液壓回路加注技術的研究和探討

李森，趙丕盛，洪躍鎮

（中國航天員科研訓練中心，北京 100094）

引言

眾多航天器通過換熱器收集艙內廢熱，依靠冷卻工質在液壓回路中的流動將熱量傳輸到艙外，從而實現對密閉艙內的溫濕度控制。液壓回路冷卻工質的順利加注是實現這一功能的首要條件，對該技術的研究和探討具有重要的現實意義。

按照目前的研制模式，各航天器在發射前須進行大量的測試工作，包括各艙段的分解和組合，每次艙段分解都會帶來液壓回路的工質排放和再加注工作，因此，在測試階段會進行頻繁的液壓回路加注和再加注工作。對各航天器來說，液壓回路加注和再加注工作均是不可或缺的必備工作之一。

盡管液壓回路加注的技術流程比較成熟，但其各參數指標的確定目前還缺乏比較完整的的理論依據。本文分析了液壓回路加注的各指標參數確定的依據，給出了工質脫氣和液壓回路抽真空等指標制定的原則和方法，對后續工作有良好的借鑒和指導意義。

1 提出問題

1.1 液壓回路加注的特點

本節以某航天器為例，來說明液壓回路和工質加注的特點。圖1所示為某航天器的液壓回路管路示意圖，由此可知，液壓回路是一個貫穿多艙的封閉回路，串聯、并聯混合結構，流道復雜，例如冷凝換熱器由超過500根的毛細列管組成；液壓回路死腔多，縫隙多，接頭多，工質排放時無法徹底排凈；液壓回路加注的要求很高，為了保證微重力下的換熱效果，必須控制不可冷凝氣體的殘留量，氣泡總量不得堵塞冷凝熱交換器換熱面積的5 %，即殘余氣泡不超過50 mL，占總容積的約0.4 %。

圖2所示為目前所用的加注設備和加注裝置示意圖，由此可知，加注設備眾多，包括氣瓶、儲箱、真空泵、壓力表、真空計、加注扳手等，涉及氣路、液路、抽真空回路等，操作也非常復雜。

1.2 液壓回路加注的流程及參數

液壓回路加注的技術流程為：首先對工質進行脫氣處理；然后對液壓回路抽真空，靠自吸將工質注入到液壓回路中，同時加壓，提供一個泵入口壓力；最后保壓。簡言之，工質脫氣——真空自吸——加壓——保壓。

在這些步驟中，涉及很多參數的確定，也引伸出很多的學術問題。主要包括：

1）為什么要工質脫氣？脫多長時間？

2）液壓回路抽真空，抽到什么程度？指標由什么來決定？

3）加注壓力怎么確定？加注合格的標志是什么？

4）為什么要保壓？保壓多長時間？

本文通過研究和探討，試圖對以上問題進行闡釋和解答。

2 分析問題

2.1 工質脫氣處理

該液壓回路工質為乙二醇水溶液，在存放過程中必然會溶解空氣。加注時真空自吸過程中這些氣體會脫出。由于管路內接觸面積小，氣體難以再次溶解，將會形成不可冷凝氣泡，從而影響換熱效果。為保證微重力下換熱效果，氣泡總量不得堵塞冷凝熱交換器換熱面積的5 %，即殘余氣泡不超過50 mL。

亨利定律闡釋了空氣在液體中的平衡溶解量，可表示為：

圖1 某航天器液壓回路管路示意圖

圖2 液壓回路加注裝置和設備示意圖

式中：

V—空氣在液體中的溶解度，L/m3；

p—溶液上方的空氣平衡分壓，kPa（絕壓）；

KT—溶解度系數，L/kPa·m3，不同溫度下溶解度系數不同，KT值與溫度的對應關系如表1所示。

由此可見，氣體平衡溶解量跟溶氣壓力成正比，且與溫度有關。

如果工質不進行脫氣處理，可計算出20oC時一個大氣壓下平衡溶解量為18.18 mL/L，這樣液壓回路最多將可能存在500 mL不可冷凝氣體，無法滿足要求。而進行了工質脫氣后，氣體壓力將降低至飽和蒸汽壓，可計算出20oC時飽和蒸汽壓下平衡溶解量為0.42 mL/L，這樣液壓回路最多僅可能存在13 mL不可冷凝氣體，可以滿足要求。

因此，工質脫氣的目的是去除工質中溶解的空氣，從而控制不可冷凝氣體量。

當環境壓力降低時，氣體會從液相一側向氣相一側轉移，轉移的氣體質量隨時間的變化服從一階動力學過程。過飽和溶解氣體的釋放過程公式為：

積分后，結果為：

式中：

V、V0和Vm—當前的溶解量、初始溶解量和目標溶解量；

k—釋放系數，其經驗公式為：

可見，由初始溶解度到目標溶解度的過飽和溶解氣體釋放過程滿足指數分布，主要由釋放系數k決定，而釋放系數與流動速度、深度（接觸面積）有關，φ可取為1×10-9s-1。

對于工質脫氣過程，初始溶解度為18.18 mL/L，目標溶解度為0.42 mL/L，此工況的計算結果如圖3所示，部分計算數據見表2。由圖表可知，釋放過程很快，開始時效果明顯，后面逐步趨近；現有工況下，2 min即可達到同等量級，6 min滿足要求。

上述從理論上解釋了工質脫氣過程，試驗驗證結果也證實了這一規律。

工質脫氣試驗所用的抽真空設備為機械真空泵，一種變容式的旋片式真空泵，工作原理圖見圖4所示，主要由泵體、轉子、旋片、彈簧、端蓋等組成。轉子偏心安裝在泵體內，外圓與泵體內表面相切。轉子開槽，槽內裝有旋片。當轉子旋轉時，旋片靠離心力和彈簧張力使其頂端與泵體內壁保持接觸，沿泵體內壁滑動。旋片把轉子、泵體、端蓋形成的月牙形空間分割成A、B、C三部分。若轉子按圖中箭頭方向旋轉時，A空間的容積增大，壓力降低，氣體經泵入口被吸入，此時處于吸氣過程；B空間容積減小、壓力增加，處于壓縮過程；C空間的容積進一步縮小，壓力進一步增加，當壓力超過排氣壓力時，壓縮氣體推開泵油密封的排氣閥，處于向大氣中的排氣過程。在泵的連續運轉過程中，不斷進行著吸氣、壓縮和排氣過程，從而達到連續抽氣的目的。

表1 溶解度系數與溫度的對應關系

圖3 空氣溶解量隨時間的變化曲線圖

表2 溶解度隨時間的變化數據

試驗選定的真空泵抽氣速率SC為4 L/s。根據工作原理，可建立常抽速的抽氣方程如下：

積分后，結果為：

對于這樣的大抽速真空泵，抽真空效果是很明顯的。計算結果顯示，40 L的容器，抽到1 000 Pa僅需46 s，抽到1 Pa需115 s。

工質脫氣試驗所用的真空度測量設備為電阻真空計，屬于一種熱傳導真空計，其結構原理圖見圖5所示，在一個由玻璃或金屬制成的圓形管殼內，其中心線處設置一根用兩個邊桿支撐的熱絲。當熱絲通電加熱后，其溫度高于周圍氣體和管殼的溫度，于是在熱絲和管殼間產生因氣體分子熱運動而引起的熱傳導。熱傳導速率的大小與管內氣體分子密度的多少有關。當達到熱平衡時，熱絲的溫度即取決于氣體的熱傳導，因此也就取決于氣體的壓力。

由工作原理可知，真空計測量的是容器內氣體的總壓力。當容器內有大量水蒸氣時，測量值將會是空氣和水蒸氣混合氣體的總壓力。因此，測量值與所要得到的不可冷凝氣體的真空度有很大差別。同時，測量也會受以下兩方面的影響而使測量產生誤差，①氣體種類對測量的影響（一般均以純凈空氣為基準標定）；②安裝位置對測量的影響（原則上應盡可能地把真空計規管安裝在接近被測量的部位，連接管道應盡量短而粗）。

圖4 旋片泵工作原理圖

圖5 電阻真空計規管結構原理圖

工質脫氣試驗的結果如圖6、圖7所示。對工質進行脫氣時，儲箱內的真空度很快將達到工質的飽和蒸汽壓，繼續抽真空，工質會不斷汽化，隨著時間的進行，工質汽化速率和真空泵抽速接近平衡，抽真空過程將會成為工質的不斷汽化過程，脫氣后期不可冷凝氣體的釋放效果已逐漸喪失，但作為一種裕度設計，脫氣時間的延長，并不會對工質濃度產生實質影響。由結果可知，儲箱質量每分鐘減少大約2 g，與理論值每分鐘抽走1.93 g水蒸氣相吻合。現有指標脫氣20 min，將會抽走44 g水蒸汽，對工質濃度影響不超過0.2 %。由于真空計安裝位置的原因，真空計讀數顯示約1 kPa，實際上工質液面處為飽和蒸汽壓（約2 kPa），而儲箱內留存的不可冷凝氣體分壓很低。

以上從理論分析和試驗驗證兩方面對工質脫氣處理問題進行了解釋。①為控制不可冷凝氣體量，必須進行工質脫氣處理；②脫氣時間指標與加注工質、液壓回路容積、儲箱容積、真空泵抽速有關。

2.2 液壓回路抽真空

從上節中可知，對液壓回路抽真空的目的不僅是要提供一個低壓真空環境方便工質自吸注入，更重要的是要控制回路中不可冷凝氣體的量。

對于首次加注狀態，液壓回路處于干燥環境。指標為抽真空至200 Pa繼續穩定20 min。認為液壓回路平均為200 Pa真空度，折算成1個大氣壓下不可冷凝氣體量為25 mL，可以滿足要求。

圖6 儲箱質量隨時間的變化曲線圖

圖7 儲箱內真空度隨時間的變化曲線圖

對于再加注狀態，由于液壓回路排放時工質無法排凈，造成回路中留存部分工質，液壓回路處于潮濕環境。統計歷次加注量，可知首次加注和再加注差約1.2 kg，為留存在液壓回路中的工質量，試驗結果證實主要存儲在冷凝換熱器中。指標為抽至500 Pa穩定20 min。如果認為液壓回路平均為500 Pa真空度，折算成1個大氣壓下不可冷凝氣體量為62.5 mL，將不滿足要求。而實際上，因為液壓回路中留存大量工質，抽真空至飽和蒸汽壓時，工質必然汽化。此時的抽真空過程類似工質脫氣過程。差別在于，液壓回路管路很長、流道很細、結構復雜，導致阻力很大，影響了氣體的流動和擴散速度，使得抽真空較慢。由20oC時水蒸氣和空氣的動力粘性分別為8.84×10-6Pa·s和18.1×10-6Pa·s可知，水蒸氣更易流動。隨著抽真空的不斷進行，留存工質會不斷汽化，水蒸氣的汽化、擴散和流動會帶動周圍不可冷凝氣體的擴散和流動，回路留存的不可冷凝氣體必然會越來越少。當抽至500 Pa穩定20 min時，實際留存的不可冷凝氣體會遠小于500 Pa（500 Pa為工質蒸汽和不可冷凝氣體混合物的總壓）。

對于正常的加注和再加注工況，這樣的指標是能夠滿足要求的。但是對于非正常工況，例如再加注時更換了產品，將有可能出現問題。表3以更換冷凝換熱器為例，對正常工況和非正常工況的再加注進行了對比。

由此可知，對于非正常的比較苛刻的工況，需要加嚴控制指標，例如增加抽真空時間，使真空計讀數至200 Pa再穩定1 h。同時要采取更高效的抽真空方法，例如對于并聯段，可采取關閉一路，單獨抽另一路的方法。

從上述分析可知，無論是首次加注還是再加注，實際上抽真空的效果不取決于真空計的讀數，而是取決于抽真空的時間。一方面，真空計離測量區域較遠，測量值誤差較大；另一方面，對于抽速一定的真空泵，抽氣時間從根本上和源頭上決定了抽氣的效果。因此，抽真空應該以時間為指標。

表3 不同工況的再加注對比

抽真空具體時間指標的確定需要理論計算和試驗測量共同作用。首先由控制目標不可冷凝氣體量推算液壓回路應該達到的真空度；然后首次加注時在回路末端安裝真空計，以此來測算達到目標真空度時的抽真空時間。后續加注以此時間為指標進行控制。

試驗結果證實，對該航天器的正常工況，以抽真空時間1 h為指標能夠滿足任務的要求，真空計讀數可作為參考值。

只要使液壓回路中留存的不可冷凝氣體量控制在要求范圍內，啟動液壓回路循環泵，液壓回路壓力就不會產生波動，液壓回路加注即滿足要求。因此，液壓回路加注合格的標志為：啟動液壓回路循環泵，液壓回路壓力穩定。

2.3 加注壓力

加注壓力即為儲能器壓力，為液壓回路泵提供一個穩定的入口壓力，使液壓回路工作穩定。控制參數為加注排放閥處壓力表數值。

首先，自吸要保證加滿。1 atm下工質理論自吸高度9.8 m，該航天器液壓回路總高度約7 m，自吸能夠達到最高端，加注后不會形成空腔，系統能夠加滿。

其次，防止出現空氣自外向內的泄漏。要控制好加注壓力，慢慢升高，不要超過指標再泄壓（儲箱內瀉出的氣泡也會留存于液壓回路最高端）；加注排放閥a處壓力表高度與液壓回路最高端高度差約4.5 m，折合成壓差0.046 MPa。確定加注壓力0.05～0.07 MPa。保證了工質加注后液壓回路各個部分絕壓大于大氣壓，杜絕了空氣自外向內泄漏的情況出現。當然，提高加注壓力對工質加注有很多好處，但也會對液壓回路系統提出很高的要求。

2.4 加注后保壓

抽真空過程中，管路內存留的工質會蒸發出大量飽和蒸汽；工質注入過程中，高速流體進入液壓回路低壓環境，會產生大量蒸汽；蒸氣為可冷凝氣體，隨著壓力的升高會重新凝結成液態；由于流道復雜，冷凝需要持續一段時間，因此需要對回路持續保壓補充液體，直至冷凝過程結束。回路中留存的不可冷凝氣體，在保壓過程中也會慢慢溶解。

目前，保壓時間指標為6 h，每間隔1 h啟動液壓回路循環泵一次。而對歷次加注保壓數據的統計結果證明，冷凝過程較快，保壓1 h后，液壓回路壓力穩定。此時即可停止保壓。

3 解決問題

根據上一章對問題的理論分析和試驗驗證結果，本章對問題進行回答和總結。

工質脫氣的目的是使工質中溶解的氣體析出，從而控制液壓回路中的不可冷凝氣體量。脫氣時間取決于加注工質、液壓回路容積、儲箱容積和真空泵抽速。對研究的該航天器，建議脫氣時間為10 min。

液壓回路抽真空不僅是要提供一個低壓真空環境方便工質自吸注入，更重要的是要控制回路中不可冷凝氣體的量。對于抽速一定的真空泵，抽氣時間決定了抽氣的效果。因此，抽真空應該以時間為指標。對研究的該航天器，建議改為以抽真空時間為指標，時間為1 h。

加注壓力為液壓回路泵提供一個穩定的入口壓力，使液壓回路工作穩定。為防止出現空氣自外向內的泄漏，同時不給系統帶來過高的要求，對研究的該航天器，加注壓力為0.05～0.07 MPa比較合適。

為保證真空自吸過程中汽化的可冷凝氣體重新凝結成液態，需對回路持續保壓補充液體，直至冷凝過程結束。經驗證明冷凝過程較快，保壓1 h后，液壓回路壓力穩定。對研究的該航天器，建議保壓時間縮減為1 h。

4 結論

1）本文從亨利定律、過飽和溶解氣體釋放公式、抽氣方程、氣體動力粘性等方面分析了液壓回路加注的各指標參數確定的理論依據，給出了工質脫氣和液壓回路抽真空等指標制定的原則和方法。

2）本文從理論依據和試驗驗證兩方面對某航天器液壓回路加注的指標進行了分析和確定，并對現用指標提出了改進建議。

3）從現有工程問題中提出學術問題，進而解決，不僅能對工程實踐提出改進建議，還對后續工作有良好的借鑒和指導意義。