近日，中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所微重力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室北京落塔完成了國(guó)內(nèi)首次低溫流體短時(shí)微重力實(shí)驗(yàn)，這也是國(guó)際上首次以液氧為工質(zhì)的地基短時(shí)微重力落塔實(shí)驗(yàn)。
航天器發(fā)射的綠色化及高比沖需求使低溫推進(jìn)劑備受重視。其中，液氧作為氧化劑，在不同重力環(huán)境的行為對(duì)航天推進(jìn)技術(shù)發(fā)展具有重要影響，影響著航天器發(fā)動(dòng)機(jī)燃料供給系統(tǒng)的穩(wěn)定性。液氧處于-183℃極低溫區(qū)，展現(xiàn)出諸多特殊性質(zhì)，如表面張力、黏度、汽化潛熱等物理性質(zhì)與常溫流體不同。但是，液氧的強(qiáng)氧化能力使得對(duì)其進(jìn)行微重力條件下流動(dòng)與傳熱特性研究面臨技術(shù)挑戰(zhàn)。
力學(xué)所趙建福團(tuán)隊(duì)聯(lián)合上海交通大學(xué)吳靜怡與楊光團(tuán)隊(duì)，解決了低溫可視化、實(shí)驗(yàn)參數(shù)精確控制、實(shí)驗(yàn)安全性保障等技術(shù)難題，完成了模擬貯箱落塔實(shí)驗(yàn)裝置研制、實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)和地面測(cè)試驗(yàn)證等，實(shí)現(xiàn)了對(duì)部分充液的模擬貯箱內(nèi)液氧-氧蒸氣兩相系統(tǒng)在微/變重力環(huán)境下氣液界面演化行為、相變傳熱及貯箱內(nèi)溫度和壓力動(dòng)態(tài)變化過(guò)程的實(shí)驗(yàn)研究。
此次落塔實(shí)驗(yàn)采用單艙模式，微重力水平可達(dá)10-3g，微重力持續(xù)時(shí)間約3.6 s。在實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段，研究人員利用液氮將模擬貯箱腔內(nèi)的高壓氧氣冷凝為液氧，并利用高速相機(jī)對(duì)模擬貯箱內(nèi)流體界面進(jìn)行可視化測(cè)試。科研人員在模擬貯箱內(nèi)液氧充裝量達(dá)到設(shè)計(jì)要求后封艙，將單艙及其內(nèi)部的實(shí)驗(yàn)裝置一起吊裝到落塔83 m釋放平臺(tái)，待模擬貯箱實(shí)驗(yàn)裝置狀態(tài)確認(rèn)無(wú)誤后釋放落艙，觀測(cè)其內(nèi)部液氧-氧蒸氣兩相系統(tǒng)在重力變化下的響應(yīng)行為。實(shí)驗(yàn)完成9次自由下落實(shí)驗(yàn)，獲得了微重力狀態(tài)下液氧氣液界面波動(dòng)與熱力學(xué)行為特征，并剖析了異質(zhì)增壓氦氣、充裝量、初始溫度分布等因素對(duì)貯箱內(nèi)部過(guò)程的影響。
這一實(shí)驗(yàn)將為探討微/變重力低溫流體貯箱流體與熱管理過(guò)程建模提供基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并提升科研人員對(duì)低溫氣液兩相流動(dòng)與相變傳熱規(guī)律的認(rèn)知，同時(shí)有望為低溫推進(jìn)技術(shù)、低溫工質(zhì)在軌長(zhǎng)期存儲(chǔ)與管理、可回收運(yùn)載火箭返回控制技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展提供數(shù)據(jù)支持。
研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、北京市自然科學(xué)基金等的支持。
低溫流體兩相流落塔實(shí)驗(yàn)臺(tái)
落艙釋放前（常重力）的液氧界面（左）和回收階段的液氧界面（右）
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