衛(wèi)星電推進工質(zhì)氙氣的充裝特性測試方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種衛(wèi)星電推進系統(tǒng)氙氣工質(zhì)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(zhì)測試；氙氣液相PVT性質(zhì)測試；采用了burnnet法與定容法相結(jié)合的測試方法，通過定容靜態(tài)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(tài)充裝特性參數(shù)，獲得氙氣充裝的容積常數(shù)及充氣常數(shù)；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(shù)，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(shù)據(jù)及擬合方程，保證試驗數(shù)據(jù)的準確性與可靠性。
【專利說明】衛(wèi)星電推進工質(zhì)氙氣的充裝特性測試方法

【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種衛(wèi)星電推進系統(tǒng)氙氣的工質(zhì)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(jié)合的高精度衛(wèi)星電推進工質(zhì)氙氣充裝特性測試方法。

【背景技術(shù)】
[0002]衛(wèi)星電推進系統(tǒng)工質(zhì)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(zhì)，電推進系統(tǒng)工質(zhì)氙氣充氣加壓、發(fā)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(shù)難度也較大，無相應的技術(shù)基礎及試驗數(shù)據(jù)。氙氣是一種單原子分子氣體，其原子序數(shù)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(tài)氙的密度在三相點處達到最大，為3.100g/cm3,固態(tài)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(zhuǎn)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(zhì)的研究可以追溯到1912年P(guān)atterson等的工作，至美國NIST的Gillis等在2004年對氣氣的臨界參數(shù)的展開測量，他們測量了氣氣的臨界參數(shù)、沸點及沸點下的蒸氣密度等性質(zhì)，但測量的方法及參數(shù)較單一，且都處于單相區(qū)，而本方法主要關(guān)注氙氣的飽和蒸氣壓和pvT性質(zhì)，涉及的區(qū)域包括單相區(qū)、兩相區(qū)、臨界區(qū)和超臨界區(qū)，建立氙氣在全區(qū)域范圍可用的充裝測試方法及數(shù)據(jù)庫，Burnett法是測量氙氣的飽和蒸氣壓和pvT性質(zhì)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(zhì)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(huán)境下。在測試前將兩容器分別抽成真空，關(guān)閉兩容器之間的膨脹閥，向容器Vl中充入工質(zhì)，穩(wěn)定后工質(zhì)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(shù)，T為熱力學溫度，R為通用氣體常數(shù)。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(guān)閉閥門，再次測量容器Vl中工質(zhì)的壓力為P1，其后重復關(guān)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(shù)Ntl和充氣常數(shù)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(shù)Ntl和充氣常數(shù)+
A ο
[0009]定容法是一定量的氣體或液體在剛性容器內(nèi)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(wěn)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(qū)間不同密度下的壓力數(shù)據(jù)。
[0011]電推進系統(tǒng)氙氣充裝特性測試對衛(wèi)星充氣加壓及加注有重要意義，本發(fā)明提供了衛(wèi)星電推進系統(tǒng)氙氣工質(zhì)充裝特性測試的方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明的目的是提供一種衛(wèi)星電推進系統(tǒng)氙氣工質(zhì)充裝特性測試的方法，以便準確地測試出衛(wèi)星電推進系統(tǒng)氙氣的充裝特性及相關(guān)參數(shù)。
[0013]本發(fā)明的方法采用了 burnnet裝置進行充裝氣體的物理試驗，本發(fā)明公開了一種衛(wèi)星電推進系統(tǒng)氙氣工質(zhì)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(zhì)測試；氙氣液相PVT性質(zhì)測試；采用了 burnnet法與定容法相結(jié)合的測試方法，通過定容靜態(tài)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(tài)充裝特性參數(shù)，獲得氙氣充裝的容積常數(shù)及充氣常數(shù)；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(shù)，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(shù)據(jù)及擬合方程，保證試驗數(shù)據(jù)的準確性與可靠性。系統(tǒng)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(yōu)于0.05% FS，溫度測量范圍:-20°C?100°C，恒溫精度優(yōu)于0.050C ;密度范圍Okg/Ι?2.3kg/l，測量精度:優(yōu)于
0.0013kg/l，保證加注與測試要求。本發(fā)明所提供的具體方案如下:
[0014]本發(fā)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(nèi)獲得一定量的氣氣工質(zhì)，使得測試容器內(nèi)的氣氣工質(zhì)的略大于臨界密度1.099g/cm3，在測試過程中氙氣工質(zhì)始終為氣、液兩相狀態(tài)；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(nèi)的氙氣壓力均穩(wěn)定60分鐘后，使用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量并記錄相應溫度和壓力，即氙氣飽和蒸氣壓數(shù)據(jù)，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(shù),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(zhì)測試
[0020]利用Burnett法測試氙氣氣相及超臨界PVT性質(zhì)，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(qū)間不同密度下的壓力數(shù)據(jù)。
[0021]3)氙氣液相PVT性質(zhì)測試
[0022]氙氣液相區(qū)PVT性質(zhì)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(diào)節(jié)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(wěn)定后讀取相應數(shù)值，并在測試完成后精確稱量氙氣質(zhì)量，由氙氣質(zhì)量和高壓釜的體積獲得比容，進而得到穩(wěn)定溫度、壓力下的PVT數(shù)據(jù)。
[0023]本發(fā)明技術(shù)方案的特點包括:
[0024]1.本發(fā)明在測試飽和蒸氣壓過程中，測試容器內(nèi)工質(zhì)的平均密度略大于臨界密度，使得測試過程中工質(zhì)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(shù)據(jù)的準確性。
[0025]2.本發(fā)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(qū)間不同密度下的壓力數(shù)據(jù)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1是現(xiàn)有技術(shù)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(fā)明所述內(nèi)容的【具體實施方式】，下面通過【具體實施方式】對本發(fā)明的所述內(nèi)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(fā)明的不同方面的內(nèi)容，而不應理解為限制本發(fā)明范圍。
[0028]本發(fā)明的原理如下:通過定容靜態(tài)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(tài)充裝特性參數(shù)，獲得氙氣充裝的容積常數(shù)及充氣常數(shù)；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(shù)，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(shù)據(jù)及擬合方程，保證試驗數(shù)據(jù)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(zhì)測試、氙氣液相PVT性質(zhì)測試3個過程。本發(fā)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(zhì)，因測量的溫度最高至臨界溫度附近，充入質(zhì)量應滿足測試容器內(nèi)工質(zhì)的平均密度略大于臨界密度，使得測試過程中工質(zhì)始終為氣、液兩相。設置恒溫槽溫度，使用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)讀取溫度、壓力結(jié)果，待溫度、壓力均穩(wěn)定60分鐘后完成該點測試。因測試工質(zhì)與恒溫介質(zhì)之間熱阻大，需一定時間的換熱，為檢驗測試工質(zhì)與恒溫介質(zhì)是否達到平衡，通過改變恒溫介質(zhì)溫度(升高或降低5mK)，監(jiān)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(wěn)定壓力值，不少于30個值。
[0031 ] 基于氙氣飽和蒸氣壓實驗數(shù)據(jù)，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(shù)。
[0034]式(5)的擬合參數(shù)如表I所示，臨界溫度T。= 289.73K ;通過飽和蒸氣壓數(shù)據(jù)擬合得到的臨界壓力Pc = 5836.336kPa ；
[0035]表I擬合參數(shù)
[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(zhì)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(huán)境下。在測試前將兩容器分別抽成真空，關(guān)閉兩容器之間的膨脹閥，向容器I中充入工質(zhì)，穩(wěn)定后工質(zhì)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(shù)，T為熱力學溫度，R為通用氣體常數(shù)。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(guān)閉閥門，再次測量容器I中工質(zhì)的壓力Sp1，其后重復關(guān)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(shù)Ntl和充氣常數(shù)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(shù)Ntl和充氣



/-1常數(shù)經(jīng)過擬合，容積常數(shù)Ntl為1.37809625，充氣常數(shù)+為11604.99653339。
? οA
[0044]繼續(xù)Burnett法測試，隨著膨脹次數(shù)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(qū)間不同密度下的不少于100個點的壓力數(shù)據(jù)。
[0045]2)氙氣液相PVT性質(zhì)測試
[0046]液相區(qū)PVT性質(zhì)通過定容法實現(xiàn)，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(zhì)充入已知體積的高壓釜，分步對系統(tǒng)加熱，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的壓力溫度到測定目標值，待溫度壓力穩(wěn)定后讀取其數(shù)值，測試完成后精確稱量工質(zhì)質(zhì)量，由待測工質(zhì)的質(zhì)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(shù)據(jù)，不少于20個值。
[0047]盡管上文對本發(fā)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(jù)本發(fā)明的構(gòu)想對上述實施方式進行各種等效改變和修改，其所產(chǎn)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(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.衛(wèi)星電推進系統(tǒng)氙氣工質(zhì)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(nèi)獲得一定量的氙氣工質(zhì)，使得測試容器內(nèi)的氙氣工質(zhì)的略大于臨界密度1.099g/cm3，在測試過程中氙氣工質(zhì)始終為氣、液兩相狀態(tài)；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(nèi)的氙氣壓力均穩(wěn)定60分鐘后，使用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量并記錄相應溫度和壓力，即氙氣飽和蒸氣壓數(shù)據(jù)，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(shù)，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(zhì)測試 利用Burnett法測試氙氣氣相及超臨界PVT性質(zhì)，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(qū)間不同密度下的壓力數(shù)據(jù)； 3)氙氣液相PVT性質(zhì)測試 氙氣液相區(qū)PVT性質(zhì)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(diào)節(jié)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(wěn)定后讀取相應數(shù)值，并在測試完成后精確稱量氙氣質(zhì)量，由氙氣質(zhì)量和高壓釜的體積獲得比容，進而得到穩(wěn)定溫度、壓力下的PVT數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，高壓釜的體積為1ml?50ml。
3.根據(jù)權(quán)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(yōu)先權(quán)日:2014年7月14日
【發(fā)明者】喻新發(fā), 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(wèi)星環(huán)境工程研究所