Page 57 - 《真空与低温》2026年第2期

176 真空与低温 第 32 卷 第 2 期

0 引言 等因素对预冷性能的影响，以期为在轨液氢贮箱预
冷研究提供参考。
液氢具有比冲高、推力大、无毒、无污染等多
个显著优势，已成为新一代运载火箭、深空探测等 1 贮箱 CHV 预冷模型
航天任务的首选推进剂 [1-2] 。但液氢表面张力低、沸点
1.1 物理模型
低等特殊物性使其在轨加注过程仍面临多项技术 以地面实验 为基准建立液氢贮箱 CHV 预冷
[9]
[3]
挑战 。其中，在轨加注前受注箱内气体及箱壁温 物理模型，贮箱由两端椭球形封头和中部圆柱体组
度通常远高于低温推进剂沸点，直接加注会使液氢 合而成，结构参数如表 1 所列。贮箱预冷模型将箱
迅速气化，箱内压力骤增，进而导致加注失败，并造 内液氢分布考虑为弥散液滴形式，具体贮箱内可划
[4]
成推进剂浪费 。因此，在轨加注前贮箱充分预冷 分为四节点考虑，分别为液滴、气体、气液界面以
必不可少，如何高效地实现预冷目标更是十分重要。 及壁面。四节点间会产生液滴与壁面、气体与壁
目前常用的贮箱预冷方法有两种：排气式预冷 面、气体与气液界面以及液滴与气液界面四个传
[5]
（Vented-Chill，VC） 以及加注-保持-排气式预冷 热路径，节点间的传热还会引起液滴蒸发等传质现
[6]
（Charge-Hold-Vent，CHV） 。VC 法贮箱顶部排气 象，如图 1 所示。

阀处于常开状态，多用于地面加注。在轨条件下，
表 1 液氢贮箱结构参数
气液相分布随机，难以分层和定位 [7-8] ，排气阀常开
Tab. 1 LH 2 tank structural parameters
会引起排液风险，VC 法不再适用，需要采用 CHV
预冷法。该方法在加注液体时排气阀保持关闭，使 结构参数 [9] 值
液体与壁面及箱内气体进行充分换热后，才可排出 椭球体长轴/m 2.21
气体至太空中。 长轴短轴比 1.20∶1
CHV 预冷法不仅可以避免在轨低温液体排出， 圆柱体高度/m 0.04
设计合理时还可以充分发挥贮箱内低温流体预冷潜 壁厚/m 0.002
力，减少低温推进剂质量消耗。早在 20 世纪 90 年 材料 Al
[9]
代，国外学者便开始对此展开研究，Chato 等 采用
3
4.96 m 铝制液氢贮箱对 CHV 预冷法进行地面试验
m gout , T gout , h gout , p out
研究，证明了该预冷方法的可行性。Honkonen 等 [10]
基于以上地面实验研究，开发出能够预测液氢贮
与壁面接触的液滴
箱 CHV 预冷过程的计算机代码，尝试使用该代码 气体区域 Q gw 换热局部放大图
对微重力条件下的液氢贮箱预冷过程进行粗略预 m w ,T w ,C pw dm wl
Q wl 壁
测。此后 Keefer 等 [11] 提出 CHV 预冷瞬态分析模型， 气
Q leak 气液混合区域 液 液滴 面
该模型假设低温液体注入及气体排出均为瞬态完 界
气体 面 Q il
成，并引入补充函数，模型较复杂，仅与液氢贮箱地 区域 Q gi
（1−η）m lin
dm gl
[9]
面预冷第五次周期数据 得到良好验证。近年来， ηm lin Q wg
Mercado 等 [12] 建立了与时间无关的 CHV 预冷过程
m lin , T lin , h lin , p in
简易分析模型，仅能用于量化周期次数和推进剂消
耗质量。除此之外，Lee 等 [13] 采用数值模拟研究方 图 1 液氢贮箱 CHV 预冷节点间传热传质示意图
法分析了地面环境下卧式液氢储罐 CHV 的预冷 Fig. 1 Schematic diagram of heat and mass transfer between
特性。 LH 2 tank CHV chilldown nodes

综上，液氢贮箱 CHV 预冷方法国内研究较少， 图 1 中，m 为质量；T 为温度；h 为焓值；p 为压
微重力条件下的数值模型有待开发。因此，本文针 力；Q 为节点间换热量；C p 为比热容，J/（kg·K）； η为
对液氢贮箱构建 CHV 预冷过程热平衡数值模型， 闪蒸系数；Q lea 为漏热量，W；下标 g、l、w、gl、wl、
k
分析壁温、压力以及沸腾传热变化特性，探究加注 wg、il、lin、out、in 分别为气体、液体、壁面、气体
质量流速、排气目标压力以及气壁温差最小限值 与液体间、液体与壁面间、气体与壁面间、液体与