空间微重力环境低温推进剂贮箱增压技术是航天器推进系统的一项关键技术，对未来深空探索任务具有至关重要的影响。相比于推进剂自身蒸气增压，利用不可凝、低互溶异质气体对低温推进剂进行增压，优势明显。然而，空间微重力环境导致浮力分层效应被抑制，气液两相分布构型及与重力密切相关的热质传输机制都将呈现与地面常重力环境迥异的特征。这使得基于地面经验的现有认知难以直接拓展应用到空间环境，严重制约着低温推进剂空间增压技术的发展。

近日，力学所赵建福研究团队和上海交通大学吴静怡教授、杨光长聘副教授团队合作，基于开源计算流体动力学软件OpenFOAM，集成了界面重构、组分输运、相变和固液耦合传热等，系统模拟了地面常重力和空间微重力环境低温液氧贮箱内的气液界面与流场、温度场和浓度场分布等。该研究成果以“Numerical investigation on helium pressurization behavior of cryogenic propellant in microgravity”为题发表于国际热科学与工程领域顶刊Applied Thermal Engineering上。

研究发现，微重力条件下高温氦气横向射流会在贮箱气枕区形成逐渐扩大的漩涡，导致气相区温度的均匀化，而非地面常重力条件下浮力驱动的水平分层结构。贮箱内壁面热流最大发生在三相接触线附近，微重力条件下液面的爬升使得贮箱内壁面热流减小。气枕区和液相区温度的差异，导致气液界面发生相变，地面常重力条件下的水平温度分层使得增压过程气液界面以凝结为主导；而在空间微重力条件下，气枕区的分层结构消失，使得高温氦气能快速传输到气液界面，界面相变以液氧蒸发为主。研究还分析在轨沉底作用的影响，发现气液界面的波动会导致局部气体滞流，进而降低界面处的热通量。比较不同重力条件下的氦气增压过程发现，微重力增压过程中界面与贮箱壁面热通量减小，共同导致了微重力条件下的氦气增压速率约是常重力条件下的2倍，且低温推进剂沉底之后立刻增压的效果更好。该研究加深了对微重力环境氦气增压过程的理解，可为未来深空探索中的低温推进剂输运系统设计与优化提供可靠指导。

文章第一作者为上海交通大学研究生郭松源，通讯作者为上海交通大学杨光副教授，力学所赵建福研究员为共同作者。该研究得到了中国科学院微重力重点实验室开放基金（NML202408）等资助，后续将进一步利用北京落塔开展地基短时微重力实验研究。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2025.125926

图1 低温推进剂贮箱示意图

图2 不同重力条件下浓度场（左）和温度场（右）的分布

图3 不同时刻气枕区流线与贮箱内壁面热流的分布

图4 不同重力条件下贮箱压力及增压速率的变化