【儀表網 研發快訊】低溫推進劑在重力突變(如可回收火箭關機、重啟及航天器軌道機動等)引起的重定位過程中的界面運動和熱力學行為，對空間低溫推進劑管理至關重要。然而，液氧等低溫流體具有極低的表面張力、黏度、潛熱及飽和溫度，其在重定位過程中的氣液界面演化與熱力學響應顯著區別于常溫流體，且伴隨復雜的液氣相變與界面不連續現象。當前對相關現象規律及其內在機制的理解仍不充分，嚴重制約了空間低溫推進劑管理技術的發展。
針對上述挑戰，力學所杜王芳、趙建福團隊和上海交通大學楊光、吳靜怡團隊合作，基于前期利用北京落塔完成的國際首次液氧工質地基短時落塔實驗結果，并結合多組分低溫數值模擬平臺MulComCryoFOAM數值仿真分析，系統研究了部分充液液氧貯箱內氣液界面運動與熱力學行為。研究發現，在由常重力進入微重力(4×10-3g0)后2.5s內，貯箱內氣液界面中心經歷了3個完整周期的阻尼振蕩過程。約0.86秒時貯箱壁面三相接觸線第一次回退，部分液體未能隨主液區液體回落，而是在非平衡相變區域(即蒸發與冷凝共存的過渡帶)由局部曲率梯度和表面張力梯度共同作用產生的顯著界面應力矩作用下，在貯箱內壁形成一層與主液區運動解耦的薄液膜。薄液膜隨后與壁面間長時間的熱交換，導致蒸發效應占據主導，抑制了接觸線再次回退時形成新的薄液層。貯箱內氣體溫度在接觸線最大爬升高度之上不受界面波動的影響，僅由壁面熱傳導主導，升溫速率為0.19 K/s。同時，薄液膜蒸發引起壓力顯著的瞬態變化，是貯箱內瞬態熱-力耦合響應的關鍵觸發源，最大增壓速率高達3227 Pa/s，約為穩態增壓速率的1.8倍。該成果揭示了低溫推進劑在微重力重定位過程中界面動力學與相變熱力學的耦合機制，為空間低溫推進劑管理裝置的優化設計提供了關鍵理論支撐。
相關工作已于近日發表于Energy期刊，力學研究所杜王芳副研究員和上海交通大學楊光副教授為共同通訊作者。研究獲得國家自然科學基金項目(52276013、51936006)、微重力重點實驗室開放課題(NML202408)、國家重點研發項目(2022YFF0503502)、上海市重大科技項目(2025KJB-QT-071501)和北京市自然科學基金重點項目(L241004)等的支持。
圖1 低溫流體兩相流落塔實驗臺
圖2 重力突變引起的液面振蕩與薄液膜形成示意圖
圖3 落艙下落過程中液面振蕩(a)、薄液膜特征(b)及模擬貯箱內壓力(c)和溫度(d)的演化
圖4 貯箱內液氧相變速率(藍色曲線)和相應的增壓速率(紅色曲線)
（圖片來源：中國科學院力學研究所）
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