CN101712382B - 自增压式空间低红外辐射冷屏蔽系统装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自增压式空间低红外辐射冷屏蔽系统装置，适用于空间反红外探测隐身飞行技术的实施，是现代高科技技术战争条件下实现空间突防打击不可缺少的技术，主要是在空间中段飞行过程中利用自增压方式将系统自身携带的低温制冷剂增压并实施两次节流制冷，对空间飞行器实施冷屏蔽效应，降低系统表面红外辐射强度，或在起动加速过程中利用自增压温控装置冷却气动摩擦时的系统内部高温部件，实现空间反红外探测隐身飞行目的，增强飞行器的空间红外隐身与突防能力，最终满足突破对方空间防御系统的要求。本发明可根据实际空防技术的要求，按不同的突防技术条件，运用不同的制冷方法，降低系统表面红外辐射强度，有效提高飞行器的突防能力。

Description

自增压式空间低红外辐射冷屏蔽系统装置

技术领域

本发明涉及空间反红外探测隐身飞行技术，具体说是一种自增压式空间低红外辐射冷屏蔽系统装置。

背景技术

由于空间飞行器在飞行过程中经历加速起动等复杂的传热工况，表面温度迅速上升，红外发射强度随之增强，当进入中段飞行过程中时容易被地面或空间红外探测系统所发现，从而暴露目标并受到威胁，而直接应用空间深冷剂做冷屏蔽系统时，在加注及起动过程中会伴随有严重的漏热问题，从而造成绝热层厚度增加，深冷剂的大量损失，起动重量增加，起动加速阻力增大，推进负荷增大等。运用非自增压空间深冷剂相变制冷冷屏蔽系统来实现飞行器红外隐身时，由于飞行器在起动及稳定飞行过程中具有复杂的气动传热工况，所以冷屏中低温流体处于激烈的相变及多相流动状态并伴随有压力及温度的剧烈变化，不断产生大量的饱和蒸汽及过热蒸汽，含湿蒸汽及过热蒸汽在变压变温过程中不段向外排放同时造成空间飞行扰动问题、振动问题、压力突升问题、制冷剂固化问题、表面温度分布不均问题、汽液两相流问题、空间复杂传热问题、气动摩擦传热问题、过热过冷问题、加注防霜等复杂问题。

发明内容

本发明根据开式空间相变制冷过程技术特点，及飞行器处于不同阶段时的制冷原理、制冷过程，针对不同制冷过程提供所对应的不同制冷方法及机构，用于解决变压、变温、变流量的空间动态制冷过程中的制冷机理问题及低温流体流动排放所带来的技术难题，提供一种能提高空间相变制冷效率，实现空间开式相变制冷过程相对稳定、表面温度易于控制、飞行轨迹不会因蒸汽空间排放而产生影响的自增压式空间低红外辐射冷屏蔽系统装置。

本发明的技术问题采用下述技术方案解决：

一种自增压式空间低红外辐射冷屏蔽系统装置，包括冷屏外层、冷屏内层、顶部扩压腔、一号双压控制减压节流阀及制冷室，其特征在于：所述的制冷室内设有带高真空夹层的杜瓦贮箱，杜瓦贮箱上端装有二号双压控制减压节流阀，节流阀下端装有阻液器，杜瓦贮箱内设置过热蒸汽换热的蒸发盘管，蒸发盘管上端出气口穿过阻液器通至二号双压控制减压节流阀底部进气口处，蒸发盘管下端与设在冷屏底部的过热蒸汽汇合器中部接通；过热蒸汽汇合器下端设圆盘形中空分液器，圆盘形中空分液器外侧设有沿径向排列的分流管路，分流管路延升至冷屏外层内表面并与回气管路接通，回气管路紧贴冷屏外层内表面与过热蒸汽汇合器连接，圆盘形中空分液器下端设二次扩压器，所述二次扩压器侧面垂直连接二次扩压排气管路，二次扩压排气管路在二次扩压器侧面等分圆周排开。

所述杜瓦贮箱底部接一出液管，出液管上依次安装一号电爆阀、二号电爆阀和三号电爆阀，出液管另一端接入圆盘形中空分液器中。

所述杜瓦贮箱中部连接一温控装置蒸发管，蒸发管与杜瓦贮箱内液态制冷剂接触，蒸发管上装有低温温控阀，蒸发管另一端与贮箱上部接通。

所述温控阀经导线连接一温控装置感温包，温控装置感温包紧贴冷屏内层内表面设置。

本发明应用自增压空间加注冷屏蔽系统，在加速末端及进入中段飞行过程之前，深冷剂储存于真空杜瓦中，避免了地面大气环境中存在的剧烈相变传热问题。在起动过程中时，可运用系统中自带的自增压温控装置，实现系统内电器元件的温度控制问题。进入中段之后，运用周围环境的辐射热量实现自增压过程，进而实现冷屏深冷剂的空间加注过程，实现空间冷屏蔽效应，此方法可降低起动加速过程中由于严重的传热问题造成的深冷剂损失、超重等问题，同时可避免多相流的发生。

本发明的特点是飞行器经历加注、起动及稳定飞行三个主要过程，三个过程相互衔接，连续进行并处于动态过程。起动过程中系统内温度由自增压温控装置控制，使系统温度在高速气动摩擦传热状态下保持恒定，制冷过程由温控装置与压差式减压节流机构共同完成。中段飞行过程中整个制冷过程由自增压系统及压差式减压节流机构控制，整个制冷过程由太阳能推动实施自增压过程及实施前后两次减压节流制冷过程，从而使冷屏蔽系统表面温度维持恒定并达到低红外辐射的要求，整个制冷过程在近三相点完成，第一次节流压比为10，节流前压力为三相点饱和压力的十倍，第二次节流前压力为制冷剂三相点饱和压力，最终控制冷屏表面温度介于贮箱内饱和液体温度与三相点温度之间，制冷过程为近三相点制冷过程。本发明能够满足冷屏内部饱和蒸汽压力及饱和温度稳定的要求，充分利用太阳能推动液态制冷剂蒸发并实施高低压两次节流制冷过程，有效利用液体的气化潜热及蒸汽显热冷却冷屏表面，满足液态制冷剂有足够的空间与外界进行热交换进而推动蒸发制冷效应，能够充分提高冷屏表面换热效率，有利于制冷剂液相吸收太阳能辐射变成过热蒸汽，有利于降低系统内绝对压力，减轻系统的重量及管路负荷，满足冷屏蔽系统的表面温度要求，更重要的是自增压制冷过程能够有效避免地面加注过程中出现的绝热防霜问题及起动过程中高速气动摩擦传热导致的大温差强烈对流换热过程引起的诸多问题，从而有效保证制冷过程的稳定性及安全性。同时，自增压空间加注制冷技术能够满足空间冷蒸汽稳定排放要求，不会产生汽液两相流的空间喷射现象，能够满足冷蒸汽扩压后均匀分配并排放的目的，减小气流造成的振动、噪音及对飞行器的扰动影响。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为自增压分流管路、回气管路及二次扩压分流管路布置图；

图3为汇合器示意图；

图4为圆盘形中空分液器示意图；

图5为二次扩压器示意图。

具体实施方式

一种自增压式空间低红外辐射冷屏蔽系统装置，包括冷屏外层17，设置于冷屏外层17内的冷屏内层2，冷屏外层17和冷屏内层2之间的气流通道3，冷屏外层17上端设置的顶部扩压腔16，冷屏外层17与顶部扩压腔16连接处装有一号双压控制减压节流阀1，设置在冷屏内下部的制冷室22等。其中，感温包9与温控阀8等部件组成系统内温控装置；二次扩压进气管路4、二次扩压器15、二次扩压排气管路29等组成二次扩压分流系统；杜瓦杜瓦贮箱6、贮箱内的蒸发盘管12、一号电爆阀26、二号电爆阀27、三号电爆阀28、分液管25、圆盘形中空分液器14、分流管路31、回气管路30、汇合器13、信号处理器10、一号双压控制减压节流阀1、二号双压控制减压节流阀20、扩压腔16、冷屏外层17、冷屏内层2及二次扩压分流系统等组成飞行器19的冷屏蔽系统。冷屏蔽系统还设有电源24及电源绝热层23。

在制冷室22内底部设置用于贮存低温流体的杜瓦杜瓦贮箱6，杜瓦杜瓦贮箱6内设有高真空状态的夹层7，杜瓦杜瓦贮箱6上端装有二号双压控制减压节流阀20，二号双压控制减压节流阀20下端安装半圆形阻液器21。杜瓦杜瓦贮箱6内设置过热蒸汽换热的蒸发盘管12，蒸发盘管12上端出气口穿过阻液器21至二号双压控制减压节流阀20底部进气口处，蒸发盘管12下端穿出杜瓦杜瓦贮箱6底部与设在冷屏底部的过热蒸汽汇合器13上中部接通。过热蒸汽汇合器13下端设圆盘形中空分液器14，圆盘形中空分液器14外侧垂直等分圆周分布有分流管路31，并延伸至冷屏外层17内表面，与回气管路30相接。回气管路30紧贴冷屏外层17内表面向下至冷屏底部，采用软连接方式与过热蒸汽汇合器13连接。圆盘形中空分液器14下端设二次扩压器15，二次扩压器15连接二次扩压排气管路29，二次扩压排气管路29垂直连接在二次扩压器15侧面并等分圆周排开。

杜瓦杜瓦贮箱6底部侧面连接一出液管25，出液管25上依次安装一号电爆阀26、二号电爆阀27和三号电爆阀28，出液管25的另一端接入圆盘形中空分液器14中。杜瓦杜瓦贮箱6中部连接一温控装置蒸发管5，蒸发管5与贮箱内液态制冷剂接触，蒸发管5上装有低温温控阀8，蒸发管5另一端与杜瓦贮箱6上部接通。温控阀8经导线连接一温控装置感温包9，温控装置感温包9紧贴冷屏内层2内表面设置。

冷屏外层17、内层2、杜瓦贮箱6、蒸发盘管12、二次扩压进气管路4、二次扩压排气管路29,二次扩压器15、分流管路31、回气管路30等主要部件采用铝合金制成，冷屏顶部及底部采用流线型设计。

一号双压控制减压节流阀1低压开启压力设置为制冷剂三相点饱和压力，高压控制压力为三相点饱和压力的五倍。二号双压控制减压节流阀20低压开启压力设置为制冷剂三相点饱和压力的十倍，高压控制压力为三相点饱和压力的二十倍。

本发明的制冷过程为：

1、在地面加注过程中，通过带压加注的方式将液态制冷剂加入冷屏内杜瓦杜瓦贮箱6中，加注过程中产生的过热蒸汽通过二号双压控制减压节流阀20排入冷屏内气流通道3，冷却冷屏外层17外表面后再经顶部一号双压控制减压节流阀1节流降温后排入顶部扩压腔16，在扩压腔16微扩压后排入二次扩压分流系统，再经二次扩压分流系统冷却冷屏外层17外表面后均匀排入大气。

2、在起动过程中，一号电爆阀16、二号电爆阀27、三号电爆阀28关闭，当系统内温度升高并超过50℃时，紧贴冷屏内层2内表面的感温包9将信号传递于温控阀8，温控阀8打开，液态制冷剂进入蒸发管5并迅速蒸发，蒸发后的过热蒸汽经蒸发管5上端再流入杜瓦贮箱6上端，杜瓦贮箱6内压力迅速增大，二号双压控制减压节流阀20打开并节流过热蒸汽，节流后冷蒸汽排入冷屏内部制冷室22并冷却系统内部件后沿气流通道3流至冷屏顶部，经一号双压控制减压节流阀1节流后，经二次扩压排气管路系统排出空间。

3、加速起动末端时，系统内压力随环境压力降低，杜瓦贮箱6内液态制冷剂由于饱和压力降低处于过热状态，液态制冷剂开始迅速蒸发，杜瓦贮箱6内压力增大，二号双压控制减压节流阀20打开，卸压并节流制冷，压力逐渐降低。

4、在中段飞行过程中，冷屏外表面受太阳辐射，温度升高，此时发送信号打开一号电爆阀26，低温制冷剂经出液管25流入分流器14及分流管路31，在分流管路31中吸收冷屏外层17外表面热量迅速蒸发并冷却冷屏外层17外表面，过热蒸汽经回气管路30再流入汇合器13后流入的蒸发盘管12并与杜瓦贮箱6内液态制冷剂换热，换热后排入阻液器21内并增大杜瓦贮箱6压力，自增压过程开始。同时，液态制冷剂受蒸发盘管加热后，迅速蒸发并增大杜瓦贮箱6内压力，此时，二号双压控制减压节流阀20打开以节流制冷的方式卸压，节流后的冷蒸汽经气流通道3冷却冷屏外层17内表面后，流至冷屏顶部并被一号双压控制减压节流阀1节流，节流后排入扩压腔16并经微扩压后再排入二次扩压分流系统冷却冷屏外表面后均匀排入空间。

经10分钟后，打开二号电爆阀27，进入分流管路31的液态制冷剂流量增大，冷屏外表面降温速度加快，之后再打开三号电爆阀28，使流入分流管路31的液态制冷剂流量进一步增大，冷却速度更快，并最终达到平衡状态，使冷屏蔽系统表面温度分布达到反红外探测要求温度。

本发明通过双压控制减压节流装置1、20控制空间冷蔽系统出口大小，从而控制内部饱和蒸汽压的大小，实现冷屏蔽系统制冷过程稳定，表面温度分布均匀目的。冷屏蔽系统外层17外表面接受太阳能辐射、空气对流换热、环境热辐射或气动摩擦热以后，内部饱和蒸汽压力会随之改变，尤其在接受瞬时高热流密度热量加热后，由于制冷剂过冷沸腾导致冷屏内部蒸汽压力剧烈变化，如果不能有效排出过热蒸汽可能会造成一定的安全问题。另一方面，如果系统内传热条件差、系统压力过低，低于制冷剂三相点所对应的饱和蒸汽压力时，则会出现严重的阶段性液泛现象或固化现象，从而造成危险，本发明通过安装的双压控制减压节流装置1、20实现以上过程，从而保证制冷过程相对稳定。其工作原理是：一号阀控制内部低压排气压力为制冷剂三相点对应的饱和蒸汽压力，如果内部压力超过三相点对应的饱和压力，则阀门自动打开以节流方式卸压，起到节流制冷效应，使冷屏表面温度维持在制冷剂三点相点温度附近；当系统内压力低于三相点对应饱和压力时，阀门自动关闭，系统内部压力再一次升高，表面温度升高，如此循环。控制一号双压控制减压节流阀1内部高压压力为对应制冷剂三相点饱和蒸汽压力的某一倍数，具体倍数的大小根据系统恶性传热条件下可能造成的最大压力的变化情况设定。在飞行器起动过程中存在严重的气动摩擦传热时，一号双压控制减压节流阀1内高压压力的控制尤为重要。二号双压控制减压节流阀20低压压力控制范围及气流流量的控制范围要根据自增压系统条件及冷屏内传热条件确定，压力超过规定压力时，阀门打开以节流方式卸压。当制冷剂存在很大的过热度时，杜瓦贮箱6内压力迅速增大并超过高压控制压力时，二号双压控制减压节流阀20高压端打开并以节流方式卸压，卸压后自动恢复原位，从而达到恶性条件下冷蒸汽排放的目的。

Claims (1)

1.自增压式空间低红外辐射冷屏蔽系统装置,主要由飞行器冷屏、二次扩压分流系统、自增压分流系统、温度控制系统、节流制冷系统及系统附件组成，其中，飞行器冷屏包括冷屏外层（17）、冷屏内层（2）、扩压腔（16）、飞行器（19）、飞行器绝热层（18）、气流通道（3）；二次扩压分流系统由二次扩压进气管路（4）、二次扩压器（15）、二次扩压排气管路（29）组成；温度控制系统包括蒸发管（5）、温控阀（8）、感温包（9）、杜瓦贮箱（6）、阻液器（21）；自增压分流系统包括一号电爆阀（26）、二号电爆阀（27）、三号电爆阀（28）、出液管（25）、圆盘形中空分液器（14）、分液管路（31）、回气管路（30）、汇合器（13）、杜瓦贮箱（6）、蒸发盘管（12）、阻液器（21）；节流制冷系统包括一号双压控制减压节流阀（1）、二号双压控制减压节流阀（20）；系统附件主要包括电源（24）、信号处理器（10）、电源绝热层（23）、信号处理器绝热层（11）；其特征在于：在飞行器（19）底部、冷屏外层（17）与冷屏内层（2）之间设一制冷室（22），制冷室（22）内设置电源（24）、信号处理器（10）及杜瓦贮箱（6），杜瓦贮箱（6）内真空夹层（7）为高真空状态，杜瓦贮箱（6）上部安装二号双压控制减压节流阀（20），二号双压控制减压节流阀（20）下部安装半球形阻液器（21），阻液器（21）连接过热蒸汽换热的蒸发盘管（12），蒸发盘管（12）下端穿出杜瓦贮箱（6）底部与圆盘形过热蒸汽汇合器（13）上中部接通；杜瓦贮箱（6）中部连接蒸发管（5），蒸发管（5）一端与杜瓦贮箱（6）内液态制冷剂接触，另一端与杜瓦贮箱（6）上部接通，蒸发管（5）中部安装温控阀（8），温控阀（8）通过导线与感温包（9）连接，感温包（9）紧贴制冷室（22）内表面；杜瓦贮箱（6）底部侧面接通出液管（25），管上依次安装一号电爆阀（26）、二号电爆阀（27）、三号电爆阀（28）后再接圆盘形中空分液器（14）中部，圆盘形中空分液器（14）侧面垂直连接分液管路（31），分液管路（31）等分圆周排开并延伸至冷屏外层（17）内表面，每根管路紧贴冷屏外层（17）内表面向上延伸至冷屏外层（17）锥面中部以上时与回气管路（30）接通，回气管路（30）紧贴冷屏外层（17）内表面向下至冷屏底部，通过软连接方式与圆盘形中空过热蒸汽汇合器（13）侧面等分圆周连接。