低温推进剂在轨零蒸发贮存研究进展

王博杰，耑 锐，张 亮，齐 超，王 文

（1.上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海200240；2.上海宇航系统工程研究所，上海201108）

低温推进剂在轨零蒸发贮存研究进展

王博杰1，耑 锐2，张 亮2，齐 超1，王 文1

（1.上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海200240；2.上海宇航系统工程研究所，上海201108）

采用低温制冷机与低温贮箱耦合的方式，可以实现低温推进剂在太空环境下的零蒸发贮存。从系统分析、机理研究及试验研究三个方面对低温推进剂零蒸发贮存技术的现状进行了综述，阐述了现有的系统分析方法、理论分析模型及零蒸发试验方案，可为低温推进剂空间贮存的发展提供参考。

低温推进剂；零蒸发；在轨贮存；压力控制；热分层

1 引言

低温推进剂可以应用于上面级、探月、深空探测及空间燃料站等多个航天领域。但低温推进剂沸点低、极易蒸发、难以存储等特点限制了其长时间在轨使用。同时，对于低温推进剂长时间贮存的研究需要考虑空间微重力、复杂外热流、各种辐射和粒子的影响并兼顾功耗低、重量轻的严格要求，使得其具有极大的技术挑战性［1］。

低温推进剂的共同特点是具有较低的饱和温度，尽管绝热技术的发展能使低温贮箱的绝热性能达到很高的水平，但还是因为漏热会导致低温推进剂升温或蒸发，致使箱内压力上升［2］。为确保低温贮箱的安全，当箱内压力上升到一定值时，需要进行排气，这种控压方式使得低温液体在长时间的在轨运行中会大量损失［3］。另外，在太空环境中，低温液体的排放有很多限制。首先，微重力环境使气液界面不确定，若无气液分离器，排气过程中将有大量液体被排出；其次，排出的气体由于微重力的影响会弥漫在航天器周围，如果是易燃易爆的低温推进剂，将严重危害航天器以及宇航员的安全。另外，定期的排放使低温液体的携带量远远大于额定需液量，这就直接影响到贮箱的质量，增加了运行负荷和发射费用［4］。

低温推进剂零蒸发贮存（Zero Boil⁃off，ZBO）的概念是随着低温制冷机与绝热技术的发展被提出来的［5］。低温推进剂零蒸发贮存技术在航天器长期运行中较常规的排气方式有很大的优越性，其主要体现在对低温推进剂携带量与发射成本的收益，Plachta等［6］认为在短期的贮存中，ZBO系统因为需要额外增加主动冷却装置，较传统被动系统优势不大，但在贮存时间超过一定天数时（液氧是1周，液态甲烷是2周，液氢是2个月），ZBO系统在低温推进剂携带量与发射成本的收益会越来越大。

NASA从二十世纪九十年代开始对ZBO进行了理论与实验的研究，积累了很多经验［7］。而我国在这方面尚处于起步阶段，中国科学院及兰州空间技术物理研究所等开展了相关的理论研究［8⁃10］。低温推进剂零蒸发贮存技术的研究对我国未来探月及深空探测意义重大。因此本文就低温推进剂零蒸发贮存技术的现状从系统组成、理论机理以及试验研究等方面进行了详细地阐述与分析，指出了低温推进剂在轨零蒸发贮存所面临的技术难题以及我国在该领域急需开展的关键技术与研究。

2 低温推进剂零蒸发贮存概念

低温流体在长期贮存过程中不可避免会受到各种漏热带来的困扰。低温推进剂零蒸发贮存的实现是将被动绝热技术与主动制冷技术有机结合，通过低温制冷机将贮箱系统漏热完全补偿，以实现贮存过程中低温贮箱的压力控制和低温液体的零蒸发［3］。图1是NASA描述的一个典型的零蒸发系统示意图［7］，系统中主要包括低温制冷机、换热器、搅拌风扇以及多层绝热结构。低温制冷机为系统带走热量；多层绝热结构用来保证系统的漏热在制冷机最大制冷量之内；而搅拌风扇一方面用于消除贮箱内的热分层，控制压力水平，另一方面保证气泡在零重力环境下也处于换热器的位置，便于跟制冷机更有效地进行换热；另外在实际应用中，因为要保证制冷机的长期运行，需要增加太阳能采集系统。在实际运行中，当贮箱内压力上升到一个阈值时，搅拌风扇开启，用来打破热分层，从而控制压力，但搅拌混流的方式并不能快速降低压力，当仅靠搅拌风扇无法再控制压力时，制冷机开启，对贮箱内低温推进剂进行冷却，从而达到对贮箱内压力真正的控制。在ZBO技术的发展中，箱体内的混流装置逐渐出现了循环泵、喷嘴或是喷杆等结构［11⁃13］。而低温冷却屏技术（Broad Area Cooling，BAC）的提出，使箱内冷却与混流结构可以得到一定程度的简化，Plachta等［14］在实验中发现仅通过高效的BAC系统能够完全实现液氧的零蒸发贮存，以及液氢的低蒸发贮存。

3 低温推进剂零蒸发贮存系统分析

低温推进剂零蒸发贮存的系统分析是零蒸发系统设计与优化重要的一部分，它包括针对各种不同任务要求，对ZBO系统总质量、系统功耗等因素的分析。在文献［3］中，一种简单的分析模型被用来进行这方面的初步分析。模型给出了一系列ZBO系统中重要部分的质量与能耗评估，包括低温贮箱的体积与质量的关系、多层绝热结构的性能与质量的关系、蒸汽冷却屏的质量、以及低温制冷机系统的冷却性能与质量及能耗的关系，如表1所示。

Haberbusch等［19］通过上述模型对低温推进剂ZBO贮存进行了系统分析。分析对象为球形液氢贮箱，贮箱外布置多层绝热与冷却屏，如图2所示。作者分三种情况：（液氢存储量250 kg和4000 kg，无外部冷却屏；液氢存储量250 kg，80 K的外部冷却屏；液氢存储量4000 kg，80 K的外部冷却屏）讨论了多层绝热的层数以及内部冷却屏温度对目标ZBO系统质量与能耗的影响。结果表明：1）对于同时使用内部冷却屏和外部冷却屏的情况，外部多层绝热达到75层时系统的质量最小；无论是大储液量（4000 kg）还是小储液量（250 kg），系统能耗都会随着多层绝热层数的增加而降低，但当多层绝热超过100层时，系统能耗趋于不变，如图3所示；2）对于只使用内部冷却屏的情况，两种储液量在多层绝热层数为150层时系统质量达到最小；系统的能耗在大小储液量下有很大的区别，对于小储液量情况，系统能耗在多层绝热层数150层时达到最小，而对于大储液量情况，这个值要远大于150层，如图4所示。这些结论为ZBO系统的优化设计提供了一定的理论指导。

表1 ZBO系统各部分质量与能耗关系式Table 1 Mass and power relationships for ZBO system components

4 零蒸发系统机理研究

优化ZBO系统使其性能达到最好需要对低温贮箱内的传热与运输机理的理解，ZBO系统的机理研究主要包括贮箱内自增压过程以及热分层研究。

4.1自增压过程

4.1.1 模型

对低温箱体内增压过程的研究始于20世纪50年代，最早采用的计算模型叫做均匀热力学模型，模型认为气液两相都处于饱和状态，且温度一致［20］。这个假设过高估计了液相对平衡外部漏热的贡献，所以均匀热力学模型的压力预测值往往低于实际值。之后Aydelott［21］提出了表面蒸发模型，认为外部漏热全部用来蒸发，这显然忽略了气液相显热在整个能量平衡中的影响，所以表面蒸发模型的压力预测值往往高于实际值。

显然，前面两种模型在对箱内增压过程研究中过于理想，与实验数据的偏差也比较大［22］。之后的学者将质量与能量的传递考虑到模型当中，提出一系列的模型，统称为多区域模型（mutizone model）。其中包括Riemer［23］提出的两区域模型，他将气液两相分成两个区域分别进行研究；Estey等［24］在两区域模型基础上增加了独立的气液相界面区域，提出了三区域模型；Epstein和 Geor⁃gius［25］更是将气相、液相以及箱壁分为数个轴向的区域进行研究，提出了复杂的多区域模型；Schallhorn等［26］提出了边界层模型，即在三区域模型基础上增加了边界层区；Barsi等［27］在三区域模型基础上增加了壁面区域。这一系列多区域模型大大丰富了箱内增压过程的研究，准确性也较之前的模型有了很大的提升。

但是上述的模型过于依赖区域之间换热关联式，不同的换热关联式得到的结果差异将会很大，所以选择合适的换热关联式对模型的计算准确性至关重要。

4.1.2 CFD数值模拟

考虑到之前的压力模型过于依赖区域之间的换热关联式，同时也为了更好地理解低温箱体内增压过程，更多的学者是采用CFD数值模拟的方式对箱内增压过程进行研究。

Panzarella和Kassemi［28］提出了lump⁃vapor模型，将其用于研究常重力下低温贮箱的自增压过程。这种模型将气泡区集总为性质一致的区域，而液体区通过数值模拟的方式联立能量、动量以及连续性方程来求解。模型考虑到了液体的热分层可能带来的影响，讨论了三种不同加热方式下贮箱内的压力升高过程，即对气泡加热、对液体加热以及对整个贮箱加热。与集总模型计算结果相比较，两者具有相同的压力增长速度，但是压力值有所偏差，这是因为在液体区存在不同程度的热分层对气液界面的传热过程造成了一定影响。

Panzarella等［29］还采用lump⁃vapor模型与数值模拟结合的方法对微重力下贮箱内增压过程进行了研究。研究发现即使在微重力条件下，浮升力还是能很快将气泡移动至箱体顶部；另外，自然对流依旧可以在液体区造成相当明显的热分层，两者在微重力条件下依旧不容忽视。在对箱内增压过程预测中，在经过初始的一段时间之后，箱内压力的变化速度趋于稳定，与均匀热力学模型预测结果接近，但因为初始阶段的影响，最终的压力预测结果与均匀热力学模型还是有较大的差异。

Venkat和Sherif［30］采用数值模拟的方法对低温推进剂储存系统在常重力和微重力下的自增压过程进行了研究，采用Arnett和Voth提出的改进模型［31］分析了不同的漏热量、充液率及重力水平等因素对贮箱内压力增长速度、蒸发速度以及热分层速度的影响。研究结果表明，压力增长速度随着漏热量的增大而增大；在低充液率下的压力增长速度相比高充液率要快；另外重力加速度越小，贮箱内压力增长速度与热分层速度也越慢，这是因为重力加速度越小，导致热分层的自然对流就越弱。

Barsi和 Kassemi［32⁃33］通过采用两相的 CFD模型来研究常重力与微重力下液氢贮箱的自增压过程。模拟结果与试验数据进行了对比，认为两相的CFD模型能很好地预测不同充液率下的低温贮箱自增压过程。模拟结果在中等充液率水平下与试验结果出现了偏差，作者认为这可能是不均匀的加热负荷引起的。另外，均匀热力学模型在压力增长速度方面有很好地预测性，而对于压力值的计算上还有所偏差。

4.2热分层

低温箱体中紧贴箱壁的低温流体在受到外热流加热后，密度变小，在自然对流的作用下，热流体被带到气液界面处，之后向箱体中心扩散并产生湍流扰动，扰动产生的高温流体涡团会向下渗透，形成一定厚度的热层，即所谓的热分层现象［34］。热分层会使局部蒸发加剧，导致贮箱内压力的过快增长。对热分层现象的研究始于二十世纪六七十年代，一系列的理论模型被提出用来研究热分层现象的机理。

Bailey等［35］将箱体内部分为气相区、液相主流区以及边界层区来研究低温流体的热分层现象，并通过求解能量方程获得了热分层的温度分布；Schmidt等［36］采用误差函数来预测液氢箱体内部界面温度分布，并通过地面试验进行了验证；Barnett等［37］采用双曲线函数预测箱内界面温度分布，并通过开发新的模型来预测箱内分层压增等参数的变化；Neff等［38］采用自然对流半经验公式，对低温箱体在外部热源作用下内部的热分层现象进行了研究，指出热分层的曲线可由无量纲容积与无量纲温度拟合的多项式表示；Robbins等［39］基于湍流边界层理论开发了一种新的热分层模型，模型考虑了边界层的脱离、扰动造成的平均温度降低等因素；Daigle等［40］针对液氢贮箱，提出了热分层的简化热力学模型，该模型将气液相区分布划分计算网格，并考虑了边界层对热分层的影响，采用集总参数法计算，并考虑气液界面的热质交换，此模型在研究低温箱体热分层和压力变化时具有良好的通用性，也是应用比较广泛的热分层模型。

热分层模型的准确性往往受到箱体尺寸、热流大小等因素的影响，不同的模型适用范围也各异，热分层研究中涉及的瞬态温度计算本身就是极其复杂的过程，所以需要通过更多的试验进行验证，以及提出更完善、更具通用性的理论模型。

5 主动压力控制过程研究

主动压力控制过程控压方式各异，控压过程复杂，尚未有合适的模型对其进行研究，一般都是采用CFD数值模拟对低温箱体内的压力控制过程进行研究。现有的主动压力控制过程主要包括热管方式、喷头方式、喷杆方式等。

5.1热管主动控压方式

通过热管与低温制冷机结合来实现低温贮箱的压力控制是一种较有效的方式。Ho等［41］采用CFD模拟对液氢贮箱进行了瞬态热分析，研究了液氢在主动冷却未开启状态与开启状态贮箱内的温度分布，如图5所示。作者分三个阶段对其进行研究，第一阶段，主动冷却未开启时，贮箱内温度最高的点位于贮箱角落；第二阶段，主动冷却开启时，贮箱内最高温度点转移到贮箱底部中间位置；第三阶段，当主动冷却刚关闭，尚存在微弱流体流动时，贮箱内的最高温度点又转移到贮箱中间高度的箱壁上。这些预测结果为贮箱内温度监测点的布置提供了参考，而这些温度监测点将是低温贮箱间歇式运行的依据。之后Ho等做了更细致的研究，研究发现，当喷管出流速度较大时，箱内流体的热分层明显消除，贮箱压力得到有效控制，而处于下方的泵喷管较处于侧面的泵喷管对贮箱内液体混流和冷却效果更好。

5.2圆盘喷头主动控压方式

Ho等［12］在2006年提出了低温制冷机与径向圆盘喷头结合的强制循环对流冷却方式，并对其做了数值模拟研究，如图6所示。这种结构是由一根圆管一端连接换热器，一端连接一个带有多个喷嘴的圆盘，这些喷嘴以中心线为轴组成不同直径的同心圆。当贮箱内压力升高到一定值时，一部分流体从贮箱顶部被引出，与制冷机冷端进行换热，再经喷淋装置回到贮箱中，这种方式为贮箱内部带来冷量同时，还破坏了贮箱内的热分层。作者探讨了入口管径、喷头深度、喷嘴间距等对系统性能的影响。模拟结果表明：入口管径越大，表明循环流量也越大，系统的冷却性能也越好，不过泵的能耗也相应增大；圆盘喷头位于贮箱中部时，冷却与控压性能最好。

5.3喷杆主动控压方式

Kartuzova和Kassemi［42］在2014年针对NASA多功能氢试验床对喷杆方式的主动控压过程进行了CFD模拟研究湍流模型采用的是k⁃ω模型，两相模型采用的是VOF模型，对于液滴喷射过程采用的是拉格朗日喷射模型。喷射过程中考虑了有质量交换和无质量交换两种情况，并对两者进行了比较，模拟的结果如图7所示。从图中可以发现，考虑质量交换的模拟结果更接近实验数据，不考虑质量交换的压力降低速度较实验数据小很多，相应地，有质量交换的蒸发量较无质量交换的小。这结果表明，在对喷杆主动冷却方式的模拟中，需要考虑到液滴与气枕的质量交换。

6 零蒸发贮存试验研究

从零蒸发贮存的概念提出以来，NASA就做了一系列的地面试验，主要针对的是低温推进剂中液氢与液氧的储存，由于液氮与液氧性质比较接近，故在很多液氧零蒸发试验中，都采用液氮作为替代工质。

6.1液氢试验

6.1.1 低温制冷机冷凝器与铜叶片混合冷却

Plachta等［2］在1999年对真空腔内的球形液氢贮箱进行了ZBO试验。如图8所示，液氢贮箱直径1.39 m，其中充注有90%的液氢。制冷机为两级的商用GM制冷机，其参数为第一级20 W／35 K，第二级17.5 W／18 K，布置于箱体顶部。第一级冷头连接铜叶片，通过冷却铜叶片来阻挡热量的进入；第二级冷头连接一个冷凝器直接与箱内气枕接触，通过直接冷却气枕的方式来降低箱内压力。试验结果表明，无论是混合使用冷凝器和铜叶片，还是单独使用冷凝器，都可以实现液氢的ZBO储存，而前者的压力控制效率更高。

6.1.2 低温制冷机与喷杆结合制冷

2002年，NASA的MSFC中心、ARC中心以及GRC中心共同合作在多功能氢试验床（MHTB）上，采用一台30 W／20 K的GB37型低温制冷机，对容积为18 m3的液氢贮箱，采用喷杆强制循环对流的方式，进行了ZBO试验［13］。如图9所示，试验中低温循环泵将液氢从贮箱中引出，与低温制冷机换热，经过冷却后的冷流体再经过喷杆喷射回贮箱中，如此循环，实现低温贮箱内流体的冷却与压力控制。在不同的液氢充液率工况（95%、50%、25%）进行了试验研究，结果表明这种低温制冷机与喷杆结合的冷却方式可以实现液氢的零蒸发储存。

6.1.3 低温冷却屏系统

低温冷却屏技术（Broad Area Cooling，BAC）首先由NASA格林研究中心在2005年提出，他们认为在储箱外包一个气体冷却屏，能大大减少储箱内低温流体的蒸发量［43］。2014年，格林研究中心针对氢箱，仅采用BAC系统进行了ZBO试验尝试［44］。如图10所示，试验采用15 W／90 K的逆布雷顿低温制冷机，BAC管路布置于绝热结构之间的冷却屏上，采用传统的多层绝热与自支撑的多层绝热结构（Self⁃support MLI，SS⁃MLI）分别进行了试验研究。因为低温制冷机性能的制约，无法达到液氢的零蒸发，但两者分别有48%和45%蒸发量的减小。另外，试验结果表明SS⁃MLI较传统MLI绝热性能强18%左右。

6.2液氧试验

6.2.1 低温制冷机与热管结合冷却

在2004年NASA格林中心进行的低温推进剂贮存ZBO实验中，箱体内采用的就是热管冷却［45］，如图11所示。试验采用氮为工质，制冷机为NASA自主研发的高效能制冷机（HEC）在95 K有10 W制冷量。混合泵在10 W功率下扬程1.5 m，流速33 L／min。热管蒸发段部分布置有大量的翅片，使其与箱体内的流体充分换热。并且在此套系统中，还布置了一个浸没式泵进行混流，用来破坏热分层。试验结果表明，冷端性能良好，热管表现出来的优良性能使得制冷机安装可以更远离贮箱；混合器增加的热量小于预期值；低温制冷机在散热温度311 K、制冷温度75 K、功率消耗150 W条件下成功转移出了6.8 W的热量。

6.2.2 低温冷却屏系统

2014年NASA格林研究中心进行了液氧贮箱的ZBO试验研究［44］，采用的就是已经发展完善的低温冷却屏技术。贮箱采用75层的传统型多层绝热材料（MLI）包裹，密度为24层／cm，BAC系统采用“Tube⁃on⁃Tank”布置，使用10根管径6.4 mm的换热管，BAC系统的制冷机采用15 W／90 K的逆布雷顿循环制冷机，图12是试验装置。试验结果表明当制冷机制冷量在8.5 W时，功耗145 W，就能实现液氧的零蒸发储存；如果进一步提高输入功率为212 W，实现零蒸发的同时，它的压力降低速率将大幅提高。这表明通过被动绝热与BAC系统已经足以实现液氧的ZBO储存与压力控制。

7 结论

本文对ZBO技术的现状进行了概括与总结，可以得出以下结论：

1）对低温推进剂两相过程的研究主要包括自增压过程以及热分层研究，影响它们的因素主要包括充液率、热流边界、工作压力以及重力加速度等。研究者为此建立了一系列的压力与热分层模型，具有一定的准确性，而在近几年中研究者更多地采用两相的CFD模拟来预测贮箱内低温推进剂压力变化及热分层现象。目前主流的压力控制方式有热管方式、喷头方式以及喷杆方式，主要通过CFD数值模拟对各种控压方式进行研究。

2）现有ZBO技术主要包括低温制冷机冷凝器与铜叶片混合冷却技术、低温制冷机与热管结合冷却技术、低温制冷机与箱内循环强制对流结合冷却技术以及低温冷却屏技术。最新提出的低温冷却屏技术仅通过箱外冷却就实现了液氧的零蒸发贮存。

3）目前的ZBO试验当中主要以液氢、液氧为主，液氢的零蒸发贮存较于液氧难度更高。从NASA目前的报道来讲，由于20 K温区的空间低温制冷机技术成熟度不高，液氢的在轨零蒸发贮存至今无法实现。

鉴于低温推进剂零蒸发贮存在未来深空探测及探月上的重要性，有必要对低温推进剂零蒸发贮存的原理与实现方式进行更深入地研究。我国对于该领域尚处起步阶段，为了更好地推进我国航天事业的发展，除了机理研究之外，对于多层绝热结构、低温制冷机等关键单机技术的研究同样刻不容缓。

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（责任编辑：庞迎春）

Research Progress of Zero Boil off Storage of Cryogenic Propellant On⁃orbit

WANG Bojie1，ZHUAN Rui2，ZHANG Liang2，QI Chao1，WANG Wen1

（1.Institute of Refrigeration and Cryogenics，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China；2.Shanghai Institute of Aerospace Systems Engineering，Shanghai 201108，China）

A cryocooler integrated with the cryogenic tank can achieve zero boil⁃off storage of cryo⁃genic propellant in space.This paper summarized the theoretical and technical development of zero boil off storage in orbit，and listed several analysis methods，theoretical models and technical pro⁃grams，and analyzed their advantages and disadvantages.It may provide reference for the future de⁃velopment of cryogenic propellant storage in orbit.

cryogenic propellant；zero boil⁃off；storage in orbit；pressure control；thermal stratification

V51

：A

：1674⁃5825（2017）02⁃0236⁃09

2016⁃06⁃14；

2017⁃03⁃01

王博杰，男，博士研究生，研究方向为低温液体的储存与管理。E⁃mail：bojiew＠126.com