CN104133039A - 卫星电推进工质氙气的充装特性测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卫星电推进系统氙气工质充装特性测试的方法，包括氙气饱和蒸气压测试；氙气气相及超临界PVT性质测试；氙气液相PVT性质测试；采用了burnnet法与定容法相结合的测试方法，通过定容静态平衡升温测量不同温度下的氙气饱和蒸气压，拟合饱和蒸气压方程；然后以burnnet-定容法为基础测试了氙气在气相及超临界状态充装特性参数，获得氙气充装的容积常数及充气常数；最后采用定容法测试了氙气在液相条件下的充装特性参数，采用了正向升温测试及反向降温对比的验证方法，获得了一套高精度全量程压力范围的氙气充装特性实测数据及拟合方程，保证试验数据的准确性与可靠性。

Description

卫星电推进工质氙气的充装特性测试方法

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

$N_0=\underset{p_r\→0}{\lim }\frac{p_{r-1}}{p_r}---\left(3\right)$

$\frac{1}{A}=\underset{p_r\→0}{\lim }{p}_r\underset{i=1}{\overset{r}{\mathrm{\Π}}}{N}_i---\left(4\right)$

因此，绘制p_r-1/p_rp_r曲线和p_r曲线，p_r-1/p_rp_r曲线和p_r曲线与纵轴的交点即分别为容积常数N₀和充气常数

定容法是一定量的气体或液体在刚性容器内进行定容加热或放热时，比体积v保持不变，即p₁/T₁＝p₂/T₂，测量不同温度下对应的压力。

通过高精度恒温槽精确控制样品温度，待稳定60分钟后，记录温度和压力，从低温到高温依次进行定容实验(温度范围为-20℃～100℃)，然后进行等温膨胀，再重复上述过程，最后得到整个温度区间不同密度下的压力数据。

电推进系统氙气充装特性测试对卫星充气加压及加注有重要意义，本发明提供了卫星电推进系统氙气工质充装特性测试的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种卫星电推进系统氙气工质充装特性测试的方法，以便准确地测试出卫星电推进系统氙气的充装特性及相关参数。

本发明的方法采用了burnnet装置进行充装气体的物理试验，本发明公开了一种卫星电推进系统氙气工质充装特性测试的方法，包括氙气饱和蒸气压测试；氙气气相及超临界PVT性质测试；氙气液相PVT性质测试；采用了burnnet法与定容法相结合的测试方法，通过定容静态平衡升温测量不同温度下的氙气饱和蒸气压，拟合获得饱和蒸气压方程；然后以burnnet-定容法为基础测试了氙气在气相及超临界状态充装特性参数，获得氙气充装的容积常数及充气常数；最后采用定容法测试了氙气在液相条件下的充装特性参数，采用了正向升温测试及反向降温对比的验证方法，获得了一套高精度全量程压力范围的氙气充装实测数据及拟合方程，保证试验数据的准确性与可靠性。系统覆盖氙气加注与测试使用范围，充装压力范围：0～17MPa，压力测量精度：优于0.05％FS，温度测量范围：-20℃～100℃，恒温精度优于0.05℃；密度范围0kg/l～2.3kg/l，测量精度：优于0.0013kg/l，保证加注与测试要求。本发明所提供的具体方案如下：

本发明方法主要包括以下步骤：

1)氙气饱和蒸气压测试

在测试容器内获得一定量的氙气工质，使得测试容器内的氙气工质的略大于临界密度1.099g/cm³，在测试过程中氙气工质始终为气、液两相状态；分别设置恒温槽温度为-20℃到16.6℃之间的至少30个温度值，待恒温槽温度、测试容器内的氙气压力均稳定60分钟后，使用数据采集系统测量并记录相应温度和压力，即氙气饱和蒸气压数据，拟合出Wagner型饱和蒸气压方程(1)。

$\ln \left(\frac{p}{p_c}\right)=\left(\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i{\mathrm{\τ}}^{c_i}\right)\frac{T_c}{T}---\left(1\right)$

式(1)中，τ＝1-T/T_c，A_i和c_i为拟合系数，T标示温度，临界温度T_C，P标示氙气压力，临界压力P_C。

2)氙气气相及超临界PVT性质测试

利用Burnett法测试氙气气相及超临界PVT性质，首先在高密度条件下从16.6℃到100℃的定容测试，然后在100℃进行等温膨胀，获得较低的密度，再在该密度下重复从16.6℃到100℃的定容测试，并在100℃再进行等温膨胀，最后得到整个温度区间不同密度下的压力数据。

3)氙气液相PVT性质测试

氙气液相区PVT性质通过定容法测试，使用了体积10ml～50ml的高压釜进行，用标准液体对高压釜的体积进行标定，标定完毕后，在-20℃低温下，将氙气充入标定后的高压釜，分步对装有氙气的高压釜加热，调节温度到-20℃到16.6℃之间的某个温度值(至少20个值)，待温度、压力稳定后读取相应数值，并在测试完成后精确称量氙气质量，由氙气质量和高压釜的体积获得比容，进而得到稳定温度、压力下的PVT数据。

本发明技术方案的特点包括:

1.本发明在测试饱和蒸气压过程中，测试容器内工质的平均密度略大于临界密度，使得测试过程中工质始终为气、液两相，同时采用正向升温测试与反向降温比对的验证的方式保证测试数据的准确性。

2.本发明首先进行高密度从低温到高温的定容测试，然后在最高温度进行等温膨胀，获得较低的密度，再重复定容测试和最高温度的等温膨胀过程，最后得到整个温度区间不同密度下的压力数据。

附图说明

图1是现有技术中Burnett法的测试原理图。

具体实施方式

以下介绍的是作为本发明所述内容的具体实施方式，下面通过具体实施方式对本发明的所述内容作进一步的阐明。当然，描述下列具体实施方式只为示例本发明的不同方面的内容，而不应理解为限制本发明范围。

本发明的原理如下：通过定容静态平衡升温测量不同温度下的氙气饱和蒸气压，拟合获得饱和蒸气压方程；然后以burnnet-定容法为基础测试了氙气在气相及超临界状态充装特性参数，获得氙气充装的容积常数及充气常数；最后采用定容法测试了氙气在液相条件下的充装特性参数，采用了正向升温测试及反向降温对比的验证方法，获得了一套高精度全量程压力范围的氙气充装实测数据及拟合方程，保证试验数据的准确性与可靠性。过程包括氙气饱和蒸气压测试、氙气气相及超临界PVT性质测试、氙气液相PVT性质测试3个过程。本发明方法主要包括以下流程：

1)氙气饱和蒸气压测试

测试中首先配置一定量的氙气工质，因测量的温度最高至临界温度附近，充入质量应满足测试容器内工质的平均密度略大于临界密度，使得测试过程中工质始终为气、液两相。设置恒温槽温度，使用数据采集系统读取温度、压力结果，待温度、压力均稳定60分钟后完成该点测试。因测试工质与恒温介质之间热阻大，需一定时间的换热，为检验测试工质与恒温介质是否达到平衡，通过改变恒温介质温度(升高或降低5mK)，监测压力是否改变来判断热平衡的达到，分别记录不同温度条件下的稳定压力值，不少于30个值。

基于氙气饱和蒸气压实验数据，拟合了Wagner型饱和蒸气压方程，方程形式如式(5)所示。

$\ln \left(\frac{p}{p_c}\right)=\left(\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i{\mathrm{\τ}}^{c_i}\right)\frac{T_c}{T}---\left(5\right)$

式中，τ＝1-T/T_c，A_i和c_i为拟合系数。

式(5)的拟合参数如表1所示，临界温度T_c＝289.73K；通过饱和蒸气压数据拟合得到的临界压力p_c＝5836.336kPa；

表1 拟合参数

2)氙气气相及超临界PVT性质测试

Burnett法测试装置的原理图如图1所示，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1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1向容器2(已抽真空)膨胀，待平衡后，关闭阀门，再次测量容器1中工质的压力为p₁，其后重复关闭膨胀阀、容器2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…pr，其中pr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

$N_0=\underset{p_r\→0}{\lim }\frac{p_{r-1}}{p_r}---\left(3\right)$

$\frac{1}{A}=\underset{p_r\→0}{\lim }{p}_r\underset{i=1}{\overset{r}{\mathrm{\Π}}}{N}_i---\left(4\right)$

因此，p_r-1/p_rp_r曲线和p_r曲线与纵轴的交点即分别为容积常数N₀和充气常数经过拟合，容积常数N₀为1.37809625，充气常数为11604.99653339。

继续Burnett法测试，随着膨胀次数的不断增加，气体的密度不断减小，气体逐渐趋近于理想气体(Z→1)，首先进行高密度(即对应16.6℃温度的氙气密度)从低温到高温的定容测试，然后在最高温度100℃进行等温膨胀，获得较低的密度，再重复定容测试和最高温度的等温膨胀过程，最后得到整个温度区间不同密度下的不少于100个点的压力数据。

2)氙气液相PVT性质测试

液相区PVT性质通过定容法实现，主要包括一个已知体积的高压釜(测试本体)，用标准液体对高压釜的体积进行标定，标定完毕后，在低温下，将待测工质充入已知体积的高压釜，分步对系统加热，调节系统的压力温度到测定目标值，待温度压力稳定后读取其数值，测试完成后精确称量工质质量，由待测工质的质量和高压釜体积可获得比容，进而可得到平衡温度压力下的PVT数据，不少于20个值。

尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.卫星电推进系统氙气工质充装特性测试的方法，包括以下步骤：

1)氙气饱和蒸气压测试

在测试容器内获得一定量的氙气工质，使得测试容器内的氙气工质的略大于临界密度1.099g/cm³，在测试过程中氙气工质始终为气、液两相状态；分别设置恒温槽温度为-20℃到16.6℃之间的至少30个温度值，待恒温槽温度、测试容器内的氙气压力均稳定60分钟后，使用数据采集系统测量并记录相应温度和压力，即氙气饱和蒸气压数据，拟合出Wagner型饱和蒸气压方程(1)：

$\ln \left(\frac{p}{p_c}\right)=\left(\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i{\mathrm{\τ}}^{c_i}\right)\frac{T_c}{T}---\left(1\right)$

式(1)中，τ＝1-T/T_c，A_i和c_i为拟合系数，T为温度，P为氙气压力，临界温度T_C，临界压力P_C。

2)氙气气相及超临界PVT性质测试

利用Burnett法测试氙气气相及超临界PVT性质，首先在高密度条件下从16.6℃到100℃的定容测试，然后在100℃进行等温膨胀，获得较低的密度，再在该密度下重复从16.6℃到100℃的定容测试，并在100℃再进行等温膨胀，最后得到整个温度区间不同密度下的压力数据；

3)氙气液相PVT性质测试

氙气液相区PVT性质通过定容法测试，使用了体积10ml～50ml的高压釜进行，用标准液体对高压釜的体积进行标定，标定完毕后，在-20℃低温下，将氙气充入标定后的高压釜，分步对高压釜加热，调节温度到-20℃到16.6℃之间的某个温度值(至少20个点)，待温度、压力稳定后读取相应数值，并在测试完成后精确称量氙气质量，由氙气质量和高压釜的体积获得比容，进而得到稳定温度、压力下的PVT数据。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，高压釜的体积为10ml～50ml。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述的标准液体为去离子水和四氟乙烷。