[发明专利]旋流式在轨气液分离装置

说明书

技术领域

本发明属于在轨服务技术领域，是一种液体推进剂在轨补给气液分离装置。

背景技术

由于航天器在轨补给技术具有广阔的应用前景，各航天大国竞相发展在轨补给技术。在轨加注过程中，需要采取有效的气液分离措施，保证供给方提供不含气推进剂，以增大受补给贮箱的充满率。在空间微重力条件下，气泡会悬浮在推进剂中，实现这个过程就变得很困难。目前，气液分离方式包括：利用隔膜将推进剂与增压气体隔离，利用离心、推进等方式模拟重力，利用液体表面张力等(PeterKittel.OrbitalResupplyofLiquidHelium[J].J.Spacecraft.1986,23(4):391-396.)。气液分离技术直接关系到补给方式的选择、补给速度、受补给贮箱最终充满率等。推进剂在轨补给要以快速、高效、抗干扰能力强、可靠性高的气液分离技术为前提。

虽然隔膜贮箱和表面张力贮箱得到在轨应用，但存在着如下缺点：

1)隔膜式贮箱的隔膜存在氧化、腐蚀、渗透等问题，使用寿命很有限，贮箱重量大，排出效率有限。橡胶隔膜与推进剂存在相容性问题，且不能用于低温推进剂。

2)表面张力贮箱作为供给贮箱，在加注流量较大时会排出气泡，从而限制了补给速度。表面张力比较小，内角处形成的气液界面极易受到加速度扰动的影响，叶片结构在10^-4g至10^-3g加速度下就会失效。网屏刚度低、易变形、容易阻塞、可靠性低。多孔板孔径在微米数量级，难以加工。贮箱内部结构复杂，制造有一定难度，成本较高(李治.卫星用表面张力贮箱设计研究[D].长沙:国防科技大学,2002.)。

发明内容

本发明的一种基于离心力的在轨气液分离装置，目的是在推进剂在轨补给过程中，向补给方提供不含气体的纯液体推进剂，揭示微重力环境中气液两相流行为特性，获得空间旋流式气液分离器设计的依据。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于离心力的在轨气液分离装置主要包括一段螺旋形空心圆管，圆管的一端为气液混合物的入口，另一端分隔成两部分，其中一部分为气体出口，另一部分为液体出口。当气液混合物从入口进入螺旋形空心圆管后，由力学原理知，离心加速度为

a=v2r---(1)]]>

式中，a为离心加速度(m/s²)，v为流速(m/s)，r为螺旋半径(m)。作用在液滴上的力有离心力、气体阻力。

液滴受合力作用向螺旋管外侧运动。液滴所受离心力为

F_l＝m_la＝ρ_lV_la(2)

式中，m_l为液滴质量(kg)，ρ为液滴密度(kg/m³)，V_l为液滴体积(m³)。

气体对液滴的阻力与液滴在空心圆管截面上的运动速度平方、液滴在运动方向上的投影面积、气体密度成正比，可用下式表示

R=ξπd24ω22ρg---(3)]]>

式中，R为气体对液滴的阻力，ξ为阻力系数，ω为液滴在空心圆管截面上的运动速度(m/s)，d为空心圆管截面的直径，液滴运动距离为d时所需时间为