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近日，制冷與低溫工程研究所吳靜怡教授和楊光副教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院力學(xué)所趙建福課題組，在北京落塔成功完成了國(guó)內(nèi)首次低溫流體短時(shí)微重力可視化實(shí)驗(yàn)。這也是國(guó)際上首次以液氧為工質(zhì)的地基短時(shí)微重力落塔實(shí)驗(yàn)。
低溫液氧兩相流落塔實(shí)驗(yàn)臺(tái)
航天器發(fā)射的綠色化及高比沖需求，使得低溫推進(jìn)劑的研究日益受到重視。其中，液氧作為氧化劑，在不同重力環(huán)境中的行為對(duì)航天推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要，顯著影響航天器發(fā)動(dòng)機(jī)燃料供給系統(tǒng)的穩(wěn)定性。液氧處于-183℃極低溫區(qū)，展現(xiàn)出諸多特殊性質(zhì)，包括表面張力、黏度、汽化潛熱等物理性質(zhì)與常溫流體存在顯著差異。
項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)歷時(shí)1年多的技術(shù)攻堅(jiān)，先后解決了低溫可視化、實(shí)驗(yàn)參數(shù)精確控制、實(shí)驗(yàn)安全性保障等技術(shù)難題，完成了模擬貯箱落塔實(shí)驗(yàn)裝置研制、實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)和地面測(cè)試驗(yàn)證等，最終完成了對(duì)液氧-氧氣兩相系統(tǒng)在微/變重力環(huán)境下氣液界面演化行為、相變傳熱及貯箱內(nèi)溫度和壓力的動(dòng)態(tài)變化過程的實(shí)驗(yàn)研究。
落艙釋放前（常重力）的液氧界面（左）和回收階段的液氧界面（右）
本次落塔實(shí)驗(yàn)采用單艙模式，微重力水平可達(dá)到10-3g（g=9.8 m/s2，為地面重力加速度），微重力持續(xù)時(shí)間約3.6s。實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段，利用液氮將模擬貯箱腔內(nèi)的高壓氧氣冷凝為液氧，并通過高速相機(jī)對(duì)模擬貯箱內(nèi)流體界面進(jìn)行了可視化測(cè)試。當(dāng)模擬貯箱內(nèi)液氧充注率達(dá)到設(shè)計(jì)要求后封艙，并將單艙及其內(nèi)部的實(shí)驗(yàn)裝置吊裝到83m高度的釋放機(jī)構(gòu)位置。確認(rèn)實(shí)驗(yàn)裝置狀態(tài)無誤后，釋放落艙，以觀測(cè)其內(nèi)部液氧-氧蒸氣兩相系統(tǒng)在重力變化下的響應(yīng)行為。本次落塔實(shí)驗(yàn)成功獲得了微重力狀態(tài)下液氧氣液界面的波動(dòng)及熱力學(xué)特性，并分析了異質(zhì)增壓氦氣、充注率、氣枕區(qū)壓強(qiáng)等多種因素的影響。這一突破性實(shí)驗(yàn)將為低溫推進(jìn)技術(shù)、低溫推進(jìn)劑在軌長(zhǎng)期存儲(chǔ)與管理等關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展提供重要數(shù)據(jù)支持，也將深化對(duì)低溫氣液兩相流動(dòng)與相變傳熱規(guī)律的認(rèn)知。
本項(xiàng)實(shí)驗(yàn)獲得國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、上海市科技重大專項(xiàng)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目和微重力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題的支持。
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