一种新型ehd空间燃料贮箱气液相分离管理系统的制作方法
【专利摘要】一种新型EHD空间燃料贮箱气液相分离管理系统，包括贮箱壁、排气管、排液/加注口、由上筒和下筒组成的中心筒、内导流板、外导流板、上托盘环、下托盘、正电极棒；上筒和下筒通过插接或焊接的内导流板实现上、下固定连接，上筒和下筒之间交界面、下筒外侧圆周面上均喷涂环氧树脂涂层；正电极棒安装固定在下筒内部且正电极棒的轴线与下筒的轴线重合，正电极棒上圆面和下圆面均喷涂环氧树脂涂层；正电极棒与电源的正极连接，下筒圆周壁面与电源的负极连接；上筒和下筒的圆周壁面、内导流板上开多个mm量级小孔；下筒的下端与排液/加注口之间安装毛细筛网，贮箱内与排液/加注口相对的上端安装排气管。
【专利说明】
一种新型EHD空间燃料贮箱气液相分离管理系统
技术领域
[0001] 本发明涉及一种新型EHD空间燃料贮箱气液相分离管理系统，特别是涉及一种基 于电场效应的应用于空间微重力环境下的燃料贮箱流体管理系统。本发明在空间燃料贮箱 中创新利用电水动力学EHD理念，通过由电场形成的保守力场代替重力场，对空间燃料贮箱 中的流体工质燃料的气液相分布进行有效地强化输运和主动控制，属于在轨服务流体管理 领域。
【背景技术】
[0002] 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，例如卫星变轨和长期轨道保持、月球与行星表面基地建设、大型深 空探测活动等，均需要携带和消耗大量的推进剂燃料;天基化学激光器等特殊空间装置需 携带相当数量的化学燃料等。因此，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，而作为其中的重要组成部分，航天器在轨加注技 术能够在空间环境下为航天器补充燃料，延长其在轨寿命，能够大幅度节省空间任务的成 本，在人类空间活动中起到非常重要的作用。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。通常情况下，航天器的寿命决定于燃料的携带量，通 过对在轨航天器进行加注，可以有效延长航天器的使用寿命，节约发射成本，并提高航天器 的机动性和可靠性。在当前空间资源日趋紧张的情况下，在轨加注技术能够避免更多空间 垃圾的产生，更加凸显了其应用价值。
[0003] 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还是存在很大差别的。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 布的状态也会发生很大变化，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，则很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。
[0004] 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。表面张力贮箱是推 进剂燃料在轨加注的关键设备，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。而近几年在轨服务技术的发展，为航天器燃料贮箱提出了更高的要求。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。
【发明内容】
[0005] 本发明的技术解决问题是:克服现有技术的不足，提供一种新型EHD空间燃料贮箱 气液相分离管理系统，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。
[0006] 本发明的技术解决方案是:一种新型EHD空间燃料贮箱气液相分离管理系统，包括 贮箱壁、排气管、排液/加注口、由上筒和下筒组成的中心筒、内导流板、外导流板、上托盘 环、下托盘、正电极棒；
[0007] 上筒和下筒通过插接或焊接的内导流板实现上、下固定连接，上筒和下筒之间交 界面、下筒外侧圆周面上均喷涂环氧树脂涂层;正电极棒安装固定在下筒内部且正电极棒 的轴线与下筒的轴线重合，正电极棒上圆面和下圆面均喷涂环氧树脂涂层;正电极棒与电 源的正极连接，下筒圆周壁面与电源的负极连接;上筒和下筒的圆周壁面、内导流板上开多 个 mm量级小孔;下筒的下端与排液/加注口之间安装毛细筛网，贮箱内与排液/加注口相对 的上端安装排气管;贮箱壁、排气管、排液/加注口、中心筒，内导流板、外导流板、上托盘环、 下托盘组成板式表面张力燃料贮箱；
[0008] 在微重力环境下，当需要将贮箱内的燃料排出时，电源加电，燃料由中心筒圆周壁 面上的小孔进入中心筒，进入下筒内正电极棒与下筒筒壁之间形成的电场区域，将混入燃 料内的气泡在电场力的作用下，突破下筒圆周壁面小孔处的表面张力和流体阻力的束缚， 从下筒圆周壁面小孔处脱离中心筒而进入燃料贮箱内部，通过中心筒内的电场作用，避免 气泡混入排液/加注口。
[0009] 所述的排气管为螺旋型排气管。
[0010] 所述的排气管为直管。
[0011]本发明的原理是：
[0012] 本发明创新引入电水动力学EHD理念，在流体中施加一外电场，通过利用电场、流 场和相界面之间的耦合作用而达到主动控制气液相分离和强化输运的目的。Panofsy和 Philips据电磁学理论，推导出电场中的流体所受到的电场力Fe可表示为：
[0013]
[0014] 式中：E为电场强度(V/m);e为介电常数(F/m);q为流体中所含自由电荷密度(C/ m2); P为流体密度;t为液体的温度。介电常数ε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qE代表电场施加在单位体积流体自由电荷上的 力，称为库仑力或者电泳力；第二项▽〃表示在电场作用下由于介质的介电常数ε的空 间变化而产生的施加于流体上的力，称为介电电泳力;第三项
表示由于电场 强度E及介电常数ε的空间变化而产生的施加于流体上的力，又称为电致伸缩力。
[0015] 对于不同的工质和不同的传热方式，这三种力的作用和大小各不相同。空间燃料 贮箱中的液体工质属于电介质液体(如无水肼、甲基肼和四氧化二氮等），则自由电荷为0， 第一项库仑力qE可以忽略；空间燃料贮箱中的液体工质属于不可压缩流体，则第三项 电致伸缩力可以忽略；电场对气泡的作用主要是第二项介电电泳力， 1 up 2 这个介电电泳力主要产生于气相与液相间的交界面处。为了说明此作用力，设在一个介电 常数为εχ的工质中有一个介电常数为ε2,半径为R的球体。1978年Phol等人推导出作用在球 体上的介电电泳力Fd的一般表达式为：
[0016]
[0017] 此时球体为气泡，此时ε2〈ει JljFd的方向指向电场降低的方向，即气泡向电场降低 的方向运动。
[0018] 由此可见，电场形成的保守力场可以代替重力场，产生汽泡定向移动作用的一个 主要途径，是微重力流体气液两相相分布控制的重要强化手段。通过在两相流中施加电场， 作用于气相与液相间的交界面处的介电电泳力，使低介电常数的气泡向电场强度小的地方 运动，使高介电常数的液体向电场强度大的地方运动，从而可以稳定、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控制，保证在微重力条件下把燃料以特定的热力 学状态从贮箱输送到需要加注液体的航天器贮箱时不会出现气液掺杂的现象，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。
[0019] 本发明与现有技术相比有益效果为：
[0020] (1)本发明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，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。
[0021] (2)本发明系统不仅可以彻底实现微重力环境下气液相分离（即使是在贮箱遇到 外界干扰晃动或流体流动速度较大时），还可以强化输运并主动控制贮箱内的燃料使燃料 工质将其保持稳定状态，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，从 而有效提升了在轨服务流体管理水平。
[0022] (3)本发明系统不仅可以满足加注和排放过程中燃料的管理要求，同时还可以满 足燃料贮存过程的要求，具有可重复使用、可靠性高的特点；
[0023] (4)本发明系统可以有效延长航天器的使用寿命，节约发射成本，并提高航天器的 机动性和可靠性；
[0024] (5)本发明系统在当前空间资源日趋紧张的情况下，此项在轨加注技术能够有效 避免更多空间垃圾的产生，更加凸显了其应用价值。
【附图说明】
[0025] 图1为本发明外部示意图；
[0026] 图2、3为本发明贮箱内部各部件示意图；
[0027] 图4和图5为本发明中心筒及内导流板部分示意图。
【具体实施方式】
[0028]如图1-4所示为新型EHD空间燃料贮箱气液相分离管理系统示意图，系统包括:贮 箱壁1、排气管2、排液/加注口 3、中心筒4(上筒401，下筒402)、内导流板5、外导流板6、上托 盘环7、下托盘8、正电极棒9。
[0029]空间板式表面张力燃料贮箱的中心筒4由上筒401和下筒402组成，上筒401和下筒 402圆周壁面都开有多个mm量级小孔，上筒401和下筒402通过插接或焊接的内导流板5实现 上、下固定连接。上筒401和下筒402之间交界面、下筒外侧圆周面上均喷涂环氧树脂涂层， 用于施加电场时进行上下筒有效绝缘隔离。下筒402圆周外壁面喷涂环氧树脂涂层，用于施 加电场时使下筒402与周边环境进行有效绝缘隔离。中心筒4内部插入正电极棒9,正电极棒 9与电源的正极连接，正电极棒9上圆面和下圆面均喷涂环氧树脂涂层，用于施加电场时使 正电极棒9上圆面和下圆面分别与周边环境进行有效绝缘隔离，正电极棒9通过两侧的固定 销杆安装固定在下筒402上的安装孔上，保持正电极棒9的轴线与下筒402的轴线重合(如图 4和5所示）。下筒402圆周壁面与电源的负极连接。通过这种中心筒4内的电场布置方式，可 以使得正电极棒9附近的电场强度远远大于下筒402圆周壁面的电场强度，当燃料贮箱中燃 料液体流经此电场区域排出贮箱时，此时如果燃料液体内混有气泡，气泡就会在电场力的 作用下向电场强度降低的方向运动，即向下筒402圆周壁面方向运动。气泡最终在电场力的 作用下突破下筒402圆周壁面小孔处的表面张力和流体阻力的束缚，从下筒402圆周壁面小 孔处脱离中心筒4而进入燃料贮箱内部。在中心筒4下端与排液/加注口 3之间安装有毛细筛 网，进一步堵住气泡，防止气泡随液体排出排液/加注口 3。
[0030] 因此可见，中心筒4内施加电场的方式可以实现空间表面张力燃料贮箱中心筒4内 气液相分离，保证补给贮箱排液/加注口 3处在微重力条件下把无蒸汽的单一液体以特定的 温度和压强从贮箱输送到需要加注液体的航天器贮箱中。
[0031] 板式表面张力贮箱内安装有内导流板5和外导流板6对燃料工质进行流体管理。内 导流板5以插接或焊接方式(沿着中心筒4外壁母线)与中心筒4固定连接，并以中心筒4的轴 线为轴均匀安装在中心筒4外壁上。外导流板6的根部与中心筒4最下端和下托盘8(其上开 有mm量级的小孔）固定连接，外导流板6的稍部与上托盘环7固定连接，并以中心筒4的轴线 为轴均匀安装贮箱壁1的内壁上。通过安装内导流板5和外导流板6，可以在内导流板5之间、 外导流板6与贮箱壁1之间形成液体通道，液体燃料在表面张力的作用下被固定在液体通道 中，形成稳定状态。即使贮箱受到干扰，内导流板5和外导流板6也能够迅速的对推进剂进行 重定位。在加注过程、排出过程中，内导流板5和外导流板6同样能够有效地对推进剂进行管 理。
[0032] 此外，排气管2可以为直管也可以为螺旋型排气管，当有液滴混入排气管2时，螺旋 型排气管可以阻止将混入到排气管2的液滴排出的作用。
[0033]通过本发明系统设计，可以有效提升了微重力环境下气液相分离的主动控制能力 和和在轨服务流体管理水平。
[0034]以上所述，仅为本发明的实施例之一，但并不限制本发明的范围。依据本发明权利 要求所做的等效变化及修改，仍属于本发明的范围，故都应视为本发明的进一步实施例。 [0035]综上所述，本发明系统通过在空间燃料贮箱中创新利用电水动力学EHD理念，通过 电场形成的保守力场代替重力场，对微重力燃料流体的气液相分布进行强化控制，以满足 在空间微重力环境下为航天器补充燃料的需求，从而有效延长航天器的使用寿命，节约发 射成本，并提高航天器的机动性和可靠性。在当前空间资源日趋紧张的情况下，此项新型在 轨加注技术能够避免更多空间垃圾的产生，更加凸显了其应用价值。可为长期载人空间飞 行、大型深空探测和建设地外行星基地等提供在轨加注流体管理技术支持。该系统具有主 动控制性、稳定性、持久性和可重复性特点。
[0036]本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
【主权项】
1. 一种新型EHD空间燃料贮箱气液相分离管理系统，其特征在于:包括贮箱壁（1)、排气 管(2)、排液/加注口（3)、由上筒(401)和下筒(402)组成的中心筒(4)、内导流板(5)、外导流 板(6)、上托盘环(7)、下托盘(8)、正电极棒(9); 上筒（401)和下筒（402)通过插接或焊接的内导流板（5)实现上、下固定连接，上筒 (401)和下筒(402)之间交界面、下筒外侧圆周面上均喷涂环氧树脂涂层;正电极棒(9)安装 固定在下筒(402)内部且正电极棒(9)的轴线与下筒(402)的轴线重合，正电极棒(9)上圆面 和下圆面均喷涂环氧树脂涂层;正电极棒(9)与电源的正极连接，下筒(402)圆周壁面与电 源的负极连接;上筒(401)和下筒(402)的圆周壁面开多个mm量级小孔;下筒(402)的下端与 排液/加注口（3)之间安装毛细筛网，贮箱内与排液/加注口（3)相对的上端安装排气管(2); 贮箱壁(1)、排气管(2)、排液/加注口（3)、中心筒(4)，内导流板(5)、外导流板(6)、上托盘环 (7 )、下托盘(8)组成板式表面张力燃料贮箱； 在微重力环境下，当需要将贮箱内的燃料排出时，电源加电，燃料由中心筒(4)圆周壁 面上的小孔进入中心筒(4)，进入下筒(402)内正电极棒(9)与下筒筒壁之间形成的电场区 域，将混入燃料内的气泡在电场力的作用下，突破下筒(402)圆周壁面小孔处的表面张力和 流体阻力的束缚，从下筒(402)圆周壁面小孔处脱离中心筒(4)而进入燃料贮箱内部，通过 中心筒(4)内的电场作用，避免气泡混入排液/加注口（ 3)。2. 根据权利要求1所述的一种新型EHD空间燃料贮箱气液相分离管理系统，其特征在 于:所述的排气管(2)为螺旋型排气管。3. 根据权利要求1所述的一种新型EHD空间燃料贮箱气液相分离管理系统，其特征在 于:所述的排气管(2)为直管。
【文档编号】B01D19/00GK105854353SQ201610206723
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月5日
【发明人】马蓉, 姚伟, 吕晓辰, 王超, 李振新
【申请人】中国空间技术研究院