【仪表网 研发快讯】低温推进剂在重力突变(如可回收火箭关机、重启及航天器轨道机动等)引起的重定位过程中的界面运动和热力学行为，对空间低温推进剂管理至关重要。然而，液氧等低温流体具有极低的表面张力、黏度、潜热及饱和温度，其在重定位过程中的气液界面演化与热力学响应显著区别于常温流体，且伴随复杂的液气相变与界面不连续现象。当前对相关现象规律及其内在机制的理解仍不充分，严重制约了空间低温推进剂管理技术的发展。
针对上述挑战，力学所杜王芳、赵建福团队和上海交通大学杨光、吴静怡团队合作，基于前期利用北京落塔完成的国际首次液氧工质地基短时落塔实验结果，并结合多组分低温数值模拟平台MulComCryoFOAM数值仿真分析，系统研究了部分充液液氧贮箱内气液界面运动与热力学行为。研究发现，在由常重力进入微重力(4×10-3g0)后2.5s内，贮箱内气液界面中心经历了3个完整周期的阻尼振荡过程。约0.86秒时贮箱壁面三相接触线第一次回退，部分液体未能随主液区液体回落，而是在非平衡相变区域(即蒸发与冷凝共存的过渡带)由局部曲率梯度和表面张力梯度共同作用产生的显著界面应力矩作用下，在贮箱内壁形成一层与主液区运动解耦的薄液膜。薄液膜随后与壁面间长时间的热交换，导致蒸发效应占据主导，抑制了接触线再次回退时形成新的薄液层。贮箱内气体温度在接触线最大爬升高度之上不受界面波动的影响，仅由壁面热传导主导，升温速率为0.19 K/s。同时，薄液膜蒸发引起压力显著的瞬态变化，是贮箱内瞬态热-力耦合响应的关键触发源，最大增压速率高达3227 Pa/s，约为稳态增压速率的1.8倍。该成果揭示了低温推进剂在微重力重定位过程中界面动力学与相变热力学的耦合机制，为空间低温推进剂管理装置的优化设计提供了关键理论支撑。
相关工作已于近日发表于Energy期刊，力学研究所杜王芳副研究员和上海交通大学杨光副教授为共同通讯作者。研究获得国家自然科学基金项目(52276013、51936006)、微重力重点实验室开放课题(NML202408)、国家重点研发项目(2022YFF0503502)、上海市重大科技项目(2025KJB-QT-071501)和北京市自然科学基金重点项目(L241004)等的支持。
图1 低温流体两相流落塔实验台
图2 重力突变引起的液面振荡与薄液膜形成示意图
图3 落舱下落过程中液面振荡(a)、薄液膜特征(b)及模拟贮箱内压力(c)和温度(d)的演化
图4 贮箱内液氧相变速率(蓝色曲线)和相应的增压速率(红色曲线)
（图片来源：中国科学院力学研究所）
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