磁补偿微重力下磁流体毛细流动特性仿真和实验研究

• 作 者: 张泽宇
• 出 处: 上海交通大学
• 发表日期: 2020年06期
• 关键词: 微重力 磁补偿 磁流体

我国航天领域正进入新的阶段——地球轨道空间站、月球探测、火星以远深空探测。无论是新型航天器低温推进剂贮存与管理还是空间站基础流体力学基础研究,都不可避免地涉及到微重力环境这一重要因素。在微重力条件下,由于表面张力占据主导地位,流体气液相界面形状以及与固体壁面之间的相互作用与常重力下的实验规律存在区别。因此,对于微重力条件下的低温推进剂在轨贮存和管理技术而言,贮箱内推进剂的气液相界面以及沿贮箱壁面和液体获取装置(LAD)的爬升很可能会呈现出许多特殊的规律,这对于在轨推进剂管理有着重大影响。研究流体在微重力条件下的毛细流动过程,对于新阶段航天技术的发展具有基础性支撑价值。开展推进剂微重力状态特性试验研究,首要条件是获得时间长、稳定性高、成本低、便于可视化观察和测量、以及允许介入操作的微重力环境。以往对微重力环境下流体热力状态的实验研究基本上都是通过落塔、飞机抛物线飞行、探空火箭、航天飞机以及国际空间站等途径实现。前两项实验过程短暂,在几秒到几十秒量级,且现有条件通常无法承载低温设备和保持低温环境,无法满足低温热学实验要求;而后三项则实现成本高昂,且任务排队周期长,无法获得充分的实验数据。同时,不管是传统的地面微重力试验条件还是当前空间在轨微重力试验条件,都难以对液氢、液氧这类低温流体进行微重力环境实验。因此,发展一种新型的流体微重力环境模拟实验手段十分必要。这种新的微重力试验方法应该具备低成本、可长时间维持的重要特征,同时也应该能够适用于液氢、液氧等低温流体。利用磁场进行重力场补偿是一条具有竞争力的技术途径。本文将介绍磁流体磁补偿微重力环境系统的设计、搭建和实验;微重力环境流体内角毛细流动数值模拟;以及今后直接针对液氧的超导磁场微重力环境实现方案和磁补偿微重力实验的天地一致性讨论等方面的研究工作。具体如下:首先,利用铁磁流体的磁性特征,通过外部施加磁场来抵消液体每一质点所受重力,来获得与空间轨道相似的均质微重力环境。该方案采用麦克斯韦线圈–亥姆霍兹线圈组合在其中心区域生成一个均匀的梯度磁场,从而为位于设计点处的磁流体提供均匀的与重力方向相反的磁场力。该方案具有易实现、成本低、可重复、重力水平可调节且实验维持时间长等优点。在详细磁场方案设计、模拟计算的基础上,搭建了磁补偿微重力实验系统,能够在Φ40mm×80mm的区域内实现均匀性优于95%的微重力环境,基本满足进行初步微重力实验的需求。接着,对空间推进剂管理技术中常见的两种蓄流和导流单元(筛网、肋板)在上述微重力实验台上进行了系列测试,考察了筛网和肋板在不同重力水平条件下的蓄流能力。实现发现在所测范围内筛网目数适当小些反而能够获得较强的蓄流能力。对于肋板,在满足内角流动条件下,内角角度越小或流体接触角越小,肋板蓄流能力越强。同时,还利用数值模拟和偏微分方程分析方法,对流体在微重力环境下的内角毛细流动过程进行了解析和数值模拟,研究了不同内角、不同接触角对内角毛细流动的作用关系。最后,给出了针对低温推进剂氧化剂液氧的超导磁体微重力实验系统方案,设计了实现高精度磁补偿的磁场结构,提出了解决模拟微重力环境和变加速度环境的磁体方案,理论上可实现Φ100mm×195mm柱形区域内小于1%的磁补偿力非均匀度。对超导磁补偿微重力的可行性以及天地一致性进行了分析,发现当模拟磁场力非均匀度小于0.1%时,地面磁补偿液氧微重力实验能够实现较好的天地一致性还原。本项研究将为今后开展低温推进剂的地面微重力模拟实验提供初步参考和经验依据。