Page 86 - 《真空与低温》2026年第1期

毛若曈等：变重力条件下低温推进剂贮箱自增压与热分层建模及其特性研究 83

2
−5
微重力环境的背景加速度量级约为 10 m/s 。 式（24）中的重力加速度项 g 给予变量输入条件，即
如图 6 所示，在常重力情况下计算值与实验值 作为径向载荷时变输入项用于模拟贮箱在箭体惯
偏 差 仅为 0.66%。 但 在 微 重 力 下 偏 差 值 增 大 为 性坐标系下的重力环境。
2.77%，且主要集中在模拟过程后期，计算值逐渐高 选取 Hastings 等 [8] 所 用 MHT B 液 氢 贮 箱 的
于实验值。这可能是由于实验所用贮箱内部还存 90%/54.1 W 工况用于模拟箭体实际运行的连续变
在六个按周向分布的锥形叶片，而本文计算模型并 重力过程。惯性系下的重力加速度项 g 按照箭体
未考虑相关结构。因此，在模拟后期气枕区压力逐 实际运行工况设置为连续时变输入，从地面 1g 升
渐增大，流体温度逐渐升高时，叶片在贮箱内部起 高至 5g 的超重力阶段（图 7（a）阶段 1），由超重力
到削弱热分层和增压水平的作用逐渐凸显，可能是 逐渐过渡至微重力水平（阶段 2），维持在微重力水
造成模拟后期计算值略微偏高于实验值的主要因 平（阶段 3），最后由微重力恢复至常重力水平（阶
素。整体来看，模型在能够准确预测常重力增压情 段 4），从而再现了火箭从地面停放、发射升空直至
况的基础上，也能够适配微重力环境下的计算，能 进入太空的过程。
够进行更灵活的变重力相关研究。 50
40
g/ （m·s −2 ） 30 阶段1 阶段2

20
10 阶段3 阶段4
0
0 5 000 10 000 15 000 20 000
时间/s
（a）变重力曲线
145
140
压力/kPa 130
135
125
（a）贮箱3D剖面 （b）贮箱纵截面 120
115
0 5 000 10 000 15 000 20 000
图 5 NASA 液甲烷自增压实验贮箱示意图
时间/s
−3
−1
Fig. 5 Schematic diagram of the LCH 4 self-pressurizing tank g=9.81 m/s 2 g=10 m/s 2 g=10 m/s 2
g=10 m/s 2 g=10 m/s 2 g=10 m/s 2
−6
−5
−4

70 （b）气枕区自增压过程
图 7 变重力输入下的自增压过程
60
Fig. 7 Self-pressurization process under variable gravity
计算值: 1g LCH 4
压力/kPa 40 实验值: 1g LCH 4 内跨数量级的重力加速度取值都进行了计算。如
50
−1
2
−6
在微重力运行阶段
3，对
10 ～10 m/s 范围
计算值: 0g CH 4
实验值: 0g CH 4
图 7（b）所示，在地面常重力停放阶段，压力自然增
30
长；重力加速度快速上升至 5g 的过程，压力并未出
0 5 000 10 000 15 000 20 000 25 000 现明显波动趋势。当进入微重力环境，压力增长速
时间/s
率显著降低，低于常重力水平，且过渡较为平滑。
图 6 LCH 4 贮箱常重力与微重力自增压过程 当重力加速度值从微重力值开始向常重力值恢复
Fig. 6 Self-pressurization process of LCH4 tank under normal 时，贮箱内压力水平出现一个明显的增长，且重力
gravity and microgravity 加速度值越接近 0，增长段的曲线斜率更大，压力

2
的增长更剧烈。当重力值恢复至 9.81 m/s 后，压力
4 变重力仿真结果分析
增长重新趋于平缓，且后续常重力阶段各曲线增长
4.1 自增压特性仿真结果及分析 斜率相同。
为尽可能还原箭体由地面停放、发射升空直 4.2 热分层特性仿真结果及分析
至太空飞行的实际运行过程，需要对方程式（9）和 图 8 同样选取 MHTB 液氢贮箱 90%/54.1 W 工