[发明专利]一种低温裸壁贮箱内流体相态观测的可视化实验装置

说明书

一种低温裸壁贮箱内流体相态观测的可视化实验装置，包括低温容器，低温容器侧壁设置可视化窗口与冷光窗口，可视化窗口正对热流调节区；低温液体通过液体加注阀、液体加注管进入低温容器底部；增压气体通过气体电磁阀进入低温容器顶部；安全排气通道外接安全阀与压力传感器；气体泄压通道通过排气阀实现主动排气，或依次流经压力开关、水浴式复温器、流量计实现排气与流量测量；低温容器内设置电容式液位计，低温容器底部通过液体泄流阀控制，气体电磁阀、电容式液位计、压力开关、水浴式复温器、流量计分别通过信号线与集成智能控制器相接；本发明可研究不同热流条件下低温贮箱内流体相态与热分层规律，对低温推进剂品质开展综合评估。

技术领域

本发明涉及运载火箭低温贮箱可视化观测技术领域，具体涉及一种低温裸壁贮箱内流体相态观测的可视化实验装置。

背景技术

新一代运载火箭广泛采用低温推进剂，为了降低推进剂在火箭全任务周期的蒸发损失，低温推进剂贮箱通常包裹20～30mm厚的发泡绝热层。国外也有低温火箭取消了贮箱表面的绝热层，且发射取得了成功。取消绝热层后，贮箱金属壁直接暴露在环境中，在火箭升空过程中，贮箱表面与空气摩擦，产生较大的气动热，引起低温液体推进剂的沸腾损失，造成推进剂可用量不足；此外，当推进剂温度超过规定的许可温度后，该推进剂也无法满足发射要求；过量的沸腾相变也可能引起贮箱超压等危害。因此，必须对贮箱内低温推进剂的相态与温度分布开展评估，为火箭方案设计提供可靠的支撑。

运载火箭低温贮箱在整个任务周期内，贮箱表面所经历的漏热变化范围在100W/m²～20,000W/m²之间。通过地面实验观测贮箱内的流体相态难度较大：为了实现大范围热流边界的调节，贮箱采用真空杜瓦绝热面临极大技术挑战；为了达到观测目的，必须设置低温观测窗与光源窗口，且保证清晰的拍摄效果；开展大热流工况实验时，贮箱内可能发生剧烈沸腾，影响观测，且过冷度维持时间过短；飞行过程中，贮箱压力维持恒定，因此，必须确保贮箱在实验中的压力稳定；裸壁贮箱可能发生外壁面结霜，必须考虑结霜对可视化观测的干扰。

已有的低温可视化观测通常是在小漏热下进行，容器采用真空绝热，热流的调节是通过调节电加热功率来实现；可视化观测时，观测窗与光源窗口正对，光源对观测区干扰明显；现有实验贮箱尺寸较小，无法反应贮箱内流体的热分层特征。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种低温裸壁贮箱内流体相态观测的可视化实验装置，可研究不同热流条件下低温贮箱内流体相态与热分层规律，对大热流下的低温推进剂品质开展综合测试与评估，为该技术在新一代低温火箭的后续应用提供可靠的技术支撑。

为了达到上述目的，本发明通过如下技术方案予以实现：

一种低温裸壁贮箱内流体相态观测的可视化实验装置，包括低温容器1，低温容器1顶部法兰内设置内发泡2，低温容器1底部椭球封头外包裹外发泡3，低温容器1侧壁分别设置可视化窗口5与冷光窗口6，可视化窗口5与冷光窗口6法线在同一高度，且夹角为30°-60°；可视化窗口5正对低温容器1侧壁设置有矩形区域的热流调节区4；冷光窗口6外设置冷光源8，可视化窗口5外布置相机7；

低温容器1顶部通过法兰盖9密封，法兰盖9上分别开设液体加注通道、气体入口通道、安全排气通道、气体泄压通道、及低温容器1内部测点引线通道；低温液体通过液体加注阀10、液体加注管11经液体加注通道进入低温容器1底部；增压气体通过气体电磁阀13经气体入口通道进入低温容器1顶部；安全排气通道外接安全阀15与压力传感器14；气体泄压通道通过排气阀16实现主动排气，或依次流经压力开关17、水浴式复温器18、流量计19实现排气与流量测量；

低温容器1内设置电容式液位计20；低温容器1底部设置排液通道，通过液体泄流阀12控制液体泄流；气体电磁阀13、电容式液位计20、压力开关17、水浴式复温器18、流量计19分别通过信号线与集成智能控制器21相接。