真空模拟环境下液体推进剂蒸发特性的试验研究

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1、第36卷第1期火箭推进V01．36．№．12010年2月JOURNALOFROCKETPROPULSIONFeb．2010真空模拟环境下液体推进剂蒸发特性的试验研究池保华，洪流，李龙飞，杨伟东(西安航天动力研究所，陕西西安710100)摘要：为研究液体推进剂在真空环境下的蒸发特性，建立了真空环境模拟试验系统。对水、饱和盐水、煤油、酒精和凝胶模拟液等工质进行了蒸发特性试验。通过控制系统实时采集了真空舱的真空度和工质温度。试验中观察到了明显的闪蒸现象。由于闪蒸的存在，工质蒸发过程非常剧烈。最后分析了不同

2、工质在真空环境下的蒸发特性，给出了部分工质的闪蒸参数。关键词：真空环境；闪蒸；蒸发特性中图分类号：V511文献标识码：A文章编号：(2010)01—0071—04ExperimentalstudyonevaporationcharacteristicsofliquidpropellantsinvacuumenvironmentChiBaohua，HongLiu，LiLongfei，YangWeidong(Xi7anAerospacePropulsionInstitute，Xi7an710100，Ch

3、ina)Abstract：Asimulantvacuumsystemwasbuilttostudyevaporationcharacteristicsofliquidpropellantsinvacuum．Water，saturatedbrine，kerosene，alcoholandsimulantgelatinwerestudiedintheexperiments．Thevacuumpressuresandtemperaturesofpropellantswererecordedduringth

4、etests．Thesubstancevaporizedexplosivelyduetoflashevaporation，whichcouldbeobservedevi—dently．Theevaporationcharacteristicsofdifferentsubstanceswasanalyzedandparametersofflashboilingwascalculated．Keywords：vacuumenvironment；flashevaporation；evaporationcha

5、racteristic收稿日期：2009—08—07；修回日期：2009—10—12。作者简介：池保华(1982一)，男，硕士，研究领域为液体火箭发动机喷雾燃烧。72火箭推进2010年2月0引言空间发动机工作在低温真空的太空环境，液体推进剂在此环境下常常表现出与地面环境不一样的特性，这些差异对工质的存储和使用会带来影响，甚至影响到发动机点火和冷却性能。闪蒸是真空环境下液体喷射区别于大气环境的最显著的一种现象。当环境压力突然降低到初始温度对应的饱和压力以下时，液体由最初的平衡状态变成过热状态，当压力下

6、降过快时，液体不能全部以显热的方式来释放能量，而是通过快速蒸发以释放潜热，这一过程称为闪蒸。闪蒸通常伴随液体剧烈的相变现象，使蒸发过程存在一定的不确定性。空间发动机多次起动时，由于剧烈的相变改变推进剂的雾化、混合和燃烧特性，影响发动机的点火；对于载人飞船和空间站在太空飞行排放生活废水时，当闪蒸带走的热量过多时，会导致排放管出口结冰，恶化宇航员的生活质量。因此，研究液体工质在真空环境下的蒸发特性对于空间发动机和太空排放设计具有重要意义。DSaury等[1研究了降压速率对水闪蒸的影响，Rajshekha

7、rDOza等[21提出了闪蒸中汽泡的增长模型，JONG—ILKIM等[31分析了低压闪蒸过程中的临界点，吴楚等【4l研究了压力、温度对喷雾特性的影响。这些研究取得了可喜的成绩，但研究多以水为研究对象，对于液体火箭发动机真实推进剂研究较少。随着未来无毒无污染液体火箭发动机的发展，采用煤油、甲烷和酒精作为推进剂成为一种趋势。本文对水、饱和盐水、煤油、酒精和凝胶模拟液等工质在真空模拟试验环境下进行了蒸发特性试验研究。1试验系统介绍1．1试验系统真空模拟试验系统如图1，由真空舱、真空机组、真空计、温度传感器

8、和数据采集系统等组成，基本技术参数如下：f1)真空舱有效使用容积为3m3，极限真空度0．1Pa；(2)真空机组抽真空时间小于30分钟，机组满足在大水蒸汽(300m1)条件下真空舱内真空度不高于500Pa正常工作的能力；(3)真空计可检测真空度范围为0．1Pa至l×105Pa，显示精度为0．01Pa；(4)温度传感器满足真空环境下的正常使用，量程为223．15～373．15K。真空舱侧向设有观察窗，可定性观察工质在真空中的蒸发过程。数据采集系统对真空度、工质温度等进行实