Page 62 - 《真空与低温》2026年第2期

张荣达等：液氢贮箱加注-保持-排气式预冷特性及影响因素研究 181

阶段持续时长变化规律一致，随着周期推进持续时 使此阶段壁面降温速率下降。CHV 预冷前期对低
长缓慢减小，并且同一周期气壁温差限值增加会使 温流体冷却能力利用不足，更易引发超压风险；
保持阶段持续时长显著减小，这也意味着减弱对低 （3）CHV 贮箱预冷前期以膜态沸腾为主，时间
温流体冷却能力的利用。 占比超 76%，随后逐渐转变为过渡沸腾为主。液壁
间沸腾传热集中发生于加注阶段，该阶段预冷全程

5.0 18
消耗时间 以膜沸腾传热为主，平均时间占比达 91%。
消耗质量
4.5 （4）CHV 预冷性能可通过适当提高加注质量
17 流速以及气壁温差限值，选取适中排气目标压力得
消耗时间/h 4.0 16 消耗质量/kg 到改善。针对本文工况，质量流速从 0.01 kg/s 提高
3.5
3.0 至 0.05 kg/s 时，壁面降温速率显著提升 4.9 倍，预冷
15 消 耗 时 长 降低 6.9%； 排 气 目 标 压 力 选 择 12.5～
2.5 16.5 kPa 时可更好地权衡预冷消耗时间及质量，降
2.0 14 低超压风险；气壁温差限值从 5 K 增加至 20 K 时，
5 10 15 20 25
气壁最小温差限值/K 预冷消耗时长降低 38%，消耗质量仅增加 10%。
（a）不同气壁温差限值的预冷消耗质量及时间
参考文献：
0.60
5 K
10 K 充分换热区
15 K [1] 马原，厉彦忠，王磊，等. 低温推进剂在轨加注技术与方案
0.45 20 K 研究综述 [J]. 宇航学报，2016，37（3）：245−252.
25 K
保持阶段时长/h 0.30 未充分 [2] 王磊，厉彦忠，马原，等. 液体推进剂在轨加注技术与加注
方案
[J]. 航空动力学报，2016，31（8）：2002−2009.
换热区
0.15 [3] 王磊，厉彦忠，张少华，等. 低温推进剂空间管理技术研究
进展与展望
[J]. 宇航学报，2020，41（7）：978−988.
[4] 王彩莉. 低温液体无排放加注特性的理论与实验研究 [D].
0
0 2 4 6 8 上海：上海交通大学，2012.
CHV预冷周期 [5] HARTWIG J，RHYS N，CLARK J，et al. Test data analysis of
（b）不同气壁温差限值的CHV预冷周期保持阶段时长
the vented chill，no-vent fill liquid nitrogen CRYOTE-2 ex-
图 9 不同气壁最小温差限值下贮箱预冷性能对比 periments[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer，
Fig. 9 Comparison of chilldown performance with different 2021，167：120781.
gas-wall minimum temperature difference limits [6] DEFELICE D，AYDELOTT J. Thermodynamic analysis and
4 结论 subscale modeling of space-based orbit transfer vehicle cryo-
genic propellant resupply[C]//23rd Joint Propulsion Confer-
为研究微重力条件下低温推进剂贮箱的加注-
ence. San Diego，CA，Reston，Virginia：AIAA，1987：1764.
保持-排气式（CHV）预冷特性，选择液氢贮箱作为
[7] 马原，陈虹，邢科伟，等. 低温推进剂网幕通道式液体获取
对象，建立 CHV 预冷全过程热平衡数值模型，并完
装置性能研究进展 [J]. 制冷学报，2019，40（3）：1−7.
成模型对比验证，分析了预冷过程壁面温度、贮箱
[8] HARTWIG J W. Propellant management devices for low-
压力以及沸腾传热特性，进而探究出加注质量流速、
gravity fluid management：Past，present，and future applica-
排气目标压力及气壁温差最小限值等因素对预冷
tions[J]. Journal of Spacecraft and Rockets， 2017， 54（4）：
性能的影响规律，主要结论如下：
808−824.
（1）本文模型对贮箱压力及壁温的全过程预测 [9] CHATO D， SANABRIA R. Review and test of chilldown
结果与 Honkonen 模型模拟数据吻合良好，壁温变 methods for space-based cryogenic tanks[C]//27th Joint Pro-
化平均相对误差约为 5.8%，可实现较为准确的贮 pulsion Conference. Sacramento，CA，Reston，Virginia：AIAA，
箱 CHV 预冷特性预测； 1991：1843.
（2）CHV 预冷周期内加注、保持和排气阶段壁 [10] HONKONEN S，BENNETT，JR F，HEPWORTH H. An an-
面降温速率逐渐减小，若加注阶段内发生闪蒸还会 alytic model for low-gravity tank chilldown and no-vent fill -