CN108915897B - 一种通过磁场控制失重/微重力下液氧储罐内液氧流动的方法 - Google Patents

一种通过磁场控制失重/微重力下液氧储罐内液氧流动的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种通过磁场控制失重/微重力下液氧储罐内液氧流动的方法，其特征在于：包括阀门、燃料喷管、燃料储罐、金属泡沫网、磁体；在失重或微重环境中，储罐的气液界面会覆盖喷管管嘴，引起液态氧沿喷管流出进入发动机，从而危害发动机安全；通过外部磁场和铁磁性金属泡沫网，使被磁化的金属泡沫网在周围空间中产生梯度磁场，从而利用开尔文力将液氧吸附在金属泡沫网周围，进而避免液氧覆盖管嘴，提高燃料供应安全性。本发明结构简单，方法独特，效果显著。

Description

一种通过磁场控制失重/微重力下液氧储罐内液氧流动的 方法
技术领域
本发明涉及磁场领域，具体是一种通过磁场控制失重/微重力下液氧储罐内液氧流动的方法。
背景技术
在航空航天工程中，液氧是必不可少的液体燃料用来做航天器推进剂。航天器在轨飞行中通常处于微重、失重状态，在此环境中液氧燃料在燃料系统内流动和存储对于燃料系统的安全至关重要，所以相关研究是航天工程中的重要课题之一。
飞行器携带的氧燃料通常以液态储存在具有绝热特性的罐体内，罐体一端开口，具体如图1所示。在液氧饱和蒸汽压的作用下，罐体内呈气液共存状态。正常工况下，阀门打开后，氧以气体的形式经管嘴流出，进入发动机进行燃烧做功。
在重力环境中，储罐内气液有明显的分界，液相处于罐体底部，远离管嘴位置，可以保证气态氧的顺利喷出。但飞行器在轨飞行中，储罐处于失重或微重环境中，气液界面会覆盖管嘴，形式如图2所示，一旦氧以液态或气液混合态喷出进入发动机，会直接危害到发动机运行安全。所以，通常需要在出口处采用气液分离手段或在罐体内设置其他流动控制装置防止储罐内液氧直接喷出。
本发明在于采用一种通过磁场控制失重/微重力下液氧储罐内液氧流动的方法。
发明内容
本发明的目的是创新性的利用磁场对顺磁物质的作用，提供一种通过磁场控制失重/微重力下液氧储罐内液氧流动的方法。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种通过磁场控制失重/微重力下燃料储罐内液氧流动的方法，其特征在于：采用外部磁场控制液氧流动。
所述方法包括阀门、燃料喷管、燃料储罐、金属泡沫网和磁体。
所述燃料储罐为内中空的壳体结构。所述燃料储罐的外壁上设有一个开孔，用于连接燃料喷管。所述燃料储罐的中空腔内安装有金属泡沫网。
所述金属泡沫网的整体结构呈层状。所述金属泡沫网的层状周边与燃料储罐的中空腔内壁相连。所述金属泡沫网的层状结构将燃料储罐填充或部分填充，填充区域远离燃料喷管。所述金属泡沫网为铁磁性材料。
所述燃料喷管一端与燃料储罐连通，另一端安装有阀门。
所述燃料喷管与燃料储罐相连的一端的外径与燃料储罐的开孔直径相契合。
所述阀门位于燃料储罐的外部。当阀门关闭时，所述燃料喷管和燃料储罐构成的整体呈密闭状。
所述燃料储罐的外壁上安装有磁体。
所述磁体与燃料储罐之间的装配方式包括若干种。所述磁体的形状随装配方式的变化而变化。
所述磁体与燃料储罐之间的装配方式包括环绕式。
所述环绕式中：所述磁体的形状为环形。所述磁体环绕燃料储罐的外壁安装，所述磁体与金属泡沫网处于同一平面上。
进一步，所述燃料储罐的主体高度为H，所述金属泡沫网位于燃料储罐的L处，L＝(/4～3/)×H。
进一步，所述金属泡沫网为铁磁性材料，所述金属泡沫网的材料包括铁、钴或镍金属。所述金属泡沫网的孔隙度在50％以上，厚度范围2～20cm。
进一步，所述磁体的表面剩磁强度为0.1～1.5T，所述磁体包括钕铁硼永磁体。
进一步，所述磁体为径向充磁。
进一步，在金属泡沫网包络空间内形成的磁场强度二次方的梯度(▽B2)范围为50～5000T2/m。
所有在燃料储罐周围配置外部磁场并结合铁磁性金属泡沫网进行内部填充的方式都包含在本权利要求范围内。
值得说明的是：氧属于典型的顺磁性物质，在90K温度下，即航天器储罐内温度下，液氧的磁化系数χ＝3.45×10-3，在梯度磁场下，液氧中产生的开尔文力(Kelvin Force)强度可以远超重力场强度,
Figure BDA0001682255090000021
其中B为磁场强度，T；μ0为真空磁导率，4π×10-7H/m)。
所以通过在罐体外设置外部磁场，辅之结合导磁性较好的铁磁性多孔介质材料，可以在罐体内形成高梯度磁场环境。从而对液态氧形成强度的开尔文力作用，力的方向指向磁场强度增大的方向，通过合理配置外部磁场和填充多孔铁磁性介质材料，可以达到有效控制液态氧的流动，抑制液氧在储罐喷嘴处的覆盖，防止液态氧直接喷出。
本发明通过配置外部磁场结合铁磁性金属泡沫网对罐体进行部分内部填充的方法，使开尔文力作用到磁化系数较高的液氧中，实现在失重/微重环境下对在轨飞行器液氧储罐中液氧流动的控制，避免储罐内液氧覆盖出气管嘴，达到保证气态氧顺利排出的目的。
本发明中的磁体包括但不限于钕铁硼永磁体，为保证充分利用磁场强度，任何形式的外部磁体配置均需要与罐体紧密贴合；环形磁体须径向充磁。
本发明在充分理论计算的基础上，其形成的技术效果是毋庸置疑的，本发明具有以下优点：
1)本发明通过加入磁体和金属泡沫网，使被磁化的金属泡沫网层在周围空间中产生梯度磁场，从而将液氧吸附在金属泡沫网层周围；避免储罐内液态氧覆盖管嘴，提高氧气供应稳定性；
2)在失重或微重环境中，本发明仅仅通过开尔文力可以实现对液氧液面波动以及流动的控制；通过合理计算构建了外部磁场，产生的开尔文力强度范围可以实现对液氧流动进行有效控制，避免储罐管嘴处液氧的覆盖和流出；本发明结构简单，成本低，效果显著。
附图说明
图1为现有技术中的液氧储罐示意图；
图2为失重/微重力环境下储罐内液氧液面示意图；
图3为本发明中控制液氧储罐的结构示意图。
图中：阀门1、燃料喷管2、燃料储罐3、金属泡沫网4、磁体5。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例：
如图3所示，一种通过磁场控制失重/微重力下液氧储罐内液氧流动的方法，其特征在于：采用外部磁场控制液氧流动。
实施例中包括阀门1、燃料喷管2、燃料储罐3、金属泡沫网4和磁体5。
所述燃料储罐3为内中空的球型壳体结构。燃料储罐3的腔内安装有金属泡沫网4，实施例中，金属泡沫网材质为金属镍。
所述金属泡沫网4周边与燃料储罐3的中空腔内壁相连。所述金属泡沫网4将燃料储罐3部分填充，填充区域远离燃料喷管2。。
所述燃料储罐3的主体(即不包含喷管)沿垂直于金属泡沫网4方向的高度为H；
所述金属泡沫网4位于燃料储罐3的L处，L＝(1/2)×H。
所述燃料储罐3一端连接带有阀门1的燃料喷管2，阀门1可打开或切断燃料喷管2；
所述环绕燃料储罐3的外壁装有环形钕铁硼永磁体5，磁体5与金属泡沫网4处于同一高度。
永磁体表面剩磁强度为1.2T。
工作时，所述磁体5将金属泡沫网4磁化，所述金属泡沫网4在周围空间产生有梯度的磁场。
所述燃料储罐3内部的液态氧受到金属泡沫网4产生的开尔文力作用，吸附于金属泡沫网层周围，抑制液氧流动，从而避免液氧直接进入燃料喷管2。

Claims (6)

1.一种通过磁场控制失重/微重力下燃料储罐内液氧流动的方法，其特征在于：采用外部磁场控制液氧流动；
所述方法所采用的装置包括阀门（1）、燃料喷管（2）、燃料储罐（3）、金属泡沫网（4）和磁体（5）；
所述燃料储罐（3）为内中空的壳体结构；所述燃料储罐（3）的外壁上设有一个开孔，用于连接燃料喷管（2）；所述燃料储罐（3）的中空腔内安装有金属泡沫网（4）；
所述金属泡沫网（4）的整体结构呈层状；所述金属泡沫网（4）的层状周边与燃料储罐（3）的中空腔内壁相连；所述金属泡沫网（4）的层状结构将燃料储罐（3）填充，填充区域远离燃料喷管（2）；所述金属泡沫网（4）为铁磁性材料；
所述燃料喷管（2）一端与燃料储罐（3）连通，另一端安装有阀门（1）；
所述燃料喷管（2）与燃料储罐（3）相连的一端的外径与燃料储罐（3）的开孔直径相契合；
所述阀门（1）位于燃料储罐（3）的外部；当阀门（1）关闭时，所述燃料喷管（2）和燃料储罐（3）构成的整体呈密闭状；
所述燃料储罐（3）的外壁上安装有磁体（5）；
所述磁体（5）的形状随装配方式的变化而变化；
所述磁体（5）与燃料储罐（3）之间的装配方式为环绕式；
所述环绕式中：所述磁体（5）的形状为环形；所述磁体（5）环绕燃料储罐（3）的外壁安装，所述磁体（5）与金属泡沫网（4）处于同一平面上。
2.根据权利要求1所述的一种通过磁场控制失重/微重力下燃料储罐内液氧流动的方法，其特征在于：所述燃料储罐（3）的主体高度为H，所述金属泡沫网（4）位于燃料储罐（3）的L处，L=（1/2）×H。
3.根据权利要求1所述的一种通过磁场控制失重/微重力下燃料储罐内液氧流动的方法，其特征在于：所述金属泡沫网（4）为铁磁性材料，所述金属泡沫网（4）的材料包括铁、钴或镍金属；所述金属泡沫网（4）的孔隙度在50%以上，厚度范围2～20cm。
4.根据权利要求1所述的一种通过磁场控制失重/微重力下燃料储罐内液氧流动的方法，其特征在于：所述磁体（5）的表面剩磁强度为0.1～1.5T，所述磁体（5）包括钕铁硼永磁体。
5.根据权利要求1所述的一种通过磁场控制失重/微重力下燃料储罐内液氧流动的方法，其特征在于：所述磁体（5）为径向充磁。
6.根据权利要求1所述的一种通过磁场控制失重/微重力下燃料储罐内液氧流动的方法，其特征在于：在金属泡沫网（4）包络空间内形成的磁场强度二次方的梯度（
Figure DEST_PATH_IMAGE002
）范围为50～5000T2/m。
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