舱外服大循环量引射器优化设计与实验研究

周 远， 王 雷， 梁志伟， 孙 鹏， 罗 江， 朱艳芳

(1.中国航天员科研训练中心， 北京 100094；

2.山东大学 控制科学与工程学院， 山东 济南 250061)

舱外航天服是高风险出舱活动[1]中保障航天员生命安全、工作能力和工作舒适性的核心设备[2-5]。便携式生保系统是舱外服的关键组成部件之一[6]，其压力维持和氧气供应是保障航天员安全和生存的最重要的功能，其系统设置了完备的功能备份系统来保障故障情况下航天员的安全[7-9]。引射器用作供氧调压系统的重要功能备份，是递进式应急供氧模式的核心部件，利用来自储氧罐的高压氧气，在喷嘴出口产生低压，抽吸通风回路气体，与之混合后进行供氧与通风，同时可带动通风管道内气体流动，作通风动力设备的功能备份。本研究的引射器为大循环量引射器，流量设计目标为：绝对压力0.5 MPa时，喷嘴氧气流量为10～15 L/min，混合气体的流量不小于120 L/min，即循环气体流量的体积是喷嘴体积流量的8～12倍。

由于正常供氧模式为主方案，为了不影响其性能，这里只考虑研究挡板位置、喷嘴形状和NXP对循环量的影响。目前的引射器采用渐缩管，即使在临界工作模式，随着工作压力增大，工作流量线性增大，但是引射流量呈下降趋势，难以满足循环量要求。目前尚未见舱外服生保系统引射器设计与优化的相关报道。但是关于引射器的结构优化在制冷等领域比较成熟，具体如下：如果将喷嘴改为缩放喷嘴，在喷嘴出口产生的压降大，引射能力强，在次临界模式，引射流量随工作压力增大而增大，在临界模式，引射流量保持最大且不变[10]。因此，将亚音速喷嘴改为缩放喷嘴是提高循环量的重要手段。对于固定的引射器，存在一个最优的NXP使得引射性能最佳。张坤等[11]仿真研究表明在其他结构与工况固定前提下，存在一个最优的NXP使得二次流充分加速，在与一次流进行混合时摩擦损失与动能损失最小、引射比最大。于文艳等[12]仿真发现NXP为混合室圆柱段直径的1.8倍时，引射性能最佳。史海路等[13]研究发现存在一个最优的NXP使得引射性能最大。关于喷嘴出口位置，陈洪杰等[14]采用环形混合层理论，建立了预测最优NXP的理论模型，研究发现，膨胀比固定，无量纲最优NXP随压缩比增大而减小。NGUYEN等[15]研究发现最优NXP不随工况改变。

综上所述，为了在不影响主方案性能的前提下提高循环量，可以考虑适当前移挡板减轻甚至消除涡流损耗；
在此基础上，将收缩喷嘴改为缩放喷嘴并且寻找合适的NXP是提升循环量的重要手段。本研究将前移挡板，更换喷嘴，然后采用常压引射实验研究不同NXP对混合流量Vm的影响，以优化引射器结构，提高供氧通风能力。

1.1 挡板前移

舱外服用引射器三维结构如图1a所示，当前的引射器采用亚音速喷嘴；
由图1b可知，引射器挡板与等面积混合区进口之间存在一定空间，这会产生回流，降低引射性能。因此，挡板前移有助于降低引射器内部涡流耗散，增强混合，提高引射性能，如图2所示。

图1 舱外服用引射器

图2 挡板前移后的引射器

1.2 喷嘴优化

1) 喷嘴数学模型

(1)

式中，pp,Tp—— 工作流入口滞止压力与温度

At—— 喷嘴喉部截面积

γ—— 绝热指数

R—— 气体常数

ηp—— 喷嘴等熵效率

(2)

式中，Ap,e—— 喷嘴出口截面积

喷嘴出口压力pp,e为：

(3)

2) 缩放喷嘴结构设计

(1) 确定喷嘴等熵效率 样件1与样件2(正式产品，XXX-5和XXX-6)环试后产品氧气介质测试分别如表1所示。

此时喷嘴喉部直径为0.57 mm，大气压力为101.325 kPa，常温下氧气[17]气体常数R=259.8 J/kg·K，绝热指数γ=1.395，标况下氧气密度[18]为1.429 kg·m-3。将以上参数以及表1中测试结果代入式(1)，分别求得喷嘴等熵效率，并取其平均值为92.13%，标准差为1.84%。各测试点的相对误差δ均在±2%以内，详见图3。

表1 样件1，2环试后产品氧气介质测试结果

图3 喷嘴效率相对误差分布图

(2) 求解喷嘴喉部截面直径 将喷嘴最大质量流量3.81×10-4kg·s-1、工作流最小绝对压力401.325 kPa、温度300 K、喷嘴效率92.13%以及氧气特性参数代入式(1)，求得喷嘴喉部直径为0.717 mm。

(3) 求解喷嘴出口截面直径 取喷嘴出口压力为通风气体压力的1/10，即10.1325 kPa，代入式(3)，求得喷嘴出口马赫数为3.0474，代入式(2)，求得喷嘴出口直径为1.5 mm。

(4) 计算喷嘴渐扩段长度 根据ESDU 86030手册，喷嘴渐扩角过小会导致渐扩段长度过长，产生较大的摩擦损失；
过大则容易在低压比下导致流体分离。因此，根据渐扩角推荐值10°，计算渐扩段长度为4.5 mm，这里取为5 mm。

至此，完成整个缩放喷嘴结构设计，其二维剖面如图4所示。

图4 缩放喷嘴二维剖面图

3) NXP

喷嘴由渐缩管改为缩放管后，需要考虑喷嘴位置，以获得整个超音速引射器的最优引射效果。研究不同NXP对超音速引射器混合流量的影响，以使其值最大，如图5所示。

图5 超音速引射器二维剖面图

2.1 舱外服用引射器实验原理

舱外服用引射器实验原理如图6所示，来自高压氧罐的纯氧，经减压调压到额定工况后，在喷嘴内膨胀加速，产生低压，在压差与剪切力的作用下，引射通风回路气体 (通风气体与混合气体的压差由阻力模拟器调节实现)，两股流体经剧烈而又复杂的能量交换、物质扩散过程混合后排出至大气。

图6 舱外服用引射器实验原理图

2.2 常压引射实验平台

常压引射实验平台引射器接口如图7所示，具体实验流程按照规定执行，实验时室内温度为300 K，空气压力为101.800 kPa。

图7 常压引射实验平台引射器接口

为了提高实验效率，采用3D打印技术加工制造，如图8所示，材质为光敏树脂，加工精度为0.1 mm。考虑纯氧实验的安全性，采用氮气做常压引射实验。

图8 不同结构引射器3D打印实物

3.1 挡板位置与喷嘴类型对循环量的影响

不同挡板位置与喷嘴类型下的引射器压力-流量特性曲线如图9所示。在工作流表压为0.30～0.55 MPa 范围内，挡板位置对混合流量的影响与喷嘴类型相耦合。对于亚音速引射器，前移挡板导致涡流耗散降低，混合流量56.90%提高以上，而对于超音速引射器，前移挡板增加涡流耗散，使得混合流量降低12.08%～16.70%。将渐缩喷嘴换为缩放喷嘴，喷嘴出口速度增加至超音速，抽吸室内工作流与通风气体压差增大，引射性能增强，抽吸更多通风回路气体，可显著提高混合流量。对于亚音速引射器，混合流量可以提高1.81倍以上；
对于挡板前移的亚音速引射器，则可提高36.90%以上。

图9 挡板位置和喷嘴类型对混合流量的影响

3.2 NXP对循环量的影响

NXP对不同引射器混合流量的影响如图10所示。对于挡板前移的亚音速引射器，无论怎么改变NXP，均无法满足循环量要求。然而，对于超音速引射器，基本所有的NXP，混合流量均可符合要求。特别地，当NXP为6 mm时，引射器引射性能最优，混合气体流量最大，在工作流绝对压力为0.503 MPa时，其值为144.83 L/min。最优引射器与亚音速引射器的压力-流量特性具体比较如表2所示，将喷嘴换为缩放喷管，混合流量至少可提高1.59倍。

图10 NXP挡板前移引射器对混合流量的影响

本研究的最优引射器与亚音速引射器性能比较详见表2，可知相比于原来的亚音速喷射器，最优喷射器的体积流量的混合气体流量也由原来的27～64 L/min提高到119.83～179.67 L/min，所有的混合气体流量基本满足不低于120 L/min的要求。此外，体积流量提高1.8～3.4倍， 并且满足混合气体的流量不小于120 L/min的指标要求。

表2 最优引射器与亚音速引射器性能比较

注：工作介质为氮气。

为了进一步提高舱外服用引射器供氧通风性能，设计缩放喷嘴，采用3D打印技术制造光敏树脂引射器，采用纯氮进行常压引射实验，研究挡板位置、喷嘴类型和NXP对循环量的影响，确定性能最优的引射器结构。

(1) 挡板位置与喷嘴类型对循环量的影响相互耦合。对于亚音速引射器，前移挡板可提高混合流量56.90%以上，而对于超音速引射器，却使得混合流量降低12.08%～16.70%。将渐缩喷嘴换为缩放喷嘴，混合流量可以提高1.81倍以上；
对于挡板前移的亚音速引射器，则可提高36.90%以上；

(2) 对于亚音速引射器，所有的NXP均无法满足循环量要求；
然而，超音速引射器基本均可满足要求；

(3) 存在最优的NXP使得超音速引射器循环量最大。当NXP=6 mm时，超音速引射器混合流量最大，在工作流绝对压力为0.503 MPa时，混合流量为144.83 L/min，与亚音速引射器相比，在典型工况循环量至少提高1.59倍。