衛星電推進工質氙氣的充裝特性測試方法
【專利摘要】本發明公開了一種衛星電推進系統氙氣工質充裝特性測試的方法，包括氙氣飽和蒸氣壓測試；氙氣氣相及超臨界PVT性質測試；氙氣液相PVT性質測試；采用了burnnet法與定容法相結合的測試方法，通過定容靜態平衡升溫測量不同溫度下的氙氣飽和蒸氣壓，擬合飽和蒸氣壓方程；然后以burnnet-定容法為基礎測試了氙氣在氣相及超臨界狀態充裝特性參數，獲得氙氣充裝的容積常數及充氣常數；最后采用定容法測試了氙氣在液相條件下的充裝特性參數，采用了正向升溫測試及反向降溫對比的驗證方法，獲得了一套高精度全量程壓力范圍的氙氣充裝特性實測數據及擬合方程，保證試驗數據的準確性與可靠性。
【專利說明】衛星電推進工質氙氣的充裝特性測試方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種衛星電推進系統氙氣的工質充裝特性測試的方法，特別是涉及基于burnnet法(等溫膨脹法)與定容法相結合的高精度衛星電推進工質氙氣充裝特性測試方法。
【背景技術】
[0002]衛星電推進系統工質為氙氣，由于氙氣分子量大、熔點高、沸點高及臨界點高等特殊的物理性質，電推進系統工質氙氣充氣加壓、發射場加注及在軌存儲使用等存在眾多未知因素，安全風險高，氙氣地面存儲、測試、加注及在軌存儲使用技術難度也較大，無相應的技術基礎及試驗數據。氙氣是一種單原子分子氣體，其原子序數為54，原子量為131.3，十分不活潑，不能燃燒，也不助燃。氙氣在常溫常壓下為無色透明氣體，純氙在常溫常壓下的密度為5.761kg/m3，是天然稀有氣體中分子量最大、密度最高的一個，大約是地球表面大氣密度的4.5倍。在標準大氣壓下，氙氣的熔點是_112°C，沸點是_108°C。氙的三相點為-112°C，81.6kPa。液態氙的密度在三相點處達到最大，為3.100g/cm3,固態氙的密度為3.640g/cm3。氙的臨界點為289.77K(16.6°C ),5.841MPa，氙氣在此壓力、溫度之上轉化為超臨界流體。氙氣的臨界密度約為1.091g/cm3到1.119±0.011g/cm3不等。氙氣在空氣中的含量為8.6X 10_8(86ppb)，具有9種同位素，因此，氙氣具有極其特殊的屬性。氙氣熱物理性質的研究可以追溯到1912年Patterson等的工作，至美國NIST的Gillis等在2004年對氣氣的臨界參數的展開測量，他們測量了氣氣的臨界參數、沸點及沸點下的蒸氣密度等性質，但測量的方法及參數較單一，且都處于單相區，而本方法主要關注氙氣的飽和蒸氣壓和pvT性質，涉及的區域包括單相區、兩相區、臨界區和超臨界區，建立氙氣在全區域范圍可用的充裝測試方法及數據庫，Burnett法是測量氙氣的飽和蒸氣壓和pvT性質的基礎，該方法在段遠源編著的《三氟碘甲烷和二氟甲烷的熱物理性質研究》(高等教育出版社)2.2.1 “Burnett法原理”中詳細描述。
[0003]Burnett法測試裝置的原理圖如圖1所示，測試裝置的本體由兩個容器組成，主容器容積為VI，膨脹容器的容積V2，兩容器間通過小直徑管道由閥門連接，整個裝置處于同一恒溫環境下。在測試前將兩容器分別抽成真空，關閉兩容器之間的膨脹閥，向容器Vl中充入工質，穩定后工質壓力為Ptl，壓縮因子為Ztl，則有
[0004]Z0 = P0V1/ (n0RT) (2)
[0005]式I中，Iitl為充注的摩爾數，T為熱力學溫度，R為通用氣體常數。打開膨脹閥，使氣體由容器Vl向容器V2已抽真空)膨脹，待平衡后，關閉閥門，再次測量容器Vl中工質的壓力為P1，其后重復關閉膨脹閥、容器V2抽真空、打開膨脹閥、記錄新壓力值這一過程壓力和溫度，直至膨脹壓力足夠低。這樣就得到了一條等溫線上的一系列膨脹壓力值:Ρ(ι、Ρι、
r
Ρ2...Ργ，其中Pr為第r次膨脹后的壓力，pr_i/prpr曲線和A.0 M Pr曲線。當氣體壓力趨于零時，其壓縮因子趨近于1，容積常數Ntl和充氣常數A分別可表示成如下的極限形式
[0006]/Vo = !".?—L(3)
L 」A—0 p
Ir
[0007]— = Ι?ιη,Ρ,Π^/(4)
A Pr %f
rr
[0008]因此,繪制P1VPrPr曲線和Pr曲線，Pr-^PrPr曲線和Α.Γ1 M Pr曲線與縱
/-1?-1
軸的交點即分別為容積常數Ntl和充氣常數+
A ο
[0009]定容法是一定量的氣體或液體在剛性容器內進行定容加熱或放熱時，比體積V保持不變，即P1Zt1 = ρ2/τ2，測量不同溫度下對應的壓力。
[0010]通過高精度恒溫槽精確控制樣品溫度，待穩定60分鐘后，記錄溫度和壓力，從低溫到高溫依次進行定容實驗(溫度范圍為-20°C?100°C )，然后進行等溫膨脹，再重復上述過程，最后得到整個溫度區間不同密度下的壓力數據。
[0011]電推進系統氙氣充裝特性測試對衛星充氣加壓及加注有重要意義，本發明提供了衛星電推進系統氙氣工質充裝特性測試的方法。
【發明內容】
[0012]本發明的目的是提供一種衛星電推進系統氙氣工質充裝特性測試的方法，以便準確地測試出衛星電推進系統氙氣的充裝特性及相關參數。
[0013]本發明的方法采用了 burnnet裝置進行充裝氣體的物理試驗，本發明公開了一種衛星電推進系統氙氣工質充裝特性測試的方法，包括氙氣飽和蒸氣壓測試；氙氣氣相及超臨界PVT性質測試；氙氣液相PVT性質測試；采用了 burnnet法與定容法相結合的測試方法，通過定容靜態平衡升溫測量不同溫度下的氙氣飽和蒸氣壓，擬合獲得飽和蒸氣壓方程；然后以burnnet-定容法為基礎測試了氙氣在氣相及超臨界狀態充裝特性參數，獲得氙氣充裝的容積常數及充氣常數；最后采用定容法測試了氙氣在液相條件下的充裝特性參數，采用了正向升溫測試及反向降溫對比的驗證方法，獲得了一套高精度全量程壓力范圍的氙氣充裝實測數據及擬合方程，保證試驗數據的準確性與可靠性。系統覆蓋氙氣加注與測試使用范圍，充裝壓力范圍:0?17MPa，壓力測量精度:優于0.05% FS，溫度測量范圍:-20°C?100°C，恒溫精度優于0.050C ;密度范圍Okg/Ι?2.3kg/l，測量精度:優于
0.0013kg/l，保證加注與測試要求。本發明所提供的具體方案如下:
[0014]本發明方法主要包括以下步驟:
[0015]I)氙氣飽和蒸氣壓測試
[0016]在測試容器內獲得一定量的氣氣工質，使得測試容器內的氣氣工質的略大于臨界密度1.099g/cm3，在測試過程中氙氣工質始終為氣、液兩相狀態；分別設置恒溫槽溫度為-20°C到16.6°C之間的至少30個溫度值，待恒溫槽溫度、測試容器內的氙氣壓力均穩定60分鐘后，使用數據采集系統測量并記錄相應溫度和壓力，即氙氣飽和蒸氣壓數據，擬合出Wagner型飽和蒸氣壓方程(I)。
[0017]1η?—] = ?Σ4^]^(I)
\Pc J V 7:1 J
[0018]式(I)中，τ = 1-Τ/Τ。, Ai和Ci為擬合系數,T標示溫度,臨界溫度Τ。, P標示氣氣壓力，臨界壓力Pc。
[0019]2)氙氣氣相及超臨界PVT性質測試
[0020]利用Burnett法測試氙氣氣相及超臨界PVT性質，首先在高密度條件下從16.6°C到100°C的定容測試，然后在100°c進行等溫膨脹，獲得較低的密度，再在該密度下重復從16.6°C到100°C的定容測試，并在100°C再進行等溫膨脹，最后得到整個溫度區間不同密度下的壓力數據。
[0021]3)氙氣液相PVT性質測試
[0022]氙氣液相區PVT性質通過定容法測試，使用了體積1ml?50ml的高壓釜進行，用標準液體對高壓釜的體積進行標定，標定完畢后，在_20°C低溫下，將氙氣充入標定后的高壓釜，分步對裝有氙氣的高壓釜加熱，調節溫度到_20°C到16.6°C之間的某個溫度值(至少20個值)，待溫度、壓力穩定后讀取相應數值，并在測試完成后精確稱量氙氣質量，由氙氣質量和高壓釜的體積獲得比容，進而得到穩定溫度、壓力下的PVT數據。
[0023]本發明技術方案的特點包括:
[0024]1.本發明在測試飽和蒸氣壓過程中，測試容器內工質的平均密度略大于臨界密度，使得測試過程中工質始終為氣、液兩相，同時采用正向升溫測試與反向降溫比對的驗證的方式保證測試數據的準確性。
[0025]2.本發明首先進行高密度從低溫到高溫的定容測試，然后在最高溫度進行等溫膨脹，獲得較低的密度，再重復定容測試和最高溫度的等溫膨脹過程，最后得到整個溫度區間不同密度下的壓力數據。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026]圖1是現有技術中Burnett法的測試原理圖。
【具體實施方式】
[0027]以下介紹的是作為本發明所述內容的【具體實施方式】，下面通過【具體實施方式】對本發明的所述內容作進一步的闡明。當然，描述下列【具體實施方式】只為示例本發明的不同方面的內容，而不應理解為限制本發明范圍。
[0028]本發明的原理如下:通過定容靜態平衡升溫測量不同溫度下的氙氣飽和蒸氣壓，擬合獲得飽和蒸氣壓方程；然后以burnnet-定容法為基礎測試了氙氣在氣相及超臨界狀態充裝特性參數，獲得氙氣充裝的容積常數及充氣常數；最后采用定容法測試了氙氣在液相條件下的充裝特性參數，采用了正向升溫測試及反向降溫對比的驗證方法，獲得了一套高精度全量程壓力范圍的氙氣充裝實測數據及擬合方程，保證試驗數據的準確性與可靠性。過程包括氙氣飽和蒸氣壓測試、氙氣氣相及超臨界PVT性質測試、氙氣液相PVT性質測試3個過程。本發明方法主要包括以下流程:
[0029]I)氙氣飽和蒸氣壓測試
[0030]測試中首先配置一定量的氙氣工質，因測量的溫度最高至臨界溫度附近，充入質量應滿足測試容器內工質的平均密度略大于臨界密度，使得測試過程中工質始終為氣、液兩相。設置恒溫槽溫度，使用數據采集系統讀取溫度、壓力結果，待溫度、壓力均穩定60分鐘后完成該點測試。因測試工質與恒溫介質之間熱阻大，需一定時間的換熱，為檢驗測試工質與恒溫介質是否達到平衡，通過改變恒溫介質溫度(升高或降低5mK)，監測壓力是否改變來判斷熱平衡的達到，分別記錄不同溫度條件下的穩定壓力值，不少于30個值。
[0031 ] 基于氙氣飽和蒸氣壓實驗數據，擬合了 Wagner型飽和蒸氣壓方程，方程形式如式
(5)所示。
? \ Z5Λ γ
[0032]In Z = YAjTc-(5)
I 幻 Ui Jτ
[0033]式中，τ = 1-T/TC, Ai和Ci為擬合系數。
[0034]式(5)的擬合參數如表I所示，臨界溫度T。= 289.73K ;通過飽和蒸氣壓數據擬合得到的臨界壓力Pc = 5836.336kPa ；
[0035]表I擬合參數
[0036]
112345
CiI1.52.53.57
A1-5.941744 1.139330 0.0289119 -1.694254 6.648992
[0037]2)氙氣氣相及超臨界PVT性質測試
[0038]Burnett法測試裝置的原理圖如圖1所示,本體由兩個容器組成，主容器容積為Vl，膨脹容器的容積V2，兩容器間通過小直徑管道由閥門連接，整個裝置處于同一恒溫環境下。在測試前將兩容器分別抽成真空，關閉兩容器之間的膨脹閥，向容器I中充入工質，穩定后工質壓力為Ptl，壓縮因子為Ztl，則有
[0039]Z0 = P0V1/ (n0RT) (2)
[0040]式中，Iltl為充注的摩爾數，T為熱力學溫度，R為通用氣體常數。打開膨脹閥，使氣體由容器I向容器2 (已抽真空)膨脹，待平衡后，關閉閥門，再次測量容器I中工質的壓力Sp1，其后重復關閉膨脹閥、容器2抽真空、打開膨脹閥、記錄新壓力值這一過程壓力和溫度，直至膨脹壓力足夠低。這樣就得到了一條等溫線上的一系列膨脹壓力值:P0、PU p2…
r
Pr,其中pr為第r次膨脹后的壓力，pr^/prpr曲線和凡ΠΧ pr曲線。當氣體壓力趨于零
/-1
時，其壓縮因子趨近于1，容積常數Ntl和充氣常數A分別可表示成如下的極限形式
[0041]= li^,-...1(3)
PPq Pr
I
[0042]— = Iim Π N1( 1)
A
V
[0043]因此，ρ^/ρ,ρ,曲線和凡UK Pr曲線與縱軸的交點即分別為容積常數Ntl和充氣
/-1常數經過擬合，容積常數Ntl為1.37809625，充氣常數+為11604.99653339。
? οA
[0044]繼續Burnett法測試，隨著膨脹次數的不斷增加，氣體的密度不斷減小，氣體逐漸趨近于理想氣體(Z — I)，首先進行高密度(即對應16.6°C溫度的氙氣密度)從低溫到高溫的定容測試，然后在最高溫度100°C進行等溫膨脹，獲得較低的密度，再重復定容測試和最高溫度的等溫膨脹過程，最后得到整個溫度區間不同密度下的不少于100個點的壓力數據。
[0045]2)氙氣液相PVT性質測試
[0046]液相區PVT性質通過定容法實現，主要包括一個已知體積的高壓釜(測試本體)，用標準液體對高壓釜的體積進行標定，標定完畢后，在低溫下，將待測工質充入已知體積的高壓釜，分步對系統加熱，調節系統的壓力溫度到測定目標值，待溫度壓力穩定后讀取其數值，測試完成后精確稱量工質質量，由待測工質的質量和高壓釜體積可獲得比容，進而可得到平衡溫度壓力下的PVT數據，不少于20個值。
[0047]盡管上文對本發明的【具體實施方式】給予了詳細描述和說明，但是應該指明的是，我們可以依據本發明的構想對上述實施方式進行各種等效改變和修改，其所產生的功能作用仍未超出說明書及附圖所涵蓋的精神時，均應在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.衛星電推進系統氙氣工質充裝特性測試的方法，包括以下步驟: 1)氣氣飽和蒸氣壓測試 在測試容器內獲得一定量的氙氣工質，使得測試容器內的氙氣工質的略大于臨界密度1.099g/cm3，在測試過程中氙氣工質始終為氣、液兩相狀態；分別設置恒溫槽溫度為-20°c到16.6°C之間的至少30個溫度值，待恒溫槽溫度、測試容器內的氙氣壓力均穩定60分鐘后，使用數據采集系統測量并記錄相應溫度和壓力，即氙氣飽和蒸氣壓數據，擬合出Wagner型飽和蒸氣壓方程(I):f ηλ ( 5 Λ τ ln - =\Σλ^\-±(ι)
\Pc J V /-1 J 1 式(I)中，τ = 1-T/T。，Ai和Ci為擬合系數，T為溫度，P為氙氣壓力，臨界溫度Tc，臨界壓力Pc。 2)氙氣氣相及超臨界PVT性質測試 利用Burnett法測試氙氣氣相及超臨界PVT性質，首先在高密度條件下從16.6°C到100°C的定容測試，然后在100°C進行等溫膨脹，獲得較低的密度，再在該密度下重復從16.6°C到100°C的定容測試，并在100°C再進行等溫膨脹，最后得到整個溫度區間不同密度下的壓力數據； 3)氙氣液相PVT性質測試 氙氣液相區PVT性質通過定容法測試，使用了體積1ml?50ml的高壓釜進行，用標準液體對高壓釜的體積進行標定，標定完畢后，在_20°C低溫下，將氙氣充入標定后的高壓釜，分步對高壓釜加熱，調節溫度到_20°C到16.6°C之間的某個溫度值(至少20個點)，待溫度、壓力穩定后讀取相應數值，并在測試完成后精確稱量氙氣質量，由氙氣質量和高壓釜的體積獲得比容，進而得到穩定溫度、壓力下的PVT數據。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，高壓釜的體積為1ml?50ml。
3.根據權利要求1所述的方法，其中，所述的標準液體為去離子水和四氟乙烷。
【文檔編號】G01N33/00GK104133039SQ201410334537
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月14日 優先權日:2014年7月14日
【發明者】喻新發, 趙月帥, 孫立臣, 李曉麗, 洪曉鵬, 楊定魁, 孟冬輝, 閆榮鑫 申請人:北京衛星環境工程研究所