微重力流体治理问题广泛存在于空间飞行器的推动系统、热控系统、环控系统以及生命保障系统等。其主要技术挑战为常规/低温液体推动剂的贮存、猎取、排气、加注、液体质量计量、晃动行为的掌握及压力掌握等；热控及电源系统中的多相流流淌与传热问题及气液分别等问题；对于载人航天任务，生命保障系统中的空气循环、污染气体掌握排放、生活用水的存储传输及废水回收处理， 以及富氧条件下航天器火灾发生及传播问题等。航天工程中的多个子系统均会涉及到微重力流体掌握与治理的问题：推动系统、热控系统、环境掌握与生命保障系统以及电源系统。
推动系统
推动系统包括运载火箭与空间飞行器上的液体发动机，前者的推动系统大局部时间均处于常重力或者过载条件下，而后者的推动系统主要工作于微重力环境下。争论空间微重力环境中推动剂贮箱内的流表达象和界面行为以及微重力流体治理成为航天工程中的重要课题，推动剂治理的主要作用为对微重力下的流体进展储存、掌握和传输，从而使相关系统能够运行并完成特定的功能。微重力液体治理主要应用于上面级、卫星、飞船、空间站、轨道飞行器以及深空探测器等空间飞行器，其主要组成局部为发动机、液体推动剂贮箱、各类管路及掌握局部等。微重力环境中，流体的外表张力、内聚力和附着力将起到主导作用，液体推动剂不再处于贮箱底部而
是沿着壁面分布在贮箱内部各处，贮箱内液体与气体呈现相互混合状态，气液界面
难以确定。而当发动机再启动使贮箱内的推动剂产生喷涌，液体产生大幅晃动。同时为了防止带气泡的液体推动剂通过燃油管路输送至发动机，从而对飞行安全造成影响，必需对微重力条件下的液体推动剂进展合理的管控。由于惯性飞行期间贮箱内推动剂处于微重力状态，所以外界干扰极易使贮箱中液体推动剂变为不稳定，滑行期间作用在推动剂上的干扰很多，这一切都要求对微重力条件下贮箱中液体推动剂特性进展争论，才能供给有效的掌握与治理方法。
热控系统
空间飞行器的工作环境是地球大气层以外的宇宙空间，而且还要经受从地球到运行 轨道的过渡环境，所处的热环境完全不同于地球环境。局部卫星回收舱还需要返回 地面，再入大气层时与空气高速摩擦引起舱体外表温度急剧上升。为了使空间飞行 器能在预定的温度条件下工作，热控技术需要对卫星上产生的热量大小、传递方向、各仪器设备之间及飞行器内外的热交换过程、各位置温度变化速率进展预示与合理 的掌握。飞行器热控系统主要包含以下过程：飞行器承受外部的热量，随着运行轨 道及姿势的变化。飞行器吸取外部热量主要依靠热设计选定的具有肯定辐射及吸取 性能的外表材料及特地的吸热装置来掌握；依据空间飞行器热掌握面的温度变化对 于飞行器吸取的外部热量及仪器、设备产生的热量的大小、传递方向及变化速率进 行掌握；依据空间飞行器的温度指标要求，将多余的热量通过外表辐射材料、热辐 射装置或蒸发装置散发到环境中。
环境掌握与生命保障系统
环境掌握与生命保障系统是载人航天类飞行器特有的、最具载人航天特征的一个重 要系统，是直接关系到航天员生命安全的保障环节，也是载人航天的关键技术之一。从大的方面划分，环境掌握与生命保障系统有两大局部功能：环境掌握功能和生命 保障功能，为了这两大功能，该系统一般要具有如下几大分系统：供气调压、气体
成分掌握通风净化、座舱温湿度掌握、水治理、废物收集处理、航天服循环、烟火
检测与灭火、食品治理、测量掌握等分系统，每个分系统又要负责实现多个具体的功能。载人飞船相对于卫星技术有不少特别要求和相应的难技术，其中环境掌握与生命保障技术是载人飞船中所特有的技术。载人航天器火灾的主要形式为密闭空间燃烧，微重力环境下火灾发生、进展到熄灭过程的温度场分布、烟气集中速率、产热速率、火焰传播速率及烟颗粒均与常规地面重力环境下的火灾有较大差异。载人航天器是一个密闭狭小空间，舱内各种电子机械设备简单密布。且航天器推动剂贮箱一旦发生泄露，还有可能发生严峻的爆炸事故，表 1 所示为局部航天器火灾事故统计表。
目前载人航天器上都安装了火灾探测报警系统，但是由于微重力密闭空间内的火灾发生规律与地面条件下有着较大的差异，火灾探测报警系统存在误报与漏报率偏高的问题。随着航天技术逐步向长时间在轨飞行以及深空探测的方向进展，开展空间微重力环境下的密闭空间内火灾发生规律的争论极为重要，为我国的载人航天器的火灾安全防止关键技术供给重要的支撑。
尽管载人航天飞行器所使用的导线、电子电气元件在地面均经过严格检验并通过各种规定的例行试验。但是，载人航天器在空间飞行时处于微重力状态，这时浮力和自然对流根本消逝，因而导线和电子电气元件工作时散热状况恶化，更简洁过热， 从而导致火灾。美国航天航天器初期 50 次飞行中竟发生了 5 次失火大事，失火概率高达 10%，而且着火监测和早期报警装置均未起作用，均靠航天员闻到异味和看到着火后才觉察的。这是由于这些火灾监测系统是基于地面环境的试验结果而设计的，并不能完全适用于微重力下的火灾监测。所以仍有必要深入、广泛地开展与载人航天飞行器防火安全亲热相关的微重力燃烧科学争论。
由于飞行过程中飞行器的姿势掌握、变轨、贮箱排气、宇航员活动等，航天飞行器在飞行历程与任务不同阶段内会经受显著变化的微重力水平。因此需要对不同飞行
阶段经受的微重力水平下的流体行为进展分析争论，而邦德数是表征流体在不同尺
度及微重力水平下流体重力与外表张力关系的参数，可以通过邦德数对微重力下流体力学行为进展判定。
为了获得航天器在空间环境下的微重力水平以及推动剂系统相应的 Bond 数状况， 现承受某上面级推动剂贮箱模型，以煤油为推动剂进展分析计算。表 2 所示典型
航天器在空间环境下的微重力水平以及相应的 Bond 数范围，由表可知航天器在空间环境下的微重力水平主要集中于 10-1~10-5g，其相应的 Bond 数范围主要集中于 至 300 之间。对于主要关注外表张力影响的小 Bond 数模拟试验，可以通过地面条件下缩小试验尺度的方式来实现。而对于大 Bond 数试验，一般不需要承受微重力试验设施。因此，针对航天工程应用中的液体治理及相关系统中的微重力流体力学行为等问题一般集中在 Bond 数范围为 至 300 的区间内，为了对各种尺度的流体系统在该 Bond 数范围内进展微重力试验争论，需要建设能够进展大尺度系统的微重力试验模拟。
随着火箭的运载力量的不断提高，航天器所携带的液体燃料和液体载荷越来越多。 同时，航天工程对航天器姿势精度要求越来越高，而液体燃料的晃动会产生肯定的 干扰力和力矩，并降低构造的振动频率。同时，航天飞行器在实际飞行中还要受到 各类分别、主发动机关机、淡薄空气阻尼、磁场、太阳风等的干扰。航天器在轨道 惯性飞行过程是处于微重力环境条件下飞行，依据工作需要航天器液体发动机〔远 地点发动机、姿控发动机、再入发动机等〕进展二次或屡次再启动。微重力环境下 的航天器发动机再启动失败会造成严峻的飞行任务失利。飞行器在滑行轨道运行时， 将有某些干扰加速度作用，如姿控系统工作和低地轨道的空气阻力作用等，可能会 破坏液气界面。在助推段、主发动机关机、滑行段以及发动机再启动过程中很多因 素会对推动剂添加能量，施加干扰：如泵的逆流和回流、增压气流冲击液面、推动 剂晃动、推动剂对流、排气形成的不平衡推力、姿控发动机点火以及熄火点构造松
弛等，这些因素都要妥当解决，其中最主要的是发动机关机时由加速度突然减小引
起的晃动放大，进而产生横向扰动与过载下的液体治理问题。
以较大的放射角向上放射火箭，试验载荷与箭体分别后以惯性连续上升，抑制自旋并稳定姿势，到达大气已足够淡薄的高度，载荷舱内开头处于微重力状态，火箭到达弹道顶点后，降至较稠密大气高度完毕，可以获得数分钟微重力环境。当探空火箭主动段飞行完毕以后，有效载荷与发动机分别，此时有两个加速度源，一个是由空气阻力引起的加速度，通常在稠密大气层外空气阻力较小，另一个是弹体转动角速度引起的加速度，一般承受特地研制的速度掌握系统来掌握转角加速度。在可掌握的条件下，可获得几分钟的微重力时间，10-3~10-5g 的微重力水平。持续时间取决于火箭力量。假设使火箭按抛物线飞行较长路程，试验载荷在异地回收，形
成亚轨道飞行。火箭方式费用不低，但比轨道飞行如航天飞机、空间站还是低得多。为避开大得多的损失，在重大航天打算实施之前，先以火箭觉察飞行试验中的问题 和兼容、牢靠、安全等飞行问题。由于火箭方式与轨道方式较为接近，火箭成了空 间科学与应用进展进程中的阶段性工具。欧洲航天局对微重力火箭的利用较为重视， 德国研制了 TAXUS 微重力火箭，其运行时间为 5 分钟、有效载荷质量为 500kg。故探空火箭试验有如下特点：①微重力水平较高；②微重力时间长，试验空间大；
③试验设备简单，试验费用昂贵。
飞机取得尽可能大而且有上升角度的初速度后，驾驶员保持水平速度为常数，垂直加速度为零，即可飞出抛物线径迹。这时机舱内可获与初速成正比的微重力时间进展试验。飞机需进展改装，诸如油路加泵、贮箱抑振等问题。所获微重力时间取决于飞机性能，初速越大，获得的时间越长，但往往机种较小。一般运输机可获数十秒的失重，一次起飞可屡次试验。但受科里奥利力的限制，飞机微重力水平不高， 10-3g0 已是失重飞机能够实现的较高精度。
微重力飞行试验有如下特点：①抛物线飞行所能供给的微重力时间约 20s～25s，
可以满足前期科学争论或测试的需求；②易于验证工程的可行性和更长时间失重条
件下工程实施的必要性。但受到硬件条件和周边条件的限制，抛物线飞机也有不行回避的缺乏：①抛物线飞机飞行过程中受到气流的影响，飞机可能会发生抖动，进而导致重力水平不能到达抱负的微重力水平，会给科学争论带来肯定的影响；②抛物线飞机所能供给的是以“正常重力—超重—失重—超重—正常重力”为周期的变重力环境，这会使得超重和失重对试验结果的独立作用难以区分，导致与其它真实或模拟失重条件下的试验结果难以比照或发生数据不全都的现象；③抛物线飞行能否按打算进展很大程度上取决于天气；④抛物线飞行本钱较高；⑤抛物线飞行舱室大小和飞机外形的限制。
近地轨道上的航天器，可近似看作以地心为力心的开普勒运动。向上放射的火箭给 予航天器非径向初速，如这个速度足够大，航天器就可进展轨道飞行，其轨道为圆 锥曲线。以轨道飞行取得长时间微重力环境，进展微重力试验，除上述初速条件外， 还应有适当的轨道设计和运行程序设计，较好的供电和散热条件，还应有回收、资 源及运输条件以及与试验规模相协作等技术保证。
轨道飞行中的航天器，如人造卫星、飞船、航天飞机、太空站，其内部的微重力试 验环境中微加速度场分布较简单：有非质量中心重力梯度引起的潮汐加速度；有飞 行器绕质心旋转的离心、切向加速度；在非惯性系中，有物体相对于飞行器移动引 起的科里奥利加速度；还有外部大气阻力、太阳光压引起的加速度。这些都是变化 较慢的低频加速度。此外，还有瞬变加速度的影响，不同的空间飞行试验平台的微 重力水平在 10-1~10-6g0 之间。瞬变干扰在飞机器姿控或变轨推力器点火时最大， 较显著的还有航天器舱内的反作用飞轮、流体环路、机柜风扇、记录器等设备运行。落塔试验主要针对缩比模型进展的，可实现 6s 以上的微重力试验试验，10-
3g~10-5g 的微重力水平。落塔试验有如下特点：①微重力水平较高；②初始条件易于保证、数据采集便利，易于操作、干扰小；③试验费用低、试验时间的选择