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板式表面张力贮箱导流板液体传输能力计算方法

来源:火箭推进 浏览 466 次 发布时间:2023-07-18

表面张力贮箱依靠推进剂管理装置Propellant Manage Devices(PMD)蓄留和传输推进剂,PMD由表面张力元件组成。按工作方式,表面张力元件可以分为基于隔板形成楔角的开放式结构(包含导流板、楔形海绵体、贮液槽装置等)和基于毛细网表面张力压差的封闭式结构(包含气泡陷阱、启动篮、复合通道、筛网收集器等)。板式表面张力贮箱(以下简称“板式贮箱”)的PMD构成以开放式表面张力元件为主,通常包括导流板与出口附近的蓄液器。


板式贮箱因为结构简单、零组件少、工艺性好、造价低、扩展性好等优点,在国外得到了大量应用。然而,由于地面环境不是微重力环境,板式贮箱不方便直接进行地面验证,其设计主要依赖于理论计算或仿真计算。


本文首先研究了微重力环境下导流板进行液体驱动的原理,然后据此原理进行了导流板的理论计算,之后进行了中性浮力试验,并将试验结果与理论计算的结果进行了对比。

板式表面张力贮箱中的导流板结构通常应用于10-2~10-4m/s2微重力加速度下,而上表所列加速度已经达到了10-1m/s2,是因为本次计算针对直径200 mm的贮箱。根据相似准则,中性浮力试验基于Bond数相等,根据式(7),200 mm贮箱直径下10-1m/s2时的导流板蓄留能力相当于1 000 mm贮箱直径下4×10-3m/s2时的导流板蓄留能力。


可见,对试验结果对应的加速度取3~4倍系数后,试验结果与计算结果的一致较好。关于3~4倍系数,可以从如下2个方面理解:①理论计算有一定的简化;②中性浮力试验是相似试验,主要考虑了Bond数相似,无法考虑其它的相似条件。基于上述两方面的原因,造成了该系数的存在。


结语


1)针对板式贮箱导流板不便进行地面验证的问题,进行了理论计算研究与中性浮力试验研究,通过计算结果与试验结果的对比迭代,形成了一种经过修正的导流板液体传输能力计算方法。


2)将导流板液体传输能力计算方法进行了程序化,形成了一种工程可用的便捷的导流板计算软件。


3)通过本文研究,促进了板式表面张力贮箱设计技术的发展,加深了从业人员对于导流板性能的认识。