CN101294656A - 用于储存低温液体或能储存的动力燃料的容器 - Google Patents

用于储存低温液体或能储存的动力燃料的容器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于储存低温液体或能储存的动力燃料的容器，用于储存空间飞行器的低温液体或能储存的动力燃料并以用作输送介质的驱动气体工作，在容器中借助筛并在利用表面张力情况下在气体输入和取出装置中使驱动气体与液体分离。气体输入和取出装置具有可重复填充的储备器的形式，储备器在主推进阶段期间排空。气体输入和取出装置设在容器上部区域中并设有一系列设在圆周侧的、朝容器扩宽的、被挡流板遮挡的开口。开口中设有相互间相继设置的板。开口各通过双筛与气体输入和取出装置的壳体内部连接，壳体中设有相对壳体纵向轴线平行延伸的板。进入气体输入和取出装置中的液体在弹道阶段期间储存在储备器中，直到液体在接着的主推进阶段返回容器中。

Description

用于储存低温液体或能储存的动力燃料的容器
技术领域
本发明涉及一种容器，用于储存空间飞行器工作所用的低温液体或能储存的动力燃料，所述容器具有一种作为输送介质使用的驱动气体以及具有可重复填充的储备器形式的至少一个填充和取出装置，在所述容器中借助于一些筛并且在利用表面张力的情况下引起驱动气体与所述液体的分离。
背景技术
在这种形式的容器中，驱动气体用于将容纳在其中的液态组分、即一方面动力燃料和另一方面氧化剂输送到燃烧或反应室中。作为驱动气体通常使用惰性气体、如氦(He)或氮(N2)，这种惰性气体在压力下被压到动力燃料罐或氧化剂罐中并且这种惰性气体由此将动力燃料和氧化剂压到通到各自的发动机的管道系统中。在此重要的是作为输送介质使用的驱动气体与到达发动机中的动力燃料或氧化剂之间的完全且可靠的分开，因为在低温液体中，尤其是在液态氢中，动力燃料的变热由于蒸发效应而在时间上通常导致容器中压力升高。为了保护容器结构完好，出现的过压必须在达到上限值时从容器导出。该问题尤其是在低温的宇航系统中出现，这种宇航系统必须在较长的时间上在失重状态下的轨道中被操纵。处于容器中的气体在此通常也用于空间飞行器的姿态调节。这是与附加驱动系统相比较成本低廉且对于姿态调节足够的推力产生方案。冷气体在此从动力燃料容器通过一个或多个推进喷管定向地释放到真空中。
如果在该过程中气体-液体混合物从容器释放到真空中，则液体和气体的不同密度视混合比例而定导致不恒定的推力剖面。航天器的调节算法于是必须按照任务要求来校正推力的这些变化。此外，只要动力燃料于是不再供航天器的主发动机使用，就不期望液体从气体取出装置输出。
为了可靠地分开气体相和液体相，迄今在航天方面采用下面的方法：
-通过动力燃料的变热使从动力燃料容器排放出来的液体蒸发。该方法需要高的能量要求来蒸发液体。
-施加附加加速度，该附加加速度使得动力燃料在压力卸载的时刻不处于气体出口处。这需要借助于附加驱动系统定向的加速度，这通常相对昂贵。附加地需要在压力卸载之前适配任务剖面。
此外，已由US-PS 4027494公知了使用相分离器来使液态相与气态相分开，其中，在该公知的装置中一个相分离器用于低加速度的阶段并且该分开在使用超导磁体的情况下进行。此外，US-PS 4848987描述了一种相分离器，在该相分离器中设置有一些泵和一系列阀。最后，在US-PS 7077885B2中所述的相分离器中使用螺旋桨，该螺旋桨使液体-气体混合物旋转，并且在该螺旋桨中，用聚乙烯或尼龙制成的膜片使液体——在此情况下为水——分开。该公知的系统被设置用于与燃料电池一起使用并且不适用于分开低温液体。其它已由US-PSen 4435196和4617031公知的装置局限于在地球重力场中使用。
发明内容
本发明的任务在于，这样构造开头所述类型的容器，使得不仅对于低温的而且对于非低温的动力燃料和液体，在加速度极为不同的情况下，即从弹道飞行阶段的低加速度直到主推进阶段的高加速度——如在航天系统中出现的那样，保证可靠的相分开。
根据本发明，提出了一种容器，用于储存空间飞行器工作所用的低温液体或能储存的动力燃料，所述容器具有一种作为输送介质使用的驱动气体以及具有可重复填充的储备器形式的至少一个气体输入和取出装置，在所述容器中借助于一些筛并且在利用表面张力的情况下引起驱动气体与所述液体的分离，其中，所述气体输入和取出装置设置在所述容器的上部区域中并且包括一个基本上圆柱状的壳体，该壳体设置有一系列设置在圆周侧的、朝所述容器扩宽的、被挡流板遮挡的开口以及设置有通到至少一个出口的取出管，其中，这些开口设置有一些相互间相继地设置的、伸到这些开口中的板并且通过双筛与该壳体的内部相连接，其中，在该壳体的内壁上设置有一些相对于该壳体的纵向轴线平行延伸的板。
本发明这样解决该任务：本发明提出，在这种容器中，填充或取出装置设置在所述容器的上部区域中并且包括一个基本上圆柱状的壳体，该壳体设置有一系列设置在圆周侧的、朝所述容器扩宽的开口以及设置有通到至少一个发动机的取出管，其中，开口设置有一些相互间相继地设置的、伸到开口中的板并且通过双筛与壳体的内部相连接，其中，在壳体的内壁上设置有一些相对于壳体的纵向轴线平行延伸的板。
朝所述容器扩宽并且由此构造成大致喇叭状的开口在此通过装入毛细板这样构造，使得液体的进入在最大程度上得到避免。如果例如由于较大的液体运动而使液体进入到取出装置的内部，则该液体借助于毛细板被导出到储备器的内部并且由此与气体分开。在根据本发明的容器中设置的取出装置在此具有优点：该取出装置与板仅由无源部件构成并且例如不具有阀。整个系统因此不需要例如在规定预加速度或通过动力燃料蒸发来引起相分开的系统中所需的附加控制。因此，根据本发明的容器的特征在于与有源系统相比显著简化的结构、提高的耐用度和降低的成本，并且允许在加速度降低的阶段期间、即弹道阶段期间以及在如在航天中在末级和转移航天器中出现的加速的飞行阶段中无液体地输送气体。
根据本发明的容器用简单的方式保证：在通过排放压力气体降低容器压力时不仅在加速的情况下而且在失重状态下仅驱动气体或处于容器中的蒸汽在无剩余液体的情况下逸出。附加地通过本发明可输入驱动气体。如果相对于容器温度引入热的惰性气体，则取出装置中液体的受控制的蒸发——只要存在的话——导致在加压气体方面附加的质量节约。
有利的是，在壳体的端部区域中设置有一个分离室。
有利的是，在分离室的内部设置有一个构造成螺旋状的筛，所述板中至少一个与分离室处于连接。
有利的是，这些喇叭状的开口大致切向地设置在壳体上。
有利的是，壳体局部具有较大的直径。
有利的是，所述容器被构造用于容纳低温液体、如液态氢和液态氧。
有利的是，所述容器被构造用于容纳能储存的动力燃料、如一甲基肼(MMH)和肼(N2H4)。
有利的是，所述容器被构造用于容纳氧化剂、如四氧化二氮(N2O4)。
附图说明
下面要借助于附图中所示的实施例来详细描述本发明。附图表不：
图1具有用于氢和氧的容器以及具有装入其中的取出装置的末级容器装置的部分剖面，
图2在高加速度的阶段期间根据图1的容器中液体的位置的两个视图，
图3在低加速度的阶段期间根据图1的容器中液体的位置的不同视图，
图4根据图1的装置的取出装置的不同的剖面视图，
图5根据图4的装置的一个细节的分解视图，
图6在图4中所示装置中一个多级的液体分离的过程的视图，以及
图7在图4中所示装置中在加速的阶段期间液体排出的视图。
具体实施方式
图1中所示的容器1和2涉及如通常设置在具有主发动机12的火箭末级3中的容器。在这两个容器1、2中的每一个中分别具有一个气体输入和取出装置4或5。装置4和5在此构造成相同形式的，区别仅在于它们的与各自的容器几何结构相关的结构长度。喇叭状的向外扩宽的开口6、7、8和9各表示容器1或2与气体输入和取出装置4和5之间的连接。管路10或11使气体输入和取出装置4和5与容器外部的管路系统相连接，该管路系统通到发动机12并且该管路系统出于视图清楚起见而在这些图中未被示出。管路10或11在此视结构形式而定可在任意部位上从容器1和2伸出。喇叭状的开口6、7、8、9各这样设置在容器1和2中，使得各四个开口6、8在动力燃料容器中完全位于上部并且另外四个开口7和9大致位于容器1、2的中部。
在此，如果在不同的任务阶段期间在最大程度上这些喇叭状的开口6、7、8和9中至少一个不完全被液体包围，这些开口在各自的容器1和2中的位置就是优化的，但其中该系统也容忍短时地覆盖全部开口。在这些阶段期间，该系统的内部填充以液体，而排出由该液体排挤的气体量。
图2和图3中示出了容器1和2中的、液体13在不同的任务期间可能所处的位置。任务阶段的区别如下：
-具有高加速度的阶段(图2)：这些阶段包含一些任务阶段，在这些任务阶段期间主发动机12已点火并且产生线性加速度。液体则如在该图的右部分中所示的那样处于容器的下部区域中。如果使容器旋转，则液体积聚在容器的外部区域中并且因此不具有到气体输入和取出装置4、5的连接。该状况在该图的左部分中示出。
-最初，即在火箭处于地面上时当一个任务开始时，容器1、2以及由此气体输入和取出装置4和5也在最大程度上填充以液体。在主发动机12第一次点火期间储备器排空。在动力燃料取出的该阶段中，在容器1和2中，替换所取出的液体的气体通过各自的气体输入和取出装置4、5引入到容器1和2中。这样确定储备器的尺寸，使得第一次点火一结束，气体输入和取出装置4或5的下部的开口9和10就不再与仍保留在各自的容器中的液体具有连接，由此，该系统于是在最大程度上不具有液体。
-具有低加速度的弹道飞行阶段，例如在释放卫星期间(图3)：液体在此以杂乱的运动处于容器1或2中并且液体可偶尔达到气体输入和取出装置4或5的开口9和10。
根据这两个气体输入和取出装置4、5中一个的在图4中所示的不同剖面视图，在向外扩宽的开口6、7、8和9的内部存在一系列板14。板14也可以以筛板或孔板的形式来构造。板14前后相继地这样设置，使得这些板与开口6、7、8和9的壁各形成一个锐角。设置在喇叭状的开口6、7、8和9前面的挡流板35负责：液体的大部分从喇叭状的开口6、7、8和9旁边流过。挡流板35在此这样设置，使得通过挡流板35和锥状的弯折的扩宽部34构成的间隙36向外变得越来越窄。这使得进入到间隙中的液体被毛细推动地在最大程度上保留在挡流板35的弯折的区域中并且不再进入到喇叭状的开口6、7、8和9中。尽管如此，进入的液体于是被毛细推动地增强地积聚在角部15中，这些角部由板14与开口6、7、8和9的壁构成。板24在此仅构造得非常窄，以便在此仅相对少的液体可积聚。这些喇叭状的开口6、7、8和9中每一个的颈部如在图5中所示的那样各由一个双筛套筒16构成。此外，如从剖面视图A-A和B-B中可获知的那样，喇叭状的开口6、7、8和9大致切向地设置在各自的气体输入和取出装置4、5的壳体上。
如图5中的这种双筛套筒16的结构的分解视图所示的那样，两个筛17各由两个孔板18限定边界并且在由筛17和孔板18组成的组合体之间还同心地彼此嵌套地设置有两个圆柱状的套筒19和20，这些套筒中内部的套筒20设置有一些孔。如果现在湿气进入到这些开口6、7、8和9中一个的颈部区域中，则筛17与孔板18之间的或套筒19与有孔套筒20之间的区域的润湿导致固体结构被完全润湿并且导致在双筛套筒16的内部区域中夹入气体泡。液体的进入通过两个筛17的所谓起泡点压力来降低。该起泡点压力是这样的压力：流动必须施加该压力以便将气体泡从双筛套筒16的内部区域去除。较大量液体的进入由此有效地降低到最小程度。必需的起泡点压力在此与液体-气体混合物的流动速度相关。
如另外从根据图4的视图中可获知的那样，在双筛套筒16后面存在一个润湿截止件21，该润湿截止件或者可由焊接棱边或者作为其替换方案可由相对于各自的开口6、7、8、9的管壁22垂直地设置的环形盘构成。
喇叭状的开口6、7、8和9大致切向地通到各自的气体输入和取出装置4、5的在这里所示实施例的情况下构造成圆柱状的内部区域23中，可能进入的剩余量的液体在该内部区域中被捕集。喇叭状的开口6、7、8和9的切向布置产生进入的液体-气体混合物的旋转，这改善相的分离。作为对此的替换方案，为了增大容积，内部区域23也可具有其它几何形状或可变的直径，例如可选择球状的内部区域或者也可选择正方形的圆形(quadratische Rundform)来取代圆柱形。
内部区域23设置有一系列毛细板24，这些毛细板将通过开口6、7、8和9进入的剩余量的液体导出到储备器区域中、即内部区域23中。毛细板24安置在一个同时构成各自的气体输入和取出装置4、5的壳体的套筒25的内壁上并且在开口6、7、8和9附近构造得相对窄，以便在那里不可聚集较大的液体量。为了优化毛细的填充特性，毛细板24交替地构造得较窄和较宽，如在图4中的剖面视图C-C中可看到的那样。
套筒25的中央不具有毛细板24，由此优选气体聚集在该区域中。另外，在每个填充和取出装置4、5的背对发动机12的、在该附图中为上方的端部26上存在一个分离室27，该分离室的内部结构尤其是从图4中的剖面视图A-A中获知。在该分离室27中螺旋状地安置有一个筛元件30，其中，筛元件30的曲率导致处于气体中的剩余液体积聚在筛上。星形布置的毛细板24中的一个、即毛细板28在壳体25的纵向方向上这种程度地在朝分离室27的方向上延长，使得该毛细板延伸直到筛元件30的外端部上并且从分离室27排出的剩余液体由此又返回给储备器区域23。
相的分离由此在最大程度上被毛细推动地进行。设置在气体输入和取出装置4、5的中央区域中的取出管29分别将所分离的气体从气体输入和取出装置4、5并且由此从各自的动力燃料容器1、2导出。如图5中所示，取出管29或者可穿过气体输入和取出装置4、5的整个内部区域23，但或者视容器实施形式而定也可在反方向上向上从气体输入和取出装置4、5伸出。在任何情况下视要求而定每个取出管29各可通过对应配置的管路10或11与用户相连接。
针对图4中所述布置的开口6至9中的一个，图6中示意性地示出了以包含在各自的容器1、2中的液体31加载该开口的情况的流动和该液体31从气体的分离，其中，液体31和气体32在气体输入和取出装置4、5的内部的路径各通过箭头表示。该布置可这样长时间地实现可靠的相分开，直到储备器区域23的毛细板24的区域完全填充以液体。储备器23的大小因此被这样确定尺寸，使得该大小对于弹道阶段足够。
如最后在图7中示意性所示，储备器23可通过下部的在朝发动机12的方向上布置的开口7和9排空，其方式是产生在该方向上作用在液体31上的加速度，在该图中通过箭头33表示。开口6、7、8和9以及板14在此这样构造，使得它们倾斜向下指向。由此保证储备器在这种加速阶段期间完全排空。
所描述的布置不仅可实现无气体地导出容器中的压力气体而且可实现输入惰性气体如氦和氮或者返回的蒸汽以便对容器加压。如果相对于容器温度引入热的惰性气体，则装置中液体的受控制的蒸发导致附加的质量节约，而容器中的液体不受如至少在动力燃料出口附近不期望的蒸发的影响。

Claims (8)

1.容器，用于储存空间飞行器工作所用的低温液体或能储存的动力燃料，所述容器具有一种作为输送介质使用的驱动气体以及具有可重复填充的储备器形式的至少一个气体输入和取出装置，在所述容器中借助于一些筛并且在利用表面张力的情况下引起驱动气体与所述液体的分离，其特征在于：所述气体输入和取出装置(4，5)设置在所述容器(1，2)的上部区域中并且包括一个基本上圆柱状的壳体(25)，该壳体设置有一系列设置在圆周侧的、朝所述容器(1，2)扩宽的、被挡流板(35)遮挡的开口(6，7，8，9)以及设置有通到至少一个出口的取出管(29)，其中，这些开口(6，7，8，9)设置有一些相互间相继地设置的、伸到这些开口(6，7，8，9)中的板(14)并且通过双筛(16)与该壳体(25)的内部相连接，其中，在该壳体(25)的内壁上设置有一些相对于该壳体(25)的纵向轴线平行延伸的板(24)。
2.根据权利要求1的容器，其特征在于：在该壳体(25)的端部区域中设置有一个分离室(27)。
3.根据权利要求2的容器，其特征在于：在该分离室(27)的内部设置有一个构造成螺旋状的筛(30)；这些板(24)中至少一个与该分离室(27)处于连接。
4.根据权利要求1至3中一项的容器，其特征在于：这些喇叭状的开口(6，7，8，9)大致切向地设置在该壳体(25)上。
5.根据权利要求1至4中一项的容器，其特征在于：壳体(25)局部具有较大的直径。
6.根据权利要求1至5中一项的容器，其特征在于：所述容器被构造用于容纳低温液体、如液态氢和液态氧。
7.根据权利要求1至5中一项的容器，其特征在于：所述容器被构造用于容纳能储存的动力燃料、如一甲基肼(MMH)和肼(N2H4)。
8.根据权利要求1至5中一项的容器，其特征在于：所述容器被构造用于容纳氧化剂、如四氧化二氮(N2O4)。
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