Page 72 - 《真空与低温》2026年第2期

姚 磊等：微重力下低温贮箱热力学排气系统参数分析及性能优化 191

0.005 m. This study provides a theoretical foundation for the design and control of TVS systems in cryogenic propellant tanks，
with potential follow-up work including experimental validation and exploration of applicability under dynamic operating
conditions.
Key words：Thermodynamic vent system；liquid hydrogen；microgravity；pressure control

0 引言 1 数学物理模型

低温推进剂在轨贮存期间，受太阳辐射等外部 1.1 物理模型
热流作用，贮箱内部流体形成热分层并导致压力升 液氢储罐的结构如图 1 所示，铝合金储罐两端
高，由此引发的压力波动将威胁到贮箱甚至飞船的 为椭圆形封头，中间为圆柱体，储罐外表面采用复
安全。为实现低温推进剂的长期在轨贮存，热力学 合多层保温材料以减少热量漏入储罐。TVS 包括
排气系统（TVS）作为一种兼具结构简单与热力学 一个低温泵、一个 J-T 阀和一个内部带有换热器的
[1]
高效特点的压力控制方案 ，被广泛认为是当前最 喷管。其工作原理为：从储罐中抽出相当小的一部
可行的技术途径。该系统通过抽出部分液体经节 分液体，液体通过 J-T 阀使其膨胀为过冷低压的流
流膨胀形成过冷流体 ，再经喷射回流至贮箱实现 体来冷却留在燃料箱中的推进剂，吸收热量后完全
[2]
内部混合与冷却，从而有效抑制热分层并控制压力。 汽化以过热状态排出储罐。冷却过程发生在带有
然而，微重力条件下射流混合与传热特性与地面工 换热器的喷管上（位于贮箱内），在那里被冷却的循
况存在显著差异，给在轨 TVS 的设计与优化带来 环气流喷射回储罐并在其中混合。在喷射过程中，
挑战。鉴于在轨系统级 TVS 实验数据缺乏且成本 注入的过冷流体干扰温度分层，导致罐内降压。
高昂 [3-4] ，开展面向微重力环境的 TVS 控压性能数
A
值仿真研究具有重要工程意义，可为我国载人登月、 排气
气液界面
空间站运营及深空探测任务提供关键技术支持。 B
Panzarella 等 建立了储罐内两相流动的集中 气相区域
[5]
蒸汽模型，研究了不同加热方式下气液界面的传热 低温贮箱
及储罐内温度、压力的变化规律，并利用仿真软件 喷嘴
贮箱外壁面 绝热材料
FIDAP 模拟了微重力下的自增压过程 [6-8] ，讨论了 n 1 l n
喷射流体 D
底 部 喷 射 过 冷 液 体 时 的 降 压 效 果 。Shuang 等 [9] 液相区域 C
采用气枕集中模型模拟了热力学排气循环，得到了 换热器 n 2 E 漏热
d i
不同进口速度和进口温度对减压效率的影响。 喷杆
Mer 等 [10] 基于 Flow-3D 开发了适用于椭圆状液氢 n 3
贮箱的 CFD 程序，通过在地面重力条件下模拟不 B
同充注率与环境漏热的影响，发现压力上升速率随
m
漏热增大而加快，且模拟结果与实验吻合较好，验 m m 节流阀
循环泵 m t
证了该模型在地面重力下的可靠性。上述研究表
明，现有数值模型已在地面重力条件下对 TVS 的 图 1 液氢储罐示意图
降压性能进行了有效验证。然而，面向空间微重力 Fig. 1 Schematic diagram of liquid hydrogen tank
环境的实际在轨应用，TVS 系统的运行效能受多参
液氢罐几何结构参数如表 1 所列，设定储罐内
数协同作用的复杂影响，其影响规律与优化设计依
液氢的填充率为 90%，控压范围为 100～150 kPa。
据仍待深入研究。

为此，本文旨在探究 TVS 的关键运行参数对
表 1 液氢罐几何结构参数
其降压性能的影响机制，重点分析循环泵流量、节
Tab. 1 Geometric parameters of the liquid hydrogen tank
流阀背压、排气率和喷嘴尺寸对贮罐压降的影响
规律，以期为空间环境下 TVS 的高效设计与调控 A/m B/m C/m D/m E/m
0.700 0.375 1.850 0.050 1.800
提供理论依据。