Page 43 - 《真空与低温》2026年第2期

162 真空与低温 第 32 卷 第 2 期

lution of the gas–liquid interface near the metallic screen. Particular emphasis was placed on elucidating the influence of inlet
temperature on bubble morphology and the critical bubble breakthrough pressure. The results demonstrate a pronounced cou-
pled effect of inlet temperature and gravity level on bubble shape and interfacial deformation. From the perspective of separa-
tion performance，the critical bubble breakthrough pressure of the metallic screen exhibits a clear decreasing trend with in-
creasing inlet temperature. Under normal gravity，the critical breakthrough pressure is 0.042 MPa at an inlet temperature of
96 K，whereas it decreases to approximately 0.011 MPa when the inlet temperature is increased to 102 K. These findings pro-
vide reliable experimental evidence for understanding gas-liquid separation mechanisms of cryogenic propellants under micro-
and low-gravity conditions.
Key words：gas-liquid separation；porous media；bubble dynamics；cryogenic propellant

[14]
0 背景 推进剂管理系统中的理想候选材料 。尽管已有
深空探测任务通常伴随着超长航程、高载荷 研究对低温流体在金属网中的流动特性进行了初
步探索 [15–17] ，但在微重力条件下，该体系中两相流
质量以及长期在轨运行等特征，对推进系统在可靠
动与分离机理仍缺乏系统的实验验证，相关数据尤
性、稳定性与效率等方面提出了更为严苛的综合
为有限。
要求。在此背景下，以液氧-液氢和液氧-液甲烷为
代表的低温组合推进剂，凭借其优异的比冲性能和 针对微重力或低重力环境下低温流体流动与
良好的环境适应能力，正逐步成为新一代运载火箭 传热行为的实验研究，现有实验平台主要包括落
与航天器推进系统的重要发展方向 [1-2] 。然而，低温 塔 [18-19] 、太空火箭 [20] 、抛物线飞行 [21-22] 以及国际空
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推进剂在带来性能优势的同时，其特殊的物理性质 间站 [23-24] 。虽然这些平台能够实现 10 g 0 ～10 g 0
也显著增加了在空间环境中的管理与控制难度。 （注：g 0 为重力加速度常数，后文同）量级的低重力
低温流体通常具有较低的表面张力与动力黏 环境，但实验持续时间普遍较短，难以满足低温工
度，这使其在微重力条件下的气液界面更易受到扰 质热力学过程对长时间稳定环境的需求，而此类过
动，界面稳定性明显下降 [3-4] 。与此同时，低温推进 程往往需要数小时甚至数天才能达到准稳态。尽
剂的比热容较小，对外界热扰动高度敏感，微小的 管太空火箭和空间站可提供相对更长时间的微重
热输入即可引起明显的温度波动，并诱发快速相变 力条件，但其高昂的实验成本、有限的数据获取效
过程。在微重力环境中，重力场-热场-流场相互耦 率以及严格的安全管控要求，使低温推进剂相关实
合，使得低温推进剂的流动行为及相态分布呈现出 验的实施受到显著限制 [20，24] 。
显著不同于常重力条件的复杂特征，成为制约高效 在此背景下，发展一种可在地面条件下长期稳
推进剂管理系统发展的关键问题之一。 定运行且具有良好可操作性与经济性的低重力模
在地面常重力条件下，气液两相的分离过程主 拟方法，成为推动低温流体微重力实验研究的重要
要受密度差驱动；而当重力效应显著减弱时，表面 方向。随着磁补偿技术的不断发展，其已逐渐成为
张力与润湿效应逐渐占据主导地位，决定气-液-固 模拟低重力环境下流体流动与传热特性的有效手
三相界面的形态与空间分布 。在此情况下，液相 段之一 [25-26] 。该技术利用低温超导磁体产生高均
[5]
[6]
推进剂倾向于沿储罐壁面铺展，并包覆气相区域 ， 匀度磁场，以部分或完全抵消流体所受的重力体力，
导致罐内气液分布不确定，增加了稳定获取纯液相 从而在地面条件下实现不同量级等效重力环境的
推进剂的难度 [7-8] 。若气液分离性能不足，极易引发 精确调控。相较于传统微重力实验手段，磁补偿方
气体夹带现象，严重时甚至可能导致发动机启动失 法具有运行周期长、实验条件稳定、成本可控以及
败等重大航天事故 。 重复性高等显著优势 [27-28] ，尤其适用于低温流体相
[9]
基于多孔介质的被动式气液分离技术，充分利 关的低重力基础研究 。需要指出的是，磁补偿实
[29]
用微重力环境下界面力主导的物理特性，为解决上 验结果的准确性高度依赖于磁场强度及其空间均
[30]
述问题提供了一条具有工程可行性的技术路径，其 匀性的高精度设计 。Xu 等 [31] 通过对不同超导电
突出优势在于无需额外能量输入 [10–13] 。在众多多 流条件下气泡运动行为的受力分析，建立了超导电
孔分离介质中，编织金属网因其良好的力学强度、 流与等效重力加速度之间的定量关系，为磁补偿实
耐低温性能及抗腐蚀能力，被广泛认为是空间低温 验中的重力标定提供了重要依据。