CN103792966B - 发动机热环境试验推进剂恒温供应系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及发动机热环境试验推进剂恒温供应系统，包括电源、第一、第二、第三、第四温控箱、燃料源、氧化剂源、燃料供应管路、燃料入口管路、氧化剂供应管路以及氧化剂入口管路，燃料源通过燃料供应管路和燃料入口管路进入发动机；氧化剂源通过氧化剂供应管路和氧化剂入口管路进入发动机；燃料供应管路、燃料入口管路、氧化剂供应管路以及氧化剂入口管路上均设置有加热组件和温度传感器；电源分别给第一、第二、第三、第四温控箱供电；第一、第二、第三、第四温控箱分别控制第一、第二、第三、第四加热组件的通断。本发明解决了现有的推进剂供应过程中推进剂流经管路时温度会降低的技术问题，具有可快速启动、温度均匀、自动调节的优点。

Description

发动机热环境试验推进剂恒温供应系统

技术领域

本发明涉及航天发动机试验，具体地说涉及发动机热环境试验推进剂恒温供应系统。

背景技术

随着姿控动力系统研制工作的深入开展，为研究其在高温推进剂作用下的工作特性，需要在发动机点火工作过程中，实现入口推进剂的0～60℃恒温定流量供应。在地面状态下的试验系统配置中，推进剂贮箱、推进剂供应管路、流量计、过滤器、阀门等系统设备均采用不锈钢材质，不锈钢比热容为460J/(kg·K)，容易受外界环境温度的影响。在热环境试验系统的配置中，对于推进剂贮箱采用了水浴式加热方式，保证贮箱内的推进剂温度达到试验要求，而当推进剂流经不锈钢供应管路，通过与管路附件的换热，到达发动机阀门入口处时，推进剂温度会远低于要求值，达不到热环境试验要求。另外，在对推进剂进行加热时，不能采用通常的电加热方式。发动机所用的推进剂具有其特殊性，其中，氧化剂具有强烈的腐蚀性，燃料具有可燃性，在电加热过程中，如果出现漏电等突发情况，会对试验人员及试验工位的安全性造成很大威胁。为防止贮箱加热的推进剂经管路输送后温度降低，需要对推进剂供应管路进行保温处理，设计加工推进剂恒温供应系统。

发明内容

为了解决现有的推进剂供应过程中推进剂流经管路时温度会降低的技术问题，本发明提供一种发动机热环境试验推进剂恒温供应系统。

本发明的技术解决方案：

发动机热环境试验推进剂恒温供应系统，其特殊之处在于：包括电源、第一温控箱、第二温控箱、第三温控箱、第四温控箱、燃料源、氧化剂源、燃料供应管路、燃料入口管路、氧化剂供应管路以及氧化剂入口管路，

所述燃料源依次通过燃料供应管路和燃料入口管路进入发动机；

所述氧化剂源依次通过氧化剂供应管路和氧化剂入口管路进入发动机；

所述燃料供应管路上设置有第一加热组件和第一温度传感器，所述燃料入口管路上设置有第二加热组件和第二温度传感器，所述氧化剂供应管路上设置有第三加热组件和第三温度传感器，所述氧化剂入口管路上设置有第四加热组件和第四温度传感器；

所述第一温度传感器用于检测燃料供应管路内燃料的温度，第一温度传感器输出给出第一温控箱，所述第二温度传感器用于检测燃料入口管路内的燃料的温度，第二温度传感器输出给出第二温控箱，所述第三温度传感器用于检测氧化剂供应管路内的氧化剂的温度，第三温度传感器输出给第三温控箱，所述第四温度传感器用于检测氧化剂入口管路内的氧化剂的温度，第四温度传感器输出给第四温控箱；

所述电源分别给第一温控箱、第二温控箱、第三温控箱、第四温控箱供电；

所述第一温控箱通过第一温度传感器反馈的温度控制第一加热组件的通断，所述第二温控箱通过第二温度传感器反馈的温度控制第二加热组件的通断，所述第三温控箱通过第三温度传感器反馈的温度控制第三加热组件的通断，所述第四温控箱通过第四温度传感器反馈的温度控制第四加热组件的通断。

上述第一加热组件为套装在燃料供应管路上的管路伴热装置，所述管路伴热装置包括依次包裹在燃料供应管路上第一绝缘层、第一伴热电缆、第一隔热层以及第一防水层，所述第一伴热电缆为多个，且圆周均布在第一绝缘层上，所述第一温控箱通过多根供电线缆分别与第一伴热电缆连接。

上述第三加热组件的结构与第一加热组件的结构相同，第三加热组件的第一绝缘层包裹在氧化剂入口管路上，所述第三温控箱通过多根供电线缆分别与第三加热组件的第一伴热电缆连接。

上述第二加热组件为套装在燃料入口管路上的管路伴热带，所述管路伴热带包括依次包裹在燃料入口管路上的第二绝缘层、第二伴热电缆、第二隔热层以及第二防水层，所述第二伴热电缆缠绕在第二绝缘层上。

上述第四加热组件的结构与第二加热组件的结构相同，第四加热组件的第二绝缘层包裹在氧化剂供应管路上，所述第四温控箱通过一根供电线缆与第四加热组件的第二伴热电缆连接。

上述氧化剂入口管路还包括氧化剂入口真空绝热管；

所述氧化剂入口真空绝热管包括氧化剂供应接口、氧化剂输送管以及氧化剂输出接口，所述氧化剂输送管内设置有氧化剂真空隔离管，所述氧化剂输送管与氧化剂真空隔离管之间形成真空腔，所述氧化剂真空隔离管的内腔为氧化剂流道，所述氧化剂供应接口固定在氧化剂输送管的一端且与氧化剂流道连通，所述氧化剂输出接口固定在氧化剂输送管的另一端且与氧化剂流道连通，所述氧化剂供应接口与氧化剂入口管路连通，所述氧化剂输出接口与发动机连接。

上述燃料入口管路还包括燃料入口真空绝热管；

所述燃料入口真空绝热管包括燃料供应接口、燃料输送管以及燃料输出接口，所述燃料输送管内设置有燃料真空隔离管，所述燃料输送管与燃料真空隔离管之间形成真空腔，所述燃料真空隔离管的内腔为燃料流道，所述燃料供应接口固定在燃料输送管的一端且与燃料流道连通，所述燃料输出接口固定在燃料输送管的另一端且与燃料流道连通，所述燃料供应接口与燃料入口管路连通，所述燃料输出接口与发动机连接；

所述燃料源包括燃料气垫箱和燃料贮箱，所述燃料气垫箱通过燃料气垫截止阀与燃料贮箱连通，所述燃料贮箱上还设置有燃料加注阀，所述燃料气垫箱上设置有燃料增压阀和燃料放气阀；

所述氧化剂源包括氧化剂气垫箱和氧化剂贮箱，所述氧化剂气垫箱通过氧化剂气垫截止阀与氧化剂贮箱连通，所述氧化剂贮箱上还设置有氧化剂加注阀，所述氧化剂气垫箱上设置有氧化剂增压阀和氧化剂放气阀。

上述燃料入口管路上还设置有燃料放液阀，所述氧化剂入口管路上还设置有氧化剂放液阀。

上述第一伴热电缆为3-6个。

上述第一伴热电缆为5个。

本发明所具有的优点：

1、基于电加热技术，设计了管路伴热装置，在发动机点火工作过程中实现供应系统内推进剂加热。

利用伴热电缆为主体的加热系统，具有可快速启动、温度均匀、自动调节、安装简便、维护方便、安全可靠地特点。

2、本发明采用了温控系统，实现供应系统的主供应管路和入口管路内推进剂温度在0～60℃之间分段调节。

3、本发明采用真空绝热技术，设计入口真空绝热管，可避免管路内推进剂受到外部110℃高温环境影响。发动机电磁阀推进剂入口管路采用了真空绝热管道，该管道由内外两层管路组成，中间夹层进行抽真空处理，能够有效地减少外界温度带来的影响。

附图说明

图1为本发明推进剂恒温供应系统的结构示意图；

图2为本发明管路伴热装置的结构示意图；

图3为本发明氧化剂入口真空绝热管的结构示意图；

图4为本发明燃料入口真空绝热管的结构示意图；

其中附图标记为：1-燃料供应管路，2-燃料入口管路，3-燃料入口真空绝热管，4-氧化剂供应管路，5-氧化剂入口管路，6-氧化剂入口真空绝热管，7-第一加热组件，8-第一温度传感器，9-第二加热组件，10-第二温度传感器，11-燃料放液阀，12-氧化剂放液阀，13-第三温度传感器，14-第三加热组件，15-第四温度传感器，16-第四加热组件，17-第一温控箱，18-第二温控箱，19-第三温控箱，20-第四温控箱，21-总电源，22-供电线缆，23-测量线缆，24-燃料贮箱，25-燃料气垫箱，26-燃料气垫截止阀，27-氧化剂气垫箱，28-氧化剂贮箱，29-氧化剂气垫截止阀，30-发动机，31-第一绝缘层，32-第一伴热电缆，33-第一隔热层，34-第一防水层，35-氧化剂供应接口，36-氧化剂输送管，37-氧化剂输出接口，38-氧化剂真空隔离管，39-真空腔，40-氧化剂流道，41-燃料供应接口，42-燃料输送管，43-燃料输出接口，44-燃料真空隔离管，45-燃料流道，46-抽真空接口。

具体实施方式

如图1所示，发动机热环境试验推进剂恒温供应系统，包括总电源21、第一温控箱17、第二温控箱18、第三温控箱19、第四温控箱20、燃料源、氧化剂源、燃料供应管路、燃料入口管路、氧化剂供应管路以及氧化剂入口管路，燃料源依次通过燃料供应管路1和燃料入口管路2进入发动机；氧化剂源依次通过氧化剂供应管路4和氧化剂入口管路5进入发动机；燃料供应管路1上设置有第一加热组件7、第一温度传感器8、质量流量计和涡轮流量计；燃料入口管路上设置有第二加热组件9、第二温度传感器10、质量流量计和涡轮流量计；氧化剂供应管路4上设置有第三加热组件14、第三温度传感器13、质量流量计和涡轮流量计；氧化剂入口管路5上设置有第四加热组件16、第四温度传感器15、质量流量计和涡轮流量计；第一温度传感器8用于检测燃料供应管路内燃料的温度，第一温度传感器输出给第一温控箱17，第二温度传感器用于检测燃料入口管路内的燃料的温度，第二温度传感器输出给第二温控箱18，第三温度传感器用于检测氧化剂供应管路内的氧化剂的温度，第三温度传感器输出给第三温控箱19，第四温度传感器用于检测氧化剂入口管路内的氧化剂的温度，第四温度传感器通过测量线缆23输出给第四温控箱20；总电源分别给第一温控箱、第二温控箱、第三温控箱、第四温控箱供电；第一温控箱通过第一传感器反馈的温度控制第一加热组件的通断，第二温控箱通过第二传感器反馈的温度控制第二加热组件的通断，第三温控箱通过第三传感器反馈的温度控制第三加热组件的通断，第四温控箱通过第四传感器反馈的温度控制第四加热组件的通断。加热组件不与质量流量计、涡轮流量计直接接触。

如图2所示，第一加热组件为套装在燃料供应管路上的管路伴热装置，管路伴热装置包括依次包裹在燃料供应管路上第一绝缘层31、第一伴热电缆32、第一隔热层33以及第一防水层34，第一伴热电缆为多个，且圆周均布在第一绝缘层上，第一温控箱通过多根供电线缆22分别与第一伴热电缆连接。

第三加热组件的结构与第一加热组件的结构相同，第三加热组件的第一绝缘层包裹在氧化剂入口管路上，第三温控箱通过多根供电线缆分别与第三加热组件的第一伴热电缆连接。

第二加热组件为套装在燃料入口管路上的管路伴热带，管路伴热带包括依次包裹在燃料入口管路上的第二绝缘层、第二伴热电缆、第二隔热层以及第二防水层，第二伴热电路缠绕在第二绝缘层上。第四加热组件的结构与第二加热组件的结构相同，第四加热组件的第二绝缘层包裹在氧化剂供应管路上，第四温控箱通过一根供电线缆与第四加热组件的第二伴热电路连接。

基于电加热技术，设计了管路伴热系统，在发动机点火工作过程中实现供应系统内推进剂加热。

伴热系统由耐高温绝缘层、伴热电缆、隔热层和防水层组成。

伴热电缆由导电高分子复合材料和两根平行金属导线及绝缘护套构成的扁形带状电缆。其特性是导电高分子复合材料具有正温度系统“PTC”特性，能够随被加热物体的温度变化自动调节输出功率，自动限制加热的温度。伴热电缆可以任意截断或在一定范围内接长使用，并允许多次交叉重叠而无高温热点及烧毁危险。利用伴热带为主体的加热系统，具有可快速启动、温度均匀、自动调节、安装简便、维护方便、安全可靠地特点。

伴热电缆安装前在管路上缠绕耐高温绝缘材料，5根伴热电缆与DN10管路平行包覆，通过绝缘耐高温卡箍与管路固定，伴热电缆的端点采用耐高温绝缘层包覆，伴热电缆外包覆隔热层，隔热层外包覆防水层。

伴热电缆不与质量流量计、涡轮流量计直接接触，管路加热时，打开气垫截止阀、手动总供应、气动总供应以及初级阀，确保推进剂输送系统存在较大气垫。

设计了温控系统，实现供应系统的主供应管路和入口管路内推进剂温度在0～60℃之间分段调节。

温控系统由温度传感器、测试线缆、温控箱、继电器和供电线缆构成。

温度传感器为插入式温度传感器，管路内推进剂温度测点有4个，分别位于供应系统的燃料流量计附近，燃料主管附近，氧化剂流量计附近，氧化剂主管附近，实现管路温度分区控制。

温控箱为4套，燃料供应管路1套，燃料入口管路1套，氧化剂供应管路1套，氧化剂入口管路1套。

其工作原理为温控箱通过温度传感器采集供应系统内的推进剂温度，将该温度与设定温度比较，高于设定温度时候，给继电器下达断电指令，伴热电缆停止工作，低于设定温度时，给继电器下达通电指令，伴热电缆工作。

如图3、图4所示，氧化剂入口管路还包括氧化剂入口真空绝热管；

氧化剂入口真空绝热管包括氧化剂供应接口35、氧化剂输送管36以及氧化剂输出接口37，氧化剂输送管内设置有氧化剂真空隔离管38，氧化剂输送管与氧化剂真空隔离管之间形成真空腔39，氧化剂真空隔离管的内腔为氧化剂流道40，氧化剂供应接口固定在氧化剂输送管的一端且与氧化剂流道连通，氧化剂输出接口固定在氧化剂输送管的另一端且与氧化剂流道连通，氧化剂供应接口与氧化剂入口管路连通，氧化剂输出接口与发动机连接，氧化剂输送管36上设置有抽真空接口46，抽真空接口与真空腔连通。

燃料入口管路还包括燃料入口真空绝热管；燃料入口真空绝热管包括燃料供应接口41、燃料输送管42以及燃料输出接口43，燃料输送管42内设置有燃料真空隔离管44，燃料输送管与燃料真空隔离管之间形成真空腔39，燃料真空隔离管的内腔为燃料流道45，燃料供应接口固定在燃料输送管的一端且与燃料流道连通，燃料输出接口固定在燃料输送管的另一端且与燃料流道连通，燃料供应接口与燃料入口管路连通，燃料输出接口与发动机30连接。燃料输送管42上设置有抽真空接口46，抽真空接口与真空腔连通。

采用真空绝热技术，设计入口真空绝热管，可避免管路内推进剂受到外部110℃高温环境影响。由于发动机推进剂入口接口靠近红外辐射加热器，在试验过程中容易使入口管路温度大幅上升，若采用传统的不锈钢管，由于热量传输过大，会使入口处的推进剂温度快速上升，甚至有可能汽化，严重影响发动机正常工作。发动机电磁阀推进剂入口管路采用了真空绝热管道，该管道由内外两层管路组成，中间夹层进行抽真空处理，能够有效地减少外界温度带来的影响。

燃料源包括燃料气垫箱和燃料贮箱，燃料气垫箱通过燃料气垫截止阀与燃料贮箱连通，燃料贮箱上还设置有燃料加注阀，燃料气垫箱上设置有燃料增压阀和燃料放气阀；氧化剂源包括氧化剂气垫箱和氧化剂贮箱，氧化剂气垫箱通过氧化剂气垫截止阀与氧化剂贮箱连通，氧化剂贮箱上还设置有氧化剂加注阀，氧化剂气垫箱上设置有氧化剂增压阀和氧化剂放气阀。

燃料入口管路上还设置有燃料放液阀，氧化剂入口管路上还设置有氧化剂放液阀。

实施例：(1)对真空绝热管抽真空至2Pa后，进行安装；

(2)推进剂供应系统气密性检查后加注，确认贮箱内推进剂贮存量满足任务要求；

(3)打开气垫箱截止阀、手动总供应、气动总供应、气动初级阀，进行主供应管路和入口管路的推进剂充填；

(4)运行管路伴热装置，设置氧化剂供应管路、氧化剂入口管路，燃料供应管路、燃料入口管路温度控制的目标值(0～60℃范围内)；

(5)管路伴热装置内推进剂达到控制目标值，并稳定恒温后，给气垫箱增压；

(6)当气垫箱压力满足试验任务要求后，发动机点火，热环境试验开始，试验过程中由质量流量计和涡轮流量计监控推进剂流量。

Claims (10)

1.发动机热环境试验推进剂恒温供应系统，其特征在于：包括电源、第一温控箱、第二温控箱、第三温控箱、第四温控箱、燃料源、氧化剂源、燃料供应管路、燃料入口管路、氧化剂供应管路以及氧化剂入口管路，

所述燃料源依次通过燃料供应管路和燃料入口管路进入发动机；

所述氧化剂源依次通过氧化剂供应管路和氧化剂入口管路进入发动机；

所述燃料供应管路上设置有第一加热组件和第一温度传感器，所述燃料入口管路上设置有第二加热组件和第二温度传感器，所述氧化剂供应管路上设置有第三加热组件和第三温度传感器，所述氧化剂入口管路上设置有第四加热组件和第四温度传感器；

所述第一温度传感器用于检测燃料供应管路内燃料的温度，第一温度传感器输出给第一温控箱，所述第二温度传感器用于检测燃料入口管路内的燃料的温度，第二温度传感器输出给第二温控箱，所述第三温度传感器用于检测氧化剂供应管路内的氧化剂的温度，第三温度传感器输出给第三温控箱，所述第四温度传感器用于检测氧化剂入口管路内的氧化剂的温度，第四温度传感器输出给第四温控箱；

所述电源分别给第一温控箱、第二温控箱、第三温控箱、第四温控箱供电；

所述第一温控箱通过第一温度传感器反馈的温度控制第一加热组件的通断，所述第二温控箱通过第二温度传感器反馈的温度控制第二加热组件的通断，所述第三温控箱通过第三温度传感器反馈的温度控制第三加热组件的通断，所述第四温控箱通过第四温度传感器反馈的温度控制第四加热组件的通断。

2.根据权利要求1所述的发动机热环境试验推进剂恒温供应系统，其特征在于：所述第一加热组件为套装在燃料供应管路上的管路伴热装置，所述管路伴热装置包括依次包裹在燃料供应管路上第一绝缘层、第一伴热电缆、第一隔热层以及第一防水层，所述第一伴热电缆为多个，且圆周均布在第一绝缘层上，所述第一温控箱通过多根供电线缆分别与第一伴热电缆连接。

3.根据权利要求2所述的发动机热环境试验推进剂恒温供应系统，其特征在于：所述第三加热组件的结构与第一加热组件的结构相同，第三加热组件的第一绝缘层包裹在氧化剂供应管路上，所述第三温控箱通过多根供电线缆分别与第三加热组件的第一伴热电缆连接。

4.根据权利要求1或2或3所述的发动机热环境试验推进剂恒温供应系统，其特征在于：所述第二加热组件为套装在燃料入口管路上的管路伴热带，所述管路伴热带包括依次包裹在燃料入口管路上的第二绝缘层、第二伴热电缆、第二隔热层以及第二防水层，所述第二伴热电缆缠绕在第二绝缘层上。

5.根据权利要求4所述的发动机热环境试验推进剂恒温供应系统，其特征在于：所述第四加热组件的结构与第二加热组件的结构相同，第四加热组件的第二绝缘层包裹在氧化剂入口管路上，所述第四温控箱通过一根供电线缆与第四加热组件的第二伴热电缆连接。

6.根据权利要求5所述的发动机热环境试验推进剂恒温供应系统，其特征在于：所述氧化剂入口管路还包括氧化剂入口真空绝热管；

所述氧化剂入口真空绝热管包括氧化剂供应接口、氧化剂输送管以及氧化剂输出接口，所述氧化剂输送管内设置有氧化剂真空隔离管，所述氧化剂输送管与氧化剂真空隔离管之间形成真空腔，所述氧化剂真空隔离管的内腔为氧化剂流道，所述氧化剂供应接口固定在氧化剂输送管的一端且与氧化剂流道连通，所述氧化剂输出接口固定在氧化剂输送管的另一端且与氧化剂流道连通，所述氧化剂供应接口与氧化剂入口管路连通，所述氧化剂输出接口与发动机连接。

7.根据权利要求6所述的发动机热环境试验推进剂恒温供应系统，其特征在于：所述燃料入口管路还包括燃料入口真空绝热管；

所述燃料入口真空绝热管包括燃料供应接口、燃料输送管以及燃料输出接口，所述燃料输送管内设置有燃料真空隔离管，所述燃料输送管与燃料真空隔离管之间形成真空腔，所述燃料真空隔离管的内腔为燃料流道，所述燃料供应接口固定在燃料输送管的一端且与燃料流道连通，所述燃料输出接口固定在燃料输送管的另一端且与燃料流道连通，所述燃料供应接口与燃料入口管路连通，所述燃料输出接口与发动机连接；

所述燃料源包括燃料气垫箱和燃料贮箱，所述燃料气垫箱通过燃料气垫截止阀与燃料贮箱连通，所述燃料贮箱上还设置有燃料加注阀，所述燃料气垫箱上设置有燃料增压阀和燃料放气阀；

所述氧化剂源包括氧化剂气垫箱和氧化剂贮箱，所述氧化剂气垫箱通过氧化剂气垫截止阀与氧化剂贮箱连通，所述氧化剂贮箱上还设置有氧化剂加注阀，所述氧化剂气垫箱上设置有氧化剂增压阀和氧化剂放气阀。

8.根据权利要求7所述的发动机热环境试验推进剂恒温供应系统，其特征在于：所述燃料入口管路上还设置有燃料放液阀，所述氧化剂入口管路上还设置有氧化剂放液阀。

9.根据权利要求2或3所述的发动机热环境试验推进剂恒温供应系统，其特征在于：所述第一伴热电缆为3-6个。

10.根据权利要求9所述的发动机热环境试验推进剂恒温供应系统，其特征在于：所述第一伴热电缆为5个。