CN111855909B - 一种测量多孔金属筛网低温泡破特性的实验装置 - Google Patents

Abstract

一种测量多孔金属筛网低温泡破特性的实验装置，包括真空绝热玻璃杜瓦、增压腔、加注/排放系统、压力调节系统和数据采集系统；真空绝热玻璃杜瓦具有双层结构，采用高真空绝热辅助镀银辐射绝热方式；真空绝热玻璃杜瓦顶部通过金属法兰封盖进行端部密封，通过保温塞结构在维持下侧实验区低温环境的同时避免金属法兰封盖温度过低；通过低温截止阀控制气体及低温液体加注/排放系统；通过控制低温调节针阀的开度实现增压腔的压力调节；本发明通过可视化观察窗对实验区气液分布及筛网样本泡破过程进行直接观测，通过压差测量法反映筛网样本的低温泡破特性，为研究多孔筛网低温泡破特性提供了简便可靠的实验手段。

Description

一种测量多孔金属筛网低温泡破特性的实验装置

技术领域

本发明涉及低温推进剂空间气液管理技术领域，具体涉及一种测量多孔金属筛网低温泡破特性的实验装置。

背景技术

随着液氢、液氧等低温推进剂在运载火箭系统中的广泛应用，低温推进剂空间管理技术的发展备受关注。低温推进剂存在温度低、沸点低、表面张力小等特殊性，实现微重力条件下低温推进剂稳定高效的气液管理是目前亟待解决的核心基础技术。在现有的气液管理技术中，基于金属筛网的启动蓝、蓄流阱、通道集液器等推进剂管理装置(PMD)作为一种被动式气液管理方案，其结构简单、稳定可靠、不需要消耗多余能源，已经广泛应用于常温推进剂在轨管理，是低温推进剂空间管理最可行的方案之一。

该装置的核心部件金属筛网由金属细丝编织而成，具有多孔介质结构特性，细丝编织形成的大量微米级孔隙能够有效利用在微重力环境下作用显著的表面张力与毛细力对液体进行芯吸获取，并对气体产生一定的阻隔作用，从而实现微重力条件下的气液分离与管理。金属筛网的气液分离能力反映为对气相的阻隔能力，通过泡破压力表征。泡破压力是指第一个气泡穿透筛网时筛网两侧所能承受的压差，泡破压力越大，筛网气体阻隔能力越强，表示PMD气液管理性能越好。

然而，由于低温流体表面张力远小于常温流体，导致金属筛网的泡破压力在低温区出现显著衰减，尚无法形成高效可靠的低温推进剂空间气液管理方案。目前，该技术仍停留在地面实验室研究阶段，特别是针对筛网泡破压力这一PMD核心参数仍缺乏充足的低温试验数据，对于低温环境下金属筛网泡破过程的瞬态特性、影响因素及性能提升策略尚不明确，大大限制了低温推进系统PMD的设计优化和在轨成熟应用。此时，则需要一种实验方法对多孔金属筛网低温泡破特性开展深入研究。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种测量多孔金属筛网低温泡破特性的实验装置，为低温推进剂筛网式LAD的研究与设计提供数据支持。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种测量多孔金属筛网低温泡破特性的实验装置，包括真空绝热玻璃杜瓦1、增压腔11、加注/排放系统、压力调节系统和数据采集系统；

所述的真空绝热玻璃杜瓦1顶部开口处具有一体式玻璃法兰结构，通过钩型螺栓与金属法兰封盖4连接，并采用氟橡胶圈密封；金属法兰封盖4上设有气/液管路、真空电极、安全阀、引压管的对接接口；金属法兰封盖4下端粘接保温塞6；

所述的增压腔11通过支撑连杆8固定于金属法兰封盖4下端，增压腔11侧壁面与下底面为实体壁面，增压腔11上端口布置筛网样本12，增压腔11侧壁面设有增压管路9和第一引压管13的接口；

所述的加注/排放系统包括排气管路5、注气管路7和注液管路10；排气管路5连通室外环境，通过第三低温截止阀23控制气体排放过程；注气管路7与高压气瓶19连接，通过第二低温截止阀21控制气体加注过程；注液管路10与低温液体杜瓦18连接，通过第一低温截止阀20控制低温液体加注过程；

所述的压力调节系统包括增压管路9、低温调节针阀22和压差传感器25；增压管路9与高压气瓶19连接，通过低温调节针阀22调控进气量；增压腔11的压力调控由压差传感器25反馈，压差传感器25通过第一引压管13和第二引压管14获得增压腔11内、外压力的数据信息，从而反映出筛网样本12的泡破压力信息；第二引压管14的引压口位于液相区内，通过加热丝16保证第二引压管14内全部为气相，加热丝16通过第二真空电极17连接精密电流源24，加热丝16的加热功率由精密电流源24的电流大小控制；

所述的数据采集系统包括数据采集仪26和计算机27；数据采集仪26采集和记录压力、温度参数，传感器信号通过第一真空电极15由真空绝热玻璃杜瓦1内引出；计算机27通过LabView软件监测与记录数据采集仪26的数据信息。

所述的真空绝热玻璃杜瓦1为具有真空夹层的双层壁面结构，真空夹层内部为低于1.0×11^-4Pa的高真空环境，真空夹层内壁表面作镀银处理，在真空绝热玻璃杜瓦1经线0°和180°方向留出一条透明玻璃表面不作镀银处理，作为可视化观察窗2，宽度2-3cm，可视化观察窗2一侧贴有刻度尺3，用于液位测量。

所述的真空绝热玻璃杜瓦1的材质为高硼硅玻璃，无色透明。

所述的保温塞6材料为聚氨酯。

所述的筛网样本12与增压腔11通过焊接或法兰夹持的方式连接。

所述的低温液体采用液氮、液氧或液氢，高压气体采用与低温液体相同工质的气体或者氦气。

本发明的有益效果：

本发明通过采用高真空绝热辅助镀银辐射绝热的真空绝热玻璃杜瓦1实现稳定可靠的低温区实验环境，通过保温塞6在维持下侧实验区低温环境的同时避免金属法兰封盖4温度过低，通过控制低温调节针阀22的开度实现增压腔11压力的稳定调节，通过可视化观察窗2对实验区气液分布及筛网样本12泡破过程进行直接观测，通过压差测量法反映筛网样本12的低温泡破特性，为研究多孔筛网低温泡破特性提供了简便可靠的实验手段。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2为本发明真空绝热玻璃杜瓦1的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来进一步说明本发明的技术方案。

参照图1，一种测量多孔金属筛网低温泡破特性的实验装置，包括真空绝热玻璃杜瓦1、增压腔11、加注/排放系统、压力调节系统和数据采集系统；

所述的真空绝热玻璃杜瓦1的材质为高硼硅玻璃(无色透明)；参照图2，真空绝热玻璃杜瓦1的主体为具有真空夹层的双层壁面结构，真空夹层内部为低于1.0×11^-4Pa的高真空环境，采用真空绝热技术降低外界热环境对低温内腔的热影响；真空夹层内壁表面作镀银处理，降低热辐射对低温内腔的热影响；在真空绝热玻璃杜瓦1经线0°和180°方向留出一条透明玻璃表面不作镀银处理，作为可视化观察窗2，宽度2-3cm，用于观测真空绝热玻璃杜瓦1内工质加注过程、液位位置以及泡破过程；可视化观察窗2一侧贴有刻度尺3，用于液位测量。

所述的真空绝热玻璃杜瓦1顶部开口处具有一体式玻璃法兰结构，通过钩型螺栓与金属法兰封盖4连接，并采用氟橡胶圈密封；金属法兰封盖4上设有气/液管路、真空电极、安全阀、引压管的对接接口；金属法兰封盖4下端粘接保温塞6，保温塞6材料为聚氨酯；保温塞6用于减小真空绝热玻璃杜瓦1内的纵向热影响，一方面阻挡上侧金属法兰封盖4的漏热影响，将下侧区域维持在相对较低的温度用于开展低温实验；另一方面，避免金属法兰封盖4温度过低导致的密封问题；低温液体加注后，真空绝热玻璃杜瓦1内将逐渐形成保温塞6下侧处于低温液体温度而金属法兰封盖4处于接近室温的纵向温度分布。

所述的增压腔11通过支撑连杆8固定于金属法兰封盖4下端，增压腔11侧壁面与下底面为实体壁面，增压腔11上端口布置筛网样本12，筛网样本12与增压腔11通过焊接或法兰夹持的方式连接；增压腔11侧壁面设有增压管路9和第一引压管13的接口。

所述的加注/排放系统包括排气管路5、注气管路7、注液管路10、低温液体杜瓦18、高压气瓶19以及第一低温截止阀20、第二低温截止阀21、第三低温截止阀23；低温液体采用液氮、液氧或液氢等，高压气体采用与低温液体相同工质的气体或者氦气等不凝性气体；排气管路5连通室外环境，通过第三低温截止阀23控制气体排放过程；注气管路7与高压气瓶19连接，通过第二低温截止阀21控制气体加注过程；注液管路10与低温液体杜瓦18连接，通过第一低温截止阀20控制液体加注过程。

所述的压力调节系统包括增压管路9、低温调节针阀22和压差传感器25；增压管路9与高压气瓶19连接，通过低温调节针阀22调控进气量；增压腔11的压力调控由压差传感器25反馈，压差传感器25通过第一引压管13和第二引压管14获得增压腔11内、外压力的数据信息，从而反映出筛网样本12的泡破压力信息，第二引压管14的引压口位于液相区内，为了避免第二引压管14内可能存在液体而影响压力测量准确性，通过加热丝16保证第二引压管14内全部为气相，加热丝16通过第二真空电极17连接精密电流源24，加热丝16的加热功率由精密电流源24的电流大小控制。

所述的数据采集系统包括数据采集仪26和计算机27；数据采集仪26采集和记录压力、温度参数，传感器信号通过第一真空电极15由真空绝热玻璃杜瓦1内引出；计算机27通过LabView软件监测与记录数据采集仪26的数据信息。

本发明的工作原理是：开展实验前，关闭所有阀门，开启第二低温截止阀21和第三低温截止阀23，通过注气管路7向真空绝热玻璃杜瓦1内持续注入实验工质气体，对真空绝热玻璃杜瓦1内腔进行气体置换，避免低温液体加注时发生水蒸气冰堵或杂质气体污染，置换气体由排气管路5直接排放至室外大空间。

置换完毕后，关闭第二低温截止阀21，打开第一低温截止阀20，通过注液管路10对真空绝热玻璃杜瓦1进行加注预冷，第三低温截止阀23始终打开并不断向外排出蒸发气体，保障真空绝热玻璃杜瓦1内腔压力始终保持在常压状态；将液位加注至没过筛网样本12不低于5cm的位置后，关闭第一低温截止阀20，液位通过观测刻度尺3确定。

待真空绝热玻璃杜瓦1内腔建立稳定温度环境后，打开低温调节针阀22，由增压管路9向增压腔11注入气体，建立增压腔11内外压差，即筛网样本12两侧压差；增压速率通过调节低温调节针阀22开度进行控制；筛网样本12上、下两侧压力分别由第二引压管14和第一引压管13引入压差传感器25进行测量；测量压差时，打开精密电流源24调控加热丝16的加热功率，确保第二引压管14内部不存在静液柱，从而保证压差测量的准确性。

在增压腔11增压过程中，通过可视化观察窗2检测筛网样本12表面，当观测到有气泡冒出时表示筛网样本12发生泡破，测量得到的压差数据即为泡破压力；实验数据通过数据采集仪26和计算机27进行记录和存储。实验结束后，关闭所有阀门和仪器仪表，保持第三低温截止阀23常开，在外部漏热影响下静置实验系统复温至室温条件。

以上实施事例只是阐述了本发明的基本原理和特性，本发明不受上述事例限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改变，本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种测量多孔金属筛网低温泡破特性的实验装置，其特征在于：包括真空绝热玻璃杜瓦（1）、增压腔（11）、加注/排放系统、压力调节系统和数据采集系统；

所述的真空绝热玻璃杜瓦（1）顶部开口处具有一体式玻璃法兰结构，通过钩型螺栓与金属法兰封盖（4）连接，并采用氟橡胶圈密封；金属法兰封盖（4）上设有气/液管路、真空电极、安全阀、引压管的对接接口；金属法兰封盖（4）下端粘接保温塞（6）；

所述的增压腔（11）通过支撑连杆（8）固定于金属法兰封盖（4）下端，增压腔（11）侧壁面与下底面为实体壁面，增压腔（11）上端口布置筛网样本（12），增压腔（11）侧壁面设有增压管路（9）和第一引压管（13）的接口；

所述的加注/排放系统包括排气管路（5）、注气管路（7）和注液管路（10）；排气管路（5）连通室外环境，通过第三低温截止阀（23）控制气体排放过程；注气管路（7）与高压气瓶（19）连接，通过第二低温截止阀（21）控制气体加注过程；注液管路（10）与低温液体杜瓦（18）连接，通过第一低温截止阀（20）控制低温液体加注过程；

所述的压力调节系统包括增压管路（9）和压差传感器（25）；增压管路（9）与高压气瓶（19）连接，通过低温调节针阀（22）调控进气量；增压腔（11）的压力调控由压差传感器（25）反馈，压差传感器（25）通过第一引压管（13）和第二引压管（14）获得增压腔（11）内、外压力的数据信息，从而反映出筛网样本（12）的泡破压力信息；第二引压管（14）的引压口位于液相区内，通过加热丝（16）保证第二引压管（14）内全部为气相，加热丝（16）通过第二真空电极（17）连接精密电流源（24），加热丝（16）的加热功率由精密电流源（24）的电流大小控制；

所述的数据采集系统包括数据采集仪（26）和计算机（27）；数据采集仪（26）采集和记录压力、温度参数，传感器信号通过第一真空电极（15）由真空绝热玻璃杜瓦（1）内引出；计算机（27）通过LabView软件监测与记录数据采集仪（26）的数据信息；

所述的真空绝热玻璃杜瓦（1）为具有真空夹层的双层壁面结构，真空夹层内部为低于1.0×11^-4 Pa的高真空环境，真空夹层内壁表面作镀银处理，在真空绝热玻璃杜瓦（1）经线0°和180°方向留出一条透明玻璃表面不作镀银处理，作为可视化观察窗（2），宽度2-3cm，可视化观察窗（2）一侧贴有刻度尺（3），用于液位测量；

所述的真空绝热玻璃杜瓦（1）的材质为高硼硅玻璃，无色透明；

所述的保温塞（6）材料为聚氨酯。

2.根据权利要求1所述的一种测量多孔金属筛网低温泡破特性的实验装置，其特征在于：所述的筛网样本（12）与增压腔（11）通过焊接或法兰夹持的方式连接。

3.根据权利要求1所述的一种测量多孔金属筛网低温泡破特性的实验装置，其特征在于：所述的低温液体采用液氮、液氧或液氢，高压气体采用与低温液体相同工质的气体或者氦气。

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