CN103293557B - 一种板式推进剂管理装置中的蓄液器性能微重力试验验证方法 - Google Patents

Abstract

一种板式推进剂管理装置中的蓄液器性能微重力试验验证方法，不同构型的蓄液器缩比模型部件为试验对象，试验方法中主要设计了各种构型不同的蓄液器缩比模型部件的微重力试验实现方法，以及不同微重力试验条件更换策略，规定了试验准备与试验步骤、模拟液液面高度选取策略等。该试验方法设计合理，可操作性强，能够实现蓄液器缩比模型部件的微重力全部试验，并对整个蓄留液体过程进行了摄像记录，便于后续试验结果分析及蓄液器优化设计。根据本发明的试验方法，能够获得蓄液器模型的流体管理特性及蓄液能力，并对蓄液器性能进行验证。

Description

一种板式推进剂管理装置中的蓄液器性能微重力试验验证方法

技术领域

本发明涉及一种板式推进剂管理装置（PDM）中所属部件——蓄液器性能微重力试验验证方法，在微重力条件下流体管理性能和蓄液能力的试验验证技术领域，可以推广应用于各种蓄液器缩比模型的微重力试验。

背景技术

随着国际上大型桁架式平台卫星的迅速发展，采用板式PMD的推进剂贮箱已经成为国际上主流。从“十一五”末期起，开始开展了大容量板式PMD推进剂贮箱研制工作，已研制了板式PMD样机，进行了板式PMD流体传输性能与管理性能的地面演示试验。该演示试验只能对板式PMD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PMD所属部件性能进行深入研究。故自2011年4月起，针对某卫星平台大容量板式贮箱的板式PMD所属部件——蓄液器进行缩比设计，搭建了一套微重力试验系统，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PMD所属部件——蓄液器流体管理特性和蓄液能力验证的简单、可靠、可行的微重力试验方法。运用该试验方法，多次完成了板式PMD所属部件——蓄液器不同缩比模型的流体管理及蓄液特性和液面重定位过程的微重力试验，验证了微重力环境下蓄液器的流体管理和蓄液能力。

同时，由于板式PMD推进剂贮箱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未提及详细的试验系统设计，对板式PMD部件的机理研究必须自行搭建试验系统，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，一种板式PMD所属部件——蓄液器性能的微重力试验验证方法是进行大容量板式PMD推进剂贮箱研制过程中摸索和总结的成果，整个试验方法是全新的，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。为了实现板式PMD所属部件——蓄液器流体管理及蓄液性能验证，结合试验过程的实践和经验，首次提出了一种板式PMD所属部件——蓄液器性能的微重力试验验证方法。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种板式推进剂管理装置中的蓄液器性能微重力试验验证方法，能够有效地验证微重力环境下板式PMD所属部件——蓄液器的流体管理和蓄液能力。

本发明的技术解决方案是：一种板式推进剂管理装置中的蓄液器性能微重力试验验证方法，所述试验对象是蓄液器缩比模型部件，其特征在于实现步骤如下：

（1）将用于蓄液器流体管理特性和蓄留能力验证的微重力试验系统连接好，进入步骤（2）；

（2）蓄液器截面形状、结构参数是影响蓄液器性能的关键因素，选取一个蓄液器缩比模型部件作为本次试验对象，进入步骤（3）；所述蓄液器缩比模型部件截面形状为内外锥体型形状；所述结构参数包括外锥体高度H、内锥体高度h、内锥角度α和外锥角度β；

（3）将所述蓄液器缩比模型部件放置在一个方形液槽内，固定好蓄液器缩比模型部件进入步骤（4）；所述方形液槽被设计成能够实现三轴正交方向固定的安装方式，即可以正放、倒放和侧放，能够为蓄液器缩比模型部件提供不同微重力方向的微重力试验条件；

（4）向方形液槽内添加模拟液达到一定液面高度，将方形液槽密封好后进入步骤（5）；所述液面高度不超过蓄液器缩比模型外锥体高度H，为0.1H、0.2H、0.3H、0.4H、0.5H、0.6H、0.7H、0.8H、0.9H或H；

（5）将已添加模拟液且密封好的方形液槽按照其中一种放置方式放在微重力试验系统中支架上，将方形液槽固定好后进入步骤（6）；所述方形液槽的放置方式包括正放、倒放和侧放；

（6）调整高速CCD相机摄像装置、试验系统支架和滤光板装置，确保摄像效果好，能够完好记录整个微重力试验过程；

（7）将高速CCD相机开启录像模式，开始进行微重力试验，微重力试验结束后，回收微重力试验系统，保存摄像所取得的图像结果；

（8）根据所有获得的微重力试验结果，判断是否覆盖了各种所述放置方式，若是完全覆盖，则进入步骤（9）；若不是完全覆盖，则进入步骤（5），更改放置方式以达到更改微重力试验条件的目的；

（9）根据所有获得的微重力试验结果，判断是否覆盖了各种所述液面高度，若是完全覆盖，则进入步骤（9）；若不是完全覆盖，则进入步骤（4），更改液面高度；

（10）根据所有获得的微重力试验结果，判断是否覆盖了各种所述蓄液器缩比模型部件，若是完全覆盖，则微重力试验完成结束；若不是完全覆盖，则进入步骤（2），更改蓄液器缩比模型部件。

所述蓄液器缩比模型部件结构设计主要涉及总体构型、锥体高度、内锥角度和外锥角度等结构参数方面设计。依据总体构型，所述蓄液器缩比模型部件主要有双圆锥形蓄液器和直板楔形蓄液器两大类。所述内锥体安装固定在外锥体上。所述外锥体高度H为30mm、40mm、50mm、60mm、70mm或80mm，相应的所述内锥体高度h为所述外锥体高度H的一半。所述外锥角度α为42°、45°、48°或51°，相应的所述内锥角度β为2°、5°、8°或11°。

所述方形液槽采用有机玻璃材料，其折射率为1.491，透光率约为90%。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

（1）本发明采用多种策略实现各种缩比模型的微重力试验，考虑全面，可覆盖各种微重力试验条件，各种试验结果对比性极佳，有利于试验结果分析，同时试验效果及经济效益好。

（2）本发明采用的试验方法合理、切实可行、可操作性强，对蓄液器流体管理及蓄液性能起到良好的验证作用，已应用在大容量板式PMD推进剂贮箱研制上，为板式PMD优化设计提供良好的数据基础，具有广泛的应用价值和推广前景。

附图说明

图1是本发明方法实现时采用的试验系统的结构原理图；

图2是图1中高度可调节试验支架组件的结构示意图；

图3是本发明试验方法的流程图；

图4是本发明蓄液器缩比模型截面形状结构示意图；

图5是本发明方形液槽放置方式示意图；其中(a)为正放，(b)倒放，(c)侧放；

图6是本发明双圆锥形蓄液器结构示意图；

图7是本发明直板楔形蓄液器结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。

如图1所示，本发明方法所采用的试验系统包括试验系统基板1、高度可调节试验支架组件、图像采集系统、照明系统等部分，而且高度可调节试验支架组件、图像采集系统、照明系统等部分均在试验系统基板1上对称地布置两套，试验系统具备同时进行两种试验模型微重力试验的能力。

试验系统基板1是一块内部为木材蜂窝层的轻质圆形铝平板，用于实现高度可调节试验支架组件、图像采集系统、照明系统等部分紧凑地安装与固定，同时实现试验系统与微重力试验舱安装衔接。

高度可调节试验支架组件由两个支板和两个支架组成，第一支板3和第二支板13分布用于支撑固定第一方形液槽2和第二方形液槽14，第一支架4和第二支架12分别用于支撑固定第一支板3和第二支板13。

图像采集系统由两个高速CCD相机、两个CCD摄像头和两个相机支座组成，高速CCD相机的最高分辨率为1280×1024pixel，在此分辨率下相机的帧率可达到1000fps。第一高速CCD相机7和第二高速CCD相机15分别安装固定在第一相机支座8和第二相机支座16上，分别用于实时记录第一方形液槽2和第二方形液槽14内试验图像，微重力试验舱内自备的第一CCD摄像头9和第二CCD17摄像头分别实时无线遥控传输第一方形液槽2和第二方形液槽14的试验准备情况，确保微重力试验正常顺利进行。

照明系统由两个强光光源和两个滤光板组成，第一强光光源5和第二强光光源10分别安装固定在第一支架4和第二支架12的平板上，即分别位于第一支板3和第二支板13的正下方，第一滤光板6和第二滤光板11分别位于第一高速CCD相机7、第二高速CCD相机15与第一方形液槽2、第二方形液槽14之间。

试验系统具体连接方式如下：在试验系统基板1上预先打好用于支架和相机支架固定的相应安装孔；第一支架4和第二支架12分别安装固定在试验系统基板1上相对应的位置；第一相机支座8和第二相机支座16分别安装固定在试验系统基板1上相对应的位置；第一高速CCD相机7和第二高速CCD相机15分别安装固定在第一相机支座8和第二相机支座16上；第一方形液槽2和第二方形液槽14分别安装固定在第一支板3和第二支板13上，然后根据第一方形液槽2和第二方形液槽14的安装方式及第一高速CCD相机7和第二高速CCD相机15的摄像效果，调节好第一支板3和第二支板13在第一支架4和第二支架12的高度，接着将安装有第一方形液槽2和第二方形液槽14的第一支板3和第二支板13分别固定在第一支架4和第二支架12上；将已装好试验系统的试验系统基板1安装衔接在微重力试验舱内适当位置，然后进行第一高速CCD相机7和第二高速CCD相机15摄像调节，确认第一滤光板6和第二滤光板11分别位于第一高速CCD相机7、第二高速CCD相机15与第一方形液槽2、第二方形液槽14之间的位置，接着将第一滤光板6和第二滤光板11固定。

如图2所示，每个支架的四根支柱上打有多个定位孔，用于调节支板的高度。而且每个支板均为多孔板，可适应不同试验模型安装固定要求。支板放置高度可根据试验模型进行调节，整个高度可调节试验支架组件装拆非常简便。

虽然高速CCD相机有较高的感光度，但是由于高速拍摄情况下曝光时间极短，须用强光光源照明。由于试验模型中多用透明的有机玻璃材料，在强光光源照明下通过有机玻璃的折射会在图像中产生光斑，影响图像质量，因此在相机与试验模型之间需添加滤光板，以获取更高质量的图像。

如图3所示，本发明方法，试验对象是蓄液器缩比模型部件，步骤如下：

（1）将用于蓄液器流体管理特性和蓄留能力验证的微重力试验系统连接好，进入步骤（2）；

（2）蓄液器截面形状、结构参数是影响蓄液器性能的关键因素，选取两个蓄液器缩比模型部件作为本次试验对象，进入步骤（3）；所述蓄液器缩比模型部件截面形状为内外锥体型形状；所述结构参数包括外锥体高度H、内锥体高度h、内锥角度α和外锥角度β；

（3）将两个蓄液器缩比模型部件分别放置在方形液槽2和方形液槽14内，固定好蓄液器缩比模型部件进入步骤（4）；所述方形液槽被设计成能够实现三轴正交方向固定的安装方式，即可以正放、倒放和侧放，能够为蓄液器缩比模型部件提供不同微重力方向的微重力试验条件；

（4）向方形液槽2和方形液槽14内添加模拟液均达到一定液面高度，比如液面高度为5mm，将方形液槽2和方形液槽14密封好后进入步骤（5）；所述液面高度不超过蓄液器缩比模型外锥体高度H，为0.1H、0.2H、0.3H、0.4H、0.5H、0.6H、0.7H、0.8H、0.9H或H；

（5）将已添加模拟液且密封好的第一方形液槽2和第二方形液槽14均按照一种放置方式分别放在微重力试验系统中第一支板3和第二支板13上，比如选取正放的放置方式，将第一方形液槽2和第二方形液槽14固定好后进入步骤（6）；所述放置方式包括正放、倒放和侧放；

（6）调整第一高速CCD相机7和第二高速CCD相机15摄像装置、第一支架4和第二支架12、第一滤光板6和第二滤光板11等装置，确保第一高速CCD相机7和第二高速CCD相机15的摄像效果好，能够完好记录整个微重力试验过程；

（7）将高速CCD相机7和高速CCD相机15均开启录像模式，开始进行微重力试验。微重力试验结束后，回收微重力试验系统，保存摄像所取得的图像结果；

（8）根据所有获得的微重力试验结果，判断是否覆盖了各种所述放置方式，若是完全覆盖，则进入步骤（9）；若不是完全覆盖，则进入步骤（5），更改放置方式以达到更改微重力试验条件的目的；

（9）根据所有获得的微重力试验结果，判断是否覆盖了各种所述液面高度，若是完全覆盖，则进入步骤（9）；若不是完全覆盖，则进入步骤（4），更改液面高度；

（10）根据所有获得的微重力试验结果，判断是否覆盖了各种所述蓄液器缩比模型部件，若是完全覆盖，则微重力试验完成结束；若不是完全覆盖，则进入步骤（2），更改蓄液器缩比模型部件。

如图4所示，所述蓄液器缩比模型截面形状为内外锥体型形状，所述内锥体安装固定在所述外锥体上。所述外锥体高度H为30mm、40mm、50mm、60mm、70mm或80mm，相应的所述内锥体高度h为所述外锥体高度H的一半。所述外锥角度α为42°、45°、48°或51°，相应的所述内锥角度β为2°、5°、8°或11°。

如图5所示，方形液槽被设计成可实现三轴正交方向固定的安装方式，即可以正放、倒放和侧放，提供不同微重力方向的微重力试验条件。依据方形液槽不同的放置方式，实现在微重力试验中给蓄液器模型部件施加各个方向的微重力加速度，通过观测蓄液器内及蓄液器外附近区域液体的重定位情况，计算出蓄液器的最大蓄液能力和临界蓄液能力，验证蓄液器的结构和性能设计是否合理，确保能够及时为发动机提供足量的推进剂。

如图6和图7所示，所述方形液槽采用有机玻璃材料，其折射率为1.491，透光率约为90%。依据总体构型，所述蓄液器缩比模型部件主要有双圆锥形蓄液器和直板楔形蓄液器两大类。

在我国某型号卫星平台大容量板式表面张力贮箱研制过程中，应用了本发明方法对板式PMD蓄液器结构流体管理传输性能进行了微重力试验验证，为蓄液器优化设计提供了重要的参考价值。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (3)

1.一种板式推进剂管理装置中的蓄液器性能微重力试验验证方法，所述试验对象是蓄液器缩比模型部件，其特征在于实现步骤如下：

(1)将用于蓄液器流体管理特性和蓄留能力验证的微重力试验系统连接好，进入步骤(2)；

(2)蓄液器截面形状、结构参数是影响蓄液器性能的关键因素，选取一个蓄液器缩比模型部件作为本次试验对象，进入步骤(3)；所述蓄液器缩比模型部件截面形状为内外锥体型形状；所述结构参数包括外锥体高度H、内锥体高度h、内锥角度α和外锥角度β；

(3)将所述蓄液器缩比模型部件放置在一个方形液槽内，固定好蓄液器缩比模型部件进入步骤(4)；所述方形液槽被设计成能够实现三轴正交方向固定的安装方式，即可以正放、倒放和侧放，能够为蓄液器缩比模型部件提供不同微重力方向的微重力试验条件；

(4)向方形液槽内添加模拟液达到一定液面高度，将方形液槽密封好后进入步骤(5)；所述液面高度不超过蓄液器缩比模型外锥体高度H，为0.1H、0.2H、0.3H、0.4H、0.5H、0.6H、0.7H、0.8H、0.9H或H；

(5)将已添加模拟液且密封好的方形液槽按照其中一种放置方式放在微重力试验系统中支架上，将方形液槽固定好后进入步骤(6)；所述方形液槽的放置方式包括正放、倒放和侧放；

(6)调整高速CCD相机摄像装置、试验系统支架和滤光板装置，确保摄像效果好，能够完好记录整个微重力试验过程；

(7)将高速CCD相机开启录像模式，开始进行微重力试验，微重力试验结束后，回收微重力试验系统，保存摄像所取得的图像结果；

(8)根据所有获得的微重力试验结果，判断是否覆盖了各种所述放置方式，若是完全覆盖，则进入步骤(9)；若不是完全覆盖，则进入步骤(5)，更改放置方式以达到更改微重力试验条件的目的；

(9)根据所有获得的微重力试验结果，判断是否覆盖了各种所述液面高度，若是完全覆盖，则进入步骤(9)；若不是完全覆盖，则进入步骤(4)，更改液面高度；

(10)根据所有获得的微重力试验结果，判断是否覆盖了各种所述蓄液器缩比模型部件，若是完全覆盖，则微重力试验完成结束；若不是完全覆盖，则进入步骤(2)，更改蓄液器缩比模型部件。

2.根据权利要求1所述的一种板式推进剂管理装置中的蓄液器性能微重力试验验证方法，其特征在于：所述蓄液器缩比模型部件结构设计涉及总体构型、锥体高度、内锥角度和外锥角度结构参数方面设计；依据总体构型，所述蓄液器缩比模型部件有双圆锥形蓄液器和直板楔形蓄液器两大类；所述内锥体安装固定在外锥体上；所述外锥体高度H为30mm、40mm、50mm、60mm、70mm或80mm，相应的所述内锥体高度h为所述外锥体高度H的一半；所述外锥角度α为42°、45°、48°或51°，相应的所述内锥角度β依次对应2°、5°、8°或11°。

3.根据权利要求1所述的一种板式推进剂管理装置中的蓄液器性能微重力试验验证方法，其特征在于：所述方形液槽采用有机玻璃材料，其折射率为1.491，透光率为90％。