CN103470946B - 一种高压超临界氦贮罐 - Google Patents

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本发明涉及一种高压超临界氦贮罐，特别涉及一种可贮存高压力超临界态氦的贮罐，用于运载火箭及深空运载器的超临界氦增压系统，属于航天推进剂增压技术领域。本发明提出的高压超临界氦贮罐结构采用球形双层真空结构，在保证结构强度的同时将贮罐内液氦与外界之间的热传导、热辐射及对流换热降至最低程度。经计算，这种结构的贮罐在3MPa的工作压力下可以将日蒸发量控制在1.5%（常温环境下）以内，满足绝大部分运载火箭及探测器的待发要求。

Description

一种高压超临界氦贮罐
技术领域
本发明涉及一种高压超临界氦贮罐，特别涉及一种可贮存高压力超临界态氦的贮罐，用于运载火箭及深空运载器的超临界氦增压系统，属于航天推进剂增压技术领域。
背景技术
超临界氦增压系统属于液体贮存汽化增压的一种，由于采用了高密度的超临界氦作为贮存介质，可以有效减少增压系统的重量、提升运载能力。随着重型运载火箭及深空探测器的发展，超临界氦增压系统高效、可靠、安全等优点也日益明显。
超临界氦贮罐是超临界氦增压系统的核心部件，在具有高强度、高绝热、良好的振动环境适应性的前提下，还需要尽可能的实现轻质化设计，技术含量较高且具有广阔的潜在应用前景。
发明内容
本发明的目的是为了提出一种高压超临界氦贮罐，该氦贮罐具有轻质化、高可靠性、高绝热性能的优点。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明的一种高压超临界氦贮罐，包括内壳、外壳、绝热层、加注管路、供应管路、加注阀、供应阀、增压管路、排出管路、排气阀、高压安全阀、压力传感器、抽空管路、真空计、抽空阀、低压安全阀、液位计、消能器、温度传感器T1、温度传感器T2、温度传感器T3、温度传感器T4、温度传感器T5和温度传感器T6；
内壳和外壳通过支撑结构固定连接，内壳和外壳之间有夹层，夹层内抽真空，内壳的外表面上包覆有绝热层；
加注管路用于在预冷和加注阶段向内壳内加注工质，加注管路上有加注阀；
供应管路用于在工作阶段排出内壳中的液氦，液氦经加热后送至推进剂贮箱进行增压，供应管路上有供应阀；
加注管路和供应管路在外壳中可合并，以减少漏热；
增压管路用于在工作阶段内向内壳中补充常温氦气，使内壳中的液氦保持在超临界状态，为了避免常温氦气直接冲击液氦，在增压管路的末端设置有消能器；
排出管路用于在预冷和加注阶段排出内壳中的气体，在排出管路上并联有排气阀、高压安全阀和压力传感器；高压安全阀的作用是防止内壳内工质压力过高；
抽空管路用于对内壳和外壳之间的夹层抽真空，在抽空管路上并联有真空计、抽空阀和低压安全阀，低压安全阀的作用是当内壳破裂时，防止由于工质流入夹层中升温导致的夹层内压力过高；
液位计用于在预冷和加注阶段监测内壳中工质液位，可采用触点式液位计或压差式液位计；
温度传感器T1、温度传感器T2、温度传感器T3、温度传感器T4、温度传感器T5和温度传感器T6用于监测内壳中工质的温度分布，一般沿内壳的中心轴均匀分布；
所述的加注管路、供应管路、增压管路和排出管路均采用盘绕内壳的方式增加在夹层中的长度，以增加热阻、减少漏热；
所述的绝热层可采用玻璃纤维绝热纸、镀铝低温薄膜或铝箔，或是由其中至少两种组分层叠而成；
所述的内壳为钛合金材料；
所述的外壳根据使用压力不同可采用钛合金或铝合金；
所述的外壳的内表面进行抛光或镀覆处理，镀覆处理时的镀层采用金、银或者铜等具有高反射率的材料；
所述的内壳和外壳之间的支撑结构为上下支撑柱或三点式支撑；支撑架构的材料为玻璃纤维、Kel-F或者钛合金等具有低导热率的材料，支撑架构的横断面应为T型或圆环形以减少热传导面积。
有益效果
本发明提出的高压超临界氦贮罐结构采用球形双层真空结构，在保证结构强度的同时将贮罐内液氦与外界之间的热传导、热辐射及对流换热降至最低程度。经计算，这种结构的贮罐在3MPa的工作压力下可以将日蒸发量控制在1.5%（常温环境下）以内，满足绝大部分运载火箭及探测器的待发要求。
本发明提出的高压超临界氦贮罐结构已经过地面试验验证，并作为核心部件应用于超临界氦增压技术大型地面试验中。试验表明，贮罐安全可靠、绝热性能良好，且具有进一步优化的潜力。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例
一种高压超临界氦贮罐，包括内壳1、外壳2、绝热层3、加注管路4、供应管路5、加注阀6、供应阀7、增压管路8、排出管路9、排气阀10、高压安全阀11、压力传感器12、抽空管路13、真空计14、抽空阀15、低压安全阀16、液位计17、消能器18、温度传感器T1、温度传感器T2、温度传感器T3、温度传感器T4、温度传感器T5和温度传感器T6；
内壳1和外壳2通过支撑结构固定连接，内壳1和外壳2之间有夹层，夹层内抽真空，内壳1的外表面上包覆有绝热层3；
加注管路4用于在预冷和加注阶段向内壳1内加注工质，加注管路4上有加注阀6；
供应管路5用于在工作阶段排出内壳1中的液氦，液氦经加热后送至推进剂贮箱进行增压，供应管路5上有供应阀7；
加注管路4和供应管路5在外壳2中可合并，以减少漏热；
增压管路8用于在工作阶段内向内壳1中补充常温氦气，使内壳1中的液氦保持在超临界状态，为了避免常温氦气直接冲击液氦，在增压管路8的末端设置有消能器18；
排出管路9用于在预冷和加注阶段排出内壳1中的气体，在排出管路9上并联有排气阀10、高压安全阀11和压力传感器12；高压安全阀11的作用是防止内壳1内工质压力过高，高压安全阀11的打开压力为2.5MPa；
抽空管路13用于对内壳1和外壳2之间的夹层抽真空，在抽空管路13上并联有真空计14、抽空阀15和低压安全阀16，低压安全阀16的作用是当内壳1破裂时，防止由于工质流入夹层中升温导致的夹层内压力过高，低压安全阀16的打开压力约0.2MPa；
液位计17用于在预冷和加注阶段监测内壳1中工质液位，可采用触点式液位计或压差式液位计；
温度传感器T1、温度传感器T2、温度传感器T3、温度传感器T4、温度传感器T5和温度传感器T6用于监测内壳1中工质的温度分布，一般沿内壳1的中心轴均匀分布。
所述的加注管路4、供应管路5、增压管路8和排出管路9均采用盘绕内壳1的方式增加在夹层中的长度，以增加热阻、减少漏热；
所述的绝热层3采用玻璃纤维绝热纸和镀铝低温薄膜层叠而成；
所述的内壳1为钛合金材料，内径为600mm，有效容积为113L；
所述的外壳2采用钛合金，内径为700mm；
所述的外壳2的内表面进行镀覆处理，镀层采用金；
所述的内壳1和外壳2之间的支撑结构为三点式支撑；支撑架构的材料为玻璃纤维，支撑架构的横断面应为圆环形。
工作过程：打开加注阀6和排气阀10，通过加注管路4向内壳1中注入液氮进行预冷，并通过排出管路9排出气化的氮气；预冷12个小时后，关闭加注阀6，通过增压管路8向内壳1中充入高纯氮气将内壳1中残余液氮排出；排出完成后关闭排气阀10，通过增压管路8向内壳1中充入高纯氦气至0.15MPa（表压），然后打开排气阀10排出内壳1中气体，重复此置换过程5次；完成氦气与氮气的置换后，打开加注阀6，通过加注管路4向内壳1中加注液氦，同时通过液位计17及温度传感器T1～T6监测内壳1中液位及温度分布；加注至105L时关闭加注阀6和排气阀10，将供应管路5连接至增加系统，并通过增压管路8向内壳1中充入常温高纯氦气并增压至1.6MPa，此时液位计17无明确液位显示，说明内壳1中液氦已转化为超临界态；打开供应阀7，通过供应管路5排出超临界氦至增压系统，同时通过增压管路8向内壳1中持续充入常温氦气，使内壳1中液氦维持在超临界态，从而达到持续对增压系统提供超临界氦的目的。

Claims (10)

1.一种高压超临界氦贮罐，其特征在于：包括内壳(1)、外壳(2)、绝热层(3)、加注管路(4)、供应管路(5)、加注阀(6)、供应阀(7)、增压管路(8)、排出管路(9)、排气阀(10)、高压安全阀(11)、压力传感器(12)、抽空管路(13)、真空计(14)、抽空阀(15)、低压安全阀(16)、液位计(17)、第一温度传感器(T1)、第二温度传感器(T2)、第三温度传感器(T3)、第四温度传感器(T4)、第五温度传感器(T5)和第六温度传感器(T6)；
内壳(1)和外壳(2)通过支撑结构固定连接，内壳(1)和外壳(2)之间有夹层，夹层内抽真空，内壳(1)的外表面上包覆有绝热层(3)；
加注管路(4)用于在预冷和加注阶段向内壳(1)内加注工质，加注管路(4)上有加注阀(6)；
供应管路(5)用于在工作阶段排出内壳(1)中的液氦，供应管路(5)上有供应阀(7)；
增压管路(8)用于在工作阶段内向内壳(1)中补充常温氦气；
排出管路(9)用于在预冷和加注阶段排出内壳(1)中的气体，在排出管路(9)上并联有排气阀(10)、高压安全阀(11)和压力传感器(12)；
抽空管路(13)用于对内壳(1)和外壳(2)之间的夹层抽真空，在抽空管路(13)上并联有真空计(14)、抽空阀(15)和低压安全阀(16)；
液位计(17)用于在预冷和加注阶段监测内壳(1)中工质液位；
第一温度传感器(T1)、第二温度传感器(T2)、第三温度传感器(T3)、第四温度传感器(T4)、第五温度传感器(T5)和第六温度传感器(T6)用于监测内壳(1)中工质的温度分布。
2.根据权利要求1所述的一种高压超临界氦贮罐，其特征在于：加注管路(4)和供应管路(5)在外壳(2)中合并为一路。
3.根据权利要求1所述的一种高压超临界氦贮罐，其特征在于：增压管路(8)的末端设置有消能器。
4.根据权利要求1所述的一种高压超临界氦贮罐，其特征在于：第一温度传感器(T1)、第二温度传感器(T2)、第三温度传感器(T3)、第四温度传感器(T4)、第五温度传感器(T5)和第六温度传感器(T6)沿内壳(1)的中心轴均匀分布。
5.根据权利要求1所述的一种高压超临界氦贮罐，其特征在于：加注管路(4)、供应管路(5)、增压管路(8)和排出管路(9)均采用盘绕内壳(1)的方式进行排布。
6.根据权利要求1所述的一种高压超临界氦贮罐，其特征在于：绝热层(3)采用玻璃纤维绝热纸、镀铝低温薄膜或铝箔，或是由其中至少两种组分层叠而成。
7.根据权利要求1所述的一种高压超临界氦贮罐，其特征在于：内壳(1)为钛合金材料，外壳(2)采用钛合金或铝合金。
8.根据权利要求1所述的一种高压超临界氦贮罐，其特征在于：液位计(17)为触点式液位计或压差式液位计。
9.根据权利要求1所述的一种高压超临界氦贮罐，其特征在于：外壳(2)的内表面进行抛光或镀覆处理，镀覆处理时的镀层采用金、银或者铜。
10.根据权利要求1所述的一种高压超临界氦贮罐，其特征在于：内壳(1)和外壳(2)之间的支撑结构为上下支撑柱或三点式支撑；支撑架构的材料为玻璃纤维、Kel-F或者钛合金，支撑架构的横断面应为T型或圆环形。
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