CN113493001B - 微重力流体管理装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及卫星宇航领域内的一种微重力流体管理装置，包括底座、网式表面张力管理组件和气液相管理腔；所述气液相管理腔包括气液两相贮存腔、外管理腔和内管理腔，所述外管理腔与所述底座连通并通过所述底座排液和加注气液相流体，所述网式表面张力管理组件包括气窗网片、中间层网片以及外层网片，所述气窗网片的泡破点小于所述中间层网片和所述外层网片的泡破点；所述气液两相贮存腔与所述外管理腔通过所述气窗网片连通，所述外管理腔与所述内管理腔通过所述中间层网片连通，所述内管理腔与所述气液两相贮存腔通过所述外层网片连通。本发明有效解决了目前微重力流体管理装置无法通过单接口同时实现纯液相供给和气液相加注功能的问题。

Description

微重力流体管理装置

技术领域

本发明涉及卫星宇航技术领域，具体地，涉及一种微重力流体管理装置。

背景技术

微重力流体管理技术作为航天工程中的关键技术之一，广泛应用于空间飞行器的四大系统：推进系统、热控制系统、环境控制及生命保障系统、电源系统。其中气液分离和获取技术是微重力管理技术的核心。例如，推进系统中推进剂的贮存和供给要求输送至发动机的推进剂不夹气且具有足够的流量；环境控制及生命保障系统中饮用水的贮存和供给需保证水/气隔离和安全供水。

随着空间探索活动的快速发展，微重力流体管理也面临新的挑战。比如要实现超长周期任务，飞行器需要更多燃料，航天员也需要长期生活停留。这很难通过单次携带实现，只能采用在轨补加。因此，要求微重力管理装置在具备流体贮存供给功能的基础上还具备可补加功能。

网式表面张力管理装置是目前重要的微重力流体管理装置，其通过毛细网的蓄留能力实现对流体的管理。主要原理为毛细网将管理装置分割成两个腔，只要满足维持能力准则，液相可以从气液两相腔进入纯液腔，而气相无法进入。为实现空间补加功能，目前网式表面张力管理装置主要通过在气液两相腔一侧设置补加接口以避免直接通过排出接口加注造成毛细管需留能力的实效。然而，对于飞行器，多设置一个接口会增加一整套管路、控制阀和控制系统。因此，需要设计一种新的管理装置以实现通过单一接口完成微重力流体的加注和排出功能。

经现有技术检索发现，中国发明专利公开号为CN102991729A，公开了一种轻质网式表面张力贮箱，包括气口、上半球形封头、圆柱段、防晃锥、放气杯、中间底隔板、中底收集器、收集器连接管、中收集器、气泡陷阱、液口和下半球形封头；所述球形封头与圆柱段、气口与上半球形封头、液口与下半球形封头分别采用氩弧焊焊接，所述中间底隔板与圆柱段和下半球形封头焊接，将贮箱分为上下两舱，中底收集器位于中间底隔板上，所述防晃锥与中间底隔板焊接固定，位于贮箱上舱，所述收集器连接管、中收集器与气泡陷阱连接组成推进剂管理装置，并置于贮箱下舱。该发明专利技术就存在上述相关问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种微重力流体管理装置。

根据本发明提供的一种微重力流体管理装置，包括底座、网式表面张力管理组件和气液相管理腔；

所述气液相管理腔包括气液两相贮存腔、外管理腔和内管理腔，所述外管理腔与所述底座连通并通过所述底座排液和加注气液相流体，所述网式表面张力管理组件包括气窗网片、中间层网片以及外层网片，所述气窗网片的泡破点小于所述中间层网片和所述外层网片的泡破点；

所述气液两相贮存腔与所述外管理腔通过所述气窗网片连通，所述外管理腔与所述内管理腔通过所述中间层网片连通，所述内管理腔与所述气液两相贮存腔通过所述外层网片连通；

排液时，所述气液两相贮存腔内的气液两相流体依次经所述外层网片和所述中间层网片，或者直接经所述气窗网片气液分离后，仅液相流体流入所述外管理腔，并通过所述底座排出；

加注时，气液相流体通过所述底座进入所述外管理腔内，气相流体经所述气窗网流入所述气液两相贮存腔内，液相流体经所述中间层网片进入所述内管理腔，或者，液相流体经所述气窗网片进入所述气液两相贮存腔内。

一些实施方式中，所述气窗网片与中间层网片的泡破点差值大于等于300Pa,所述气窗网片与外层网片的泡破点差值大于等于300Pa。

一些实施方式中，所述中间层网片与所述外层网片的泡破点相同或不同。

一些实施方式中，所述气窗网片的网片面积为所述中间层网片和所述外层网片网片面积之和的20％-70％。

一些实施方式中，所述中间层网片作为所述外管理腔与所述内管理腔共有的壁板。

一些实施方式中，所述中间层网片为L型结构或弧形结构。

一些实施方式中，所述中间层网片包括横向网片和竖向网片，所述横向网片与所述竖向网片通过一体成型或焊接构成L型结构或弧形结构。

一些实施方式中，所述内管理腔为多个。

一些实施方式中，所述网式表面张力管理组件还包括承托板，所述承托板表面设有通孔，所述气窗网片、所述中间层网片以及所述外层网片均密封夹持于两块所述承托板之间。

一些实施方式中，所述微重力流体管理装置为金属材料结构体或非金属材料结构体。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明通过腔体间的结构设计以及采用不同泡破点值的网式表面张力管理组件，有效解决了目前微重力流体管理装置无法通过单接口同时实现纯液相供给和气液相加注功能的问题。

2、本发明通过对气液相管理腔结构的优化设计，通过增大中间层网片与外层网片的面积降低气液相流体对气窗网片的压力，从而提高装置的整体安全系数。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提供的微重力流体管理装置结构示意图；

图2为本发明提供的微重力流体管理装置排液工作示意图；

图3为本发明提供的微重力流体管理装置加液工作示意图；

图4为本发明提供的微重力流体管理装置中网式表面张力管理组件结构示意图；

附图中的标记对应的结构为：

1-底座，2-网式表面张力管理组件，21-气窗网片，22-中间层网片，221-横向网片，222-竖向网片，23-外层网片，24-承托板，3-气液相管理腔，31-气液两相贮存腔，32-外管理腔，33-内管理腔。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

本发明提供了一种微重力流体管理装置，如图1至图4，包括底座1、网式表面张力管理组件2以及气液相管理腔3。底座1设有进出口，用于供气液相流体进入和排出，其气液相流体是指气相流体、液相流体以及气液两相流体。气液相管理腔3包括有气液两相贮存腔31、外管理腔32和内管理腔33，其中，外管理腔32和内管理腔33位于气液两相贮存腔31中，底座1与外管理腔32连通，外部的气液相流体通过底座1直接进入外管理腔32内，气液相管理腔3内的液相流体自外管理腔32通过底座1排出至气液两相贮存腔31的腔体之外。

网式表面张力管理组件2安装于外管理腔32以及内管理腔33上，用于实现腔体间气液相流体的流通，包括有气窗网片21、中间层网片22以及外层网片23。气窗网片21安装于外管理腔32的壁板上，气液两相贮存腔31与外管理腔32之间通过气窗网片21实现气液相流体的流通，中间层网片22安装于外管理腔32与内管理腔33之间上并用于外管理腔32与内管理腔33之间液相流体的流通，如外管理腔32与内管理腔33设有共同的壁板，则，中间层网片22设置于两者共同的壁板上，如外管理腔32与内管理腔33两者间隔一定距离通过管道连通时，则中间层网片22则设置于连通管道中，外层网片22安装于内管理腔33的壁板上并用于内管理腔33和气液两相贮存腔31之间液相流体的流通。优选的，如图4所示，还包括有承托板24，承托板24上均布有通孔，气窗网片21、中间层网片22以及外层网片23分别由两块承托板24密封夹持，通过承托板24与腔体壁板连接，操作方便，连接牢固。气窗网片21的泡破点分别低于中间层网片22和外层网片23的泡破点。优选的，气窗网片21的泡破点低于中间层网片22泡破点的值大于等于300Pa,同样的，气窗网片21的泡破点低于外层网片23泡破点的值大于等于300Pa,而中间层网片22与外层网片23两者的泡破点可相同，亦可不同。通过调整气窗网片21与中间层网片22以及外层网片23的泡破点的差值，可满足不同气液相加注流量的要求。

上述中，微重力流体管理装置可采用与气液相流体相容的金属材料通过焊接的方式形成，亦可采用与气液相流体相容的非金属材料通过胶接的方式形成。

上述中，气窗网片21、中间层网片22以及外层网片23的安装角度以及安装位置可根据实际情况确定，如，是否倾斜设置以及倾斜的角度等可根据气液相流量等实际情况确定，安装位置可根据气液相流体的进、排路径要求确定。

本发明的工作原理阐述如下：

本发明申请的微重力流体管理装置进行排放流体时，参照附图2所示，路径I：气液两相贮存腔31内的气液两相流体经外层网片23进行气液分离后进入内管理腔33内，内管理腔33内的液相流体经中间层网片22进入外管理腔32，最终通过底座1排出至气液两相贮存腔31之外。路径II：气液两相贮存腔31内的气液两相流体直接经气窗网片21进行气液分离后进入外管理腔32内，进而通过底座1排出至气液两相贮存腔31之外。在气窗网片21失效进气之前，外管理腔32内一直处于纯液相状态，保证排出液相不夹气。

本发明申请的微重力流体管理装置进行加注工作时，分为单相流体加注和气液两相流体加注，具体地分为：纯液相、纯气相、小流量气液两相和大流量气液两相四种状态，参照附图3所示：

纯液相加注时，液相流体通过底座1上的接口进入外管理腔32内，此时通过两条加注路径实现加液：路径III为液相流体经中间层网片22进入内管理腔33，继而再通过外层网片23进入气液两相贮存腔31内贮存；路径IV为液相流体直接经气窗网片21进入气液两相贮存腔31内进行贮存。因过程中加注的始终为液相流体，可确保外管理腔32和内管理腔33内始终为纯液相。

纯气相加注：气相流体通过底座1上的接口进入外管理腔32内，此时，气相流体通过路径IV实现加气，即气相流体直接经气窗网片21进入气液两相贮存腔31内贮存。过程中加注的始终为气相流体，经路径IV进行加气，可确保内管理腔33内始终为纯液相。

小流量气液两相加注：小流量气液两相流体加注时，液体过网流阻低于气窗网片21的泡破点，此时，通过两条加注路径实现加液：路径III为气液两相流体首先经中间层网片22进行气液分离后进入内管理腔33内，继而内管理腔33内的液相流体经外层网片23进入气液两相贮存腔31内贮存；路径IV为气液两相流体直接经气窗网片21进行气液分离后进入气液两相贮存腔31内贮存。过程中，气窗网片21、中间层网片22以及外层网片23的功能均为阻气排液，可确保内管理腔33内始终为纯液相。

大流量气液两相加注：大流量气液两相流体加注时，液体过网流阻间歇性高于气窗网片21的泡破点，此时通过两条加注路径实现加液和加气：路径III为气液两相流体经中间层网片22气液分离后进入内管理腔33内，继而内管理腔33内的液相流体经外层网片23进入气液两相贮存腔31内贮存；路径IV为间歇性开启加气模式，气液两相流体通过气窗网片21进行气液分离后液相进入气液两相贮存腔31内，间歇性地，当外管理腔32内气体过多，使得筛网流体接触面积减少，流阻进一步增加将开启加气模式，此时，气液两相流体中的气体通过气窗网片21进入气液两相贮存腔31内存储。过程中，中间层网片22与外层网片23的气液分流功能正常，加气模式间歇性地工作，确保了内管理腔33内始终为纯液相。

本发明通过腔体间的结构设计以及采用不同泡破点值的网式表面张力管理组件，有效解决了目前微重力流体管理装置无法通过单接口同时实现纯液相供给和气液相加注功能的问题。

实施例2

本实施例2是在实施例1的基础上形成，通过对气液相管理腔结构的优化设计，通过增大中间层网片与外层网片的面积降低气液相流体对气窗网片的压力，从而提高装置的可靠性。具体地：

如图1至图4所示，中间层网片22作为外管理腔32和内管理腔33两者共同的腔体壁板，即中间层网片22作为外管理腔32一侧壁板的同时也作为内管理腔33的一侧壁板。外管理腔32和内管理腔33两者通过使用中间层网片22作为共同的腔体壁板，增大了中间层网片22的面积，提高单位时间内自外管理腔32进入内管理腔的液相流体的流量，从而减少外管理腔32单位时间内的贮存的气液相流体的量，降低外管理腔32内的压力，进而对系统内泡破点相对较低的气窗网片21实施间接保护，延长装置的使用寿命。优选的，中间层网片22的整体结构为L型结构或弧形结构，进一步增大了外管理腔32和内管理腔33两腔体之间的中间层网片的面积。L型结构或弧形结构的中间层网片22包括有横向网片221和竖向网片222，横向网片221与竖向网片222通过一体成型或焊接的方式形成L型结构或弧形结构的中间层网片22，其中焊接方式中优选为通过电子束焊接实现两者的连接。进一步的，与外管理腔32连通的内管理腔33可为多个，每个内管理腔33与外管理腔32均通过中间层网片22作为两者共同的腔体壁板。

同样地，在一定范围内提高内管理腔33与气液两相贮存腔31之间的外层网片23的网片面积，亦可间接地减少外管理腔32单位时间内的存储的气液相流体的量，降低外管理腔32内的压力，进而对系统内泡破点相对较低的气窗网片21实施间接保护。

上述中，微重力流体管理装置中，气窗网片21的总面积为中间层网片22与外层网片23两者面积之和的20％-70％之间，效果较佳。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种微重力流体管理装置，其特征在于，包括底座(1)、网式表面张力管理组件(2)和气液相管理腔(3)；

所述气液相管理腔(3)包括气液两相贮存腔(31)、外管理腔(32)和内管理腔(33)，所述外管理腔(32)与所述底座(1)连通并通过所述底座(1)排液和加注气液相流体，所述网式表面张力管理组件(2)包括气窗网片(21)、中间层网片(22)以及外层网片(23)，所述气窗网片(21)的泡破点小于所述中间层网片(22)和所述外层网片(23)的泡破点；

所述气液两相贮存腔(31)与所述外管理腔(32)通过所述气窗网片(21)连通，所述外管理腔(32)与所述内管理腔(33)通过所述中间层网片(22)连通，所述内管理腔(33)与所述气液两相贮存腔(31)通过所述外层网片(23)连通；

排液时，所述气液两相贮存腔(31)内的气液两相流体依次经所述外层网片(23)和所述中间层网片(22)，或者直接经所述气窗网片(21)气液分离后，仅液相流体流入所述外管理腔(32)，并通过所述底座(1)排出；

加注时，气液相流体通过所述底座(1)进入所述外管理腔(32)内，气相流体经所述气窗网片(21)流入所述气液两相贮存腔(31)内，液相流体经所述中间层网片(22)进入所述内管理腔(33)，或者，液相流体经所述气窗网片(21)进入所述气液两相贮存腔(31)内。

2.根据权利要求1所述的微重力流体管理装置，其特征在于，所述气窗网片(21)与中间层网片(22)的泡破点差值大于等于300Pa,所述气窗网片(21)与外层网片(22)的泡破点差值大于等于300Pa。

3.根据权利要求2所述的微重力流体管理装置，其特征在于，所述中间层网片(22)与所述外层网片(23)的泡破点相同或不同。

4.根据权利要求1所述的微重力流体管理装置，其特征在于，所述气窗网片(21)的网片面积为所述中间层网片(22)和所述外层网片(23)网片面积之和的20％-70％。

5.根据权利要求1或4所述的微重力流体管理装置，其特征在于，所述中间层网片(22)作为所述外管理腔(32)与所述内管理腔(33)共有的壁板。

6.根据权利要求5所述的微重力流体管理装置，其特征在于，所述中间层网片(22)为L型结构或弧形结构。

7.根据权利要求6所述的微重力流体管理装置，其特征在于，所述中间层网片(22)包括横向网片(221)和竖向网片(222)，所述横向网片(221)与所述竖向网片(222)通过一体成型或焊接构成L型结构或弧形结构。

8.根据权利要求6或7所述的微重力流体管理装置，其特征在于，所述内管理腔(33)为多个。

9.根据权利要求1所述的微重力流体管理装置，其特征在于，所述网式表面张力管理组件(2)还包括承托板(24)，所述承托板(24)表面设有通孔，所述气窗网片(21)、所述中间层网片(22)以及所述外层网片(23)均密封夹持于两块所述承托板(24)之间。

10.根据权利要求1所述的微重力流体管理装置，其特征在于，所述微重力流体管理装置为金属材料结构体或非金属材料结构体。

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