液氦在轨补给技术现状分析

王 华， 崔村燕， 陈景鹏， 张 宇， 孙 健， 李 伟

（1.装备学院 航天装备系，北京101416； 2.装备学院 训练部，北京101416）

为一些在轨飞行器所携带的科学仪器补给液氦，可显著提升其完成任务的能力［1－3］。目前，所有要求温度低于5K的空间载荷都用超流体氦降温［4－7］，包括空 间 红 外 望 远 镜 设 施（space infrared telescope facility，SIRTF）、大 型 展 开 式 反 射 器（large deployable reflector，LDR）和引力探测器－B（gravity probe－B，GP－B），还包括哈伯天文望远镜（Hubble space telescope，HST）和高级X射线天文物 理设备（advanced X－ray astrophysics facility，AXAF）上的某些仪器。在轨补给将会延长这些任务的寿命，与回收这些系统－在地面进行补给－再重新发射相比，困难小、无延迟、成本低。对于一些特殊的系统（如LDR），在太空中组装完成，很难返回地球，必须依靠在轨补给来延长其寿命。

由于液氦属于低温流体，其在空间的贮藏、转移技术与常规推进剂差异较大，一些传统、成熟的技术无法用在液氦的在轨补给方面。世界上的航天大国，尤其是美国，很早就认识到液氦补给对于深空探测的重要意义，因而早在20世纪70年代就开始发展相关的技术。

1 液氦补给方式分析

液体的在轨补给技术发展已经有数十年，有以下补给的方法［8－10］。

1）毛细装置仅适用于小贮箱，或者残余加速度与典型的飞行器环境相比较小的状态。

2）飞行器可以通过快速旋转使供给方和受补方贮箱内发生气液分离，通过对供给方贮箱施加微小压力，液体可以完成转移，但这种技术在空间站实现比较困难。如果利用猛冲的方法获得模拟重力，供给贮箱必须与前方的受补贮箱相连，当受补方被猛推向更高轨道时，完成体转移。在转移结束之后，供给贮箱必须返回地球或者丢弃。

3）利用气囊推动供给液体的方法已经用于可在太空环境下贮存的液体。把这种方法应用到低温液体转移的关键是要找到一种可制作此类气囊的材料以及对气囊施加压力的方法。气囊既要有弹性，又要有密封性。由于超流体氦比其他物质都更容易泄露，所以密封性比较难以实现，只有薄金属膜能满足这种要求。对气囊施加压力的通常方法是利用不可压气体从膜的一边施加压力。但这种方法显然不适用于液氦系统，因为没有适合的不可压气体可用。所有的气体，即便是氦的同位素，在所需压力达到前都会凝结。气囊也可通过螺线管、电机驱动，或者远程活塞驱动杆驱动。这些方法需要低温机械及施加较大的力，对于一个104L的球形贮箱，需要的力大于2×106N。

4）替换低温贮箱。如果低温贮箱在被冷却设备之外，则比较容易实现。此结构有2个弊端：一是增加因耦合而产生的寄生热负载（减少低温系统的寿命）；二是难以对所需冷却的设备进行充分冷却。实际上，许多装置需要通过与低温贮箱直接接触而获得足够的冷却效果，这样易于安排内部的贮箱。若利用贮箱置换的方法更换内部的液氦贮箱，则内部的贮箱与其他设备必须绝缘；更换的过程中，不仅需要可拆卸的绝缘连接装置，而且要求次连接装置的热导率极高。此外，还需要一个特定的绝缘室，以保护低温贮箱在运输和置换过程中免遭污染和热载荷的影响。

5）在转移过程及之后，把制冷剂从高压冷气体变成液体。这个过程效率极低，因为只有一部分供给气体可以液化，其余的将作为低压气体排出，而且在保证没有液体逃逸的前提下抽空其他气体也是非常困难的。

6）利用机械泵驱动液氦。但设计出在液氦的温度下能够正常工作的机械泵还需要很多关键技术需要突破。

综上所述，前5种方法都不适用于液氦的在轨转移，而第6种方法也是不现实的。因此，本文将介绍一种利用液氦特有的超流体性质而实现有效在轨转移的热机械泵机制。

2 液氦在轨转移机制

在饱和蒸汽压下，2.17K时，液氦发生相变（λ转变），如图1所示［11］。

图1 氦的温度－压强相变图

低温相就是超流体氦，因为在这样的条件下，氦已经表现出无黏流动特性。超流体状态可描述为2类流体的弱相互作用，一类是“正常”流体，具有密度ρn和黏性ηn，另一类为“超流体”，密度为ρs，黏度为0。此状态下液氦的密度可由2类液体的密度计算得到。正常组分可能携带熵S，而超流体组分处于较低能量状态，因而不携带热量。2类流体模型可用于解释超流体氦的独特效果——热机械效应，对于把超流体氦从一个容器向另一个容器转移比较有利。

假设容器A和B都装有超流体氦，2个容器之间有管道连接。初始时，A和B的温度一致，如果加热容器A，热量将会通过正常组分传到B，流动速度为vn。同时，受化学势能差的驱动，超流体组分将从B逆流向A，直到两边的密度和液面相等。如果此时在连接管道上开一些细孔，超流体组分仍然由B流向A，另外，由于其有限的黏性，正常组分由A向B的流动将受阻。如果孔足够小，实际上就没有正常组分由A流向B，也就没有热量传递。这样TA显然会上升，液面也随之上升。这样转移过程将会持续，直到液体流入B，二者的液面一样高。液氦在轨转移机制如图2所示。

A和B之间的静压力为

式中：ρ是氦的密度；S是比熵；ΔT为通过孔时的温降（TA－TB）。ΔP亦称为热机械效应或者喷泉效应压力，其值可达半个大气压，或更高。

图2 液氦在轨转移机制示意图

3 液氦转移技术在轨验证试验

目前已经公开发布的液氦转移技术在轨验证试 验 只 有NASA的SHOOT项 目［12－14］。超 流 体氦在轨转移（SHOOT）飞行验证的目的是验证空间氦在轨补给技术，同时，也发展了一些在太空中使用超流体氦的通用装置。

SHOOT在1993年6月21日 作 为STS－57（shuttle transport system，STS）的部分任务在空间在轨飞行器上开展。在轨操作包括3个阶段：把超流体氦泵出并用电子设备检验，在地面控制氦的转移，由宇航员控制转移。

3.1 SHOOT计划的主要硬件及功能

超流体转移的第1步就是在供给杜瓦瓶内收集液体，把其注入到泵的入口管道内。这个任务由液体获取装置（liquid acquisition device，LAD）完成。表面张力通过2种不同的途径把2个杜瓦瓶内的液体定位。在左舷杜瓦瓶内，LAD是由60个径向的铝制Mylar®叶片组成，这些叶片在泵的周围形成了一种“海绵”结构。表面张力将增大液体／蒸气交界面的曲率，使液体聚集在杜瓦瓶中心。右舷杜瓦瓶的LAD包括4个沿着壁面的通道，与底部的泵连接，如图3所示。每个通道在靠近壁面的地方都覆盖了一个薄网屏。网屏由超流体浸没，表面张力阻止了贮箱内的气泡进入通道。这样，除非在通道内自发地产生气泡（空穴），只要有很小的压差，就可把纯液体向泵输送。LAD和杜瓦瓶内其余部分的液体位置由液体／蒸气分辨器（liquid／vapor discriminator，LVD）检测。

图3 右舷杜瓦瓶结构示意图

LAD收集的液体供给到热机械泵的入口，这个泵是基于“喷泉效应”工作的，这是超流体氦的特殊现象。泵提供的压差约为60kPa，用于驱动液体从供给贮箱向受补贮箱转移。首先，被转移的液体使转移管路冷却，通过供给杜瓦瓶内的阀门B和J，以及受补杜瓦瓶内的阀门J、E和G，并被排向太空。当管路冷却时，阀门E关闭，阀门C开启，液体直接进入受补贮箱。转移率由文氏流量计和热机械泵的热量计监测。任务过程中，在泵的下游供给0.5～22 W热量，使得流率达到10（转移管道预冷）～720L／h。

2类相分离器用于使液体保留在杜瓦瓶内，把气化的气体排空，用蒸发潜热冷却剩余的液体。低流动 性 相 分 离 器（low flow phase separator，LFPS）是一种新设计，可使正常组分的氦和超流体组分的氦都从蒸气中分离。这使杜瓦瓶在轨时可从发射时的初始温度上升到超过超流体的温度；也可以在减少发射前，用于保持超流体状态的真空系统的重量，节约费用。高流动性相分离器（high flow phase separator，HFPS）是以前用于空间飞行器杜瓦瓶的多空塞设计的延伸。然而，HFPS更大更薄，孔也较大，以使流率更高。

SHOOT在内部的管件中用了2种尺寸的低温阀门，这些步进电机驱动的阀门对于超流体的密封性非常好，对于许多热循环和开放／封闭循环都是可靠的。每个杜瓦瓶内的液体数量由热脉冲质量规精确的确定。热脉冲质量规技术利用了超流体极高的热传导特性，以及液体氦和其蒸气的焓，在5～30s内向液体施加1～50 W的脉冲热，并测试其温升，在已知液体和气体的比焓和密度的条件下，可很容易地计算出贮箱内液体的体积。

3.2 任务之前的未知因素

在飞行之前，很多有关各种组件的在轨性能及过程都不知道，这也是需要开展空间飞行实验的理由。这些未知因素如下：

1）LAD性能。①网屏通道在微重力环境下何时产生空穴？②强烈的宇宙射线入射是否会使得空穴的产生比预期的快得多？③飞行器的加速度对于LAD性能有何影响？④不同类型LAD的贮箱效率是多少？⑤填充一个LAD需要多久，在空穴之后多久才可以重新启动转移？

2）液体／蒸气分辨器（LVD）。①在微重力环境中，较低的静压对于开／关状态有何影响？②在超流体膜较厚的条件下，检测器的响应时间是多少？

3）高流动性相分离器（HFPS）。既然由于较大的静压而使得无法完成全部地面测试，那么相分离器在空间的工作是否会正常？

4）质量规。①在气泡形成之前，热量需要多久能注入液体中？②环境辐射是否会影响温度测定？

5）层化。①发射会对分层的液体有何影响？②在加速度非常小的条件下，液体是否会在被泵抽走的过程中重新分层？

此外，其他已经在地面经过测试的组件也要进行飞行验证。整个转移过程要作为一个系统进行验证。

3.3 SHOOT的结果分析

SHOOT计划利用2种杜瓦瓶内的液体获取装置和热机械泵在杜瓦瓶之间完成8次超流体转移，结果如表1所示，转移速率为70～72L／h。转移Gs和I2s分别是转移G和I2之后的短期转移，是为了在下次转移之前把供给杜瓦瓶外部的残留液体吹除；转移H和G终止的原因是飞行器的加速度较大（约7×10－3g），使得液体偏离了泵。表1中，7次转移是由地面控制的，另一次转移是由宇航员在飞行器的尾部平台上通过1台计算机和专家系统软件实现控制的。液体获取装置可以收集贮箱内83%～98%的液体，收集率依赖于装置的类型和流率。转移率由2类流量计测试：其一是文氏，其二是利用泵的温降。流量计的误差因流率不同而在1%～3%变动，热脉冲质量规技术的误差也为1%～3%，这种精度也可满足转移过程中测试的需求。研究发现，在微重力环境中，加热器的功率上限在加热的延伸段内可以达到11 W。如果功率更大，会导致气泡的产生，从而阻止热流进入液体。相反，在地面时，同样的加热器功率可以超过50 W，仍然可以保持向液体中注入热量的良好状态。在任务之前的另一个考虑是电磁场的范围和带电粒子与精密质量规所需的灵敏度较高的温度测试装置之间的相互作用。在临近SHOOT操作结束时，加热其中一个杜瓦瓶，并发现仅仅需要损耗少量液体，就可以使被加热的杜瓦瓶冷却和填充。

表1 8次转移的主要数据

泵初始工作时损耗的液体较多，特别是右舷杜瓦瓶。据猜测，右舷的HFPS被损坏了。飞行后的检查发现HFPS没有被损坏。进一步的分析揭示出：由于高蒸发率产生的相分离器入口和杜瓦瓶内剩余液体之间的巨大温差，2个杜瓦瓶内的HFPS都会产生液体逃逸。只要杜瓦瓶内的温度高于1.7K，就会有较高的蒸发率，HFPS的关闭阀门D就会被打开。在许多转移中，受补杜瓦瓶内的温度都会达到这个温度，2个杜瓦瓶在初始启动泵时所需的操作温度也可达到这个温度。左舷杜瓦瓶在初始启动泵时，损耗的液体比右舷的少，这是因为左舷LAD可以使更多的液体保持在远离HFPS的位置。超流体氦杜瓦瓶的改进设计需要考虑这个区域的热交换，以避免此类问题。

在发射之前，杜瓦瓶内的液体在温度上是分层的，即存在温度梯度。在泵已经启动并且氦仍然保持在正常状态时，在轨采集的数据显示液体在发射之后混合得非常充分，再次出现的分层液体很少，主要在左舷杜瓦瓶内。理论上，左舷LAD的叶片阻止了对流，从而允许部分层流出现，但在开放状态的右舷杜瓦瓶内，对流限制了层流。

在任务的前期对LVD进行了标定。首先，质量规用于确定每个杜瓦瓶内的液体体积。然后，轨道飞行器以3°／s旋转，把液体置于杜瓦瓶的前端，以建立一个已知的液／气界面。改变施加在LVD上的功率，并把LVD的读数与预期的界面位置相比，以优化功率选择。

其他组件，包括低温和热阀门、加热器、电子装置，等等，都工作正常。

液氦的晃动信息通过一个超导液位检测器和LVD实现。从任务前期的数据可以看出，1 min之内，晃动衰减的幅度非常大。当在2次转移之间的过渡时间（20s）内施加较大的加速度（3.5～7×10－3g），LAD产生气穴。气穴是由于稳态加速度产生的，而不是液体的晃动。

4 小 结

液氦的在轨补给对于深空探测具有重要的意义。由于液氦的温度非常低，常用的在轨流体补给方法都无法完全满足液氦在轨补给的需要。利用液氦特有的超流体特性而产生的“喷泉”效应，可以使液氦在热机械泵的作用下完成在轨转移。

SHOOT计划作为液氦在轨转移整体技术的空间验证试验，虽然在试验的过程中有些意外，但是所有任务目标都成功地完成了，超流体氦的转移率达到了720L／h。SHOOT计划的主要收获包括：①简单的发射状叶片LAD系统对于超流体的转移更有力；②质量规和流量测量技术在实验中的误差仅为1%～3%；③验证了冷却和再填充受热杜瓦瓶过程；④验证了由一个专家系统控制的自动转移过程；⑤利用了一种新的相分离装置，展现了一种把超流体氦中的正常组分有效填充到杜瓦瓶的新技术；⑥发现了较大的超流体相分离装置具有热交换问题。这个发现将有助于未来空间超流体杜瓦瓶的设计。

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