CN106595759B - 一种低温推进剂贮存技术地面试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低温推进剂贮存技术地面试验系统，包括真空罐，用于提供不同的真空环境或常压环境；试验贮箱，置于真空罐中，并位于红外灯之间；若干加热带，沿试验贮箱的高度方向均匀分布，用于模拟低温推进剂的热分层现象；红外灯，用于提供外热流；低温推进剂加注模块，在试验前，为试验贮箱中加注低温推进剂；热力学排气模块，包括液体循环排气单元和制冷排气单元；蒸汽冷却屏模块，设置在试验贮箱和红外灯之间；检测控制模块，包括上位机、控制器、若干贮箱温度传感器及液位传感器，贮箱温度传感器用于测量试验贮箱中低温推进剂的温度，液位传感器用于测量试验贮箱中低温推进剂的液位。与现有技术相比，本发明功能全面。

Description

一种低温推进剂贮存技术地面试验系统

技术领域

本发明属于低温推进剂空间在轨贮存技术领域，尤其是涉及一种低温推进剂贮存技术地面试验系统。

背景技术

随着深空探测任务，特别是未来载人探月计划的开展，低温推进剂(如液氢、液氧、甲烷等)不但要满足运载火箭发射阶段短时间使用，而且要适应未来长时间在轨任务的需求。但是低温推进剂沸点低，空间环境中恶劣的热环境会引起低温推进剂的大量蒸发，这样就不得不涉及到低温推进剂的长期在轨储存技术，通过对贮箱进行绝热、防辐射措施、有效的热交换和合理的压力控制，将蒸发量控制在一定的范围。

低温推进剂长期储存技术是我国航天事业后续发展的支撑性关键技术，是一项复杂的系统工程，由于低温推进剂的低沸点、空间复杂的热环境和微重力环境，给该项技术的实现带来了很大的困难，低温推进剂贮箱的热防护和压力控制是两个关键的方面。

从中国航天大国的地位和未来深空探测技术发展趋势方面考虑，需要一种地面试验系统用于开展低温推进剂蒸发量控制技术研究，推动我国低温推进剂在轨贮存技术的发展。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种低温推进剂贮存技术地面试验系统，能够精确模拟外部环境，如空间真空、低温和空间外热流环境，通过系统切换，实现对低温推进剂长期贮存中，变密度复合绝热材料、热力学排气系统(TVS)、蒸汽冷却屏技术等各项关键技术试验验证。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种低温推进剂贮存技术地面试验系统，包括：

真空罐，用于提供不同的真空环境或常压环境；

试验贮箱，置于所述真空罐中，并位于所述红外灯之间，所述试验贮箱的外壁包裹有绝热层；

若干加热带，沿所述试验贮箱的高度方向均匀，用于模拟低温推进剂的热分层现象；

红外灯，位于所述试验贮箱的两侧，用于提供外热流；

低温推进剂加注模块，在试验前，为所述试验贮箱中加注低温推进剂；

热力学排气模块，包括液体循环排气单元和制冷排气单元，所述液体循环排气单元从试验贮箱中抽取低温推进剂，通过换热器形成分散射流喷出，与试验贮箱内的低温推进剂混合，消除热分层，使整个试验贮箱的低温推进剂温度降低，压力下降，同时上层低温推进剂温度降低，气枕温度也随之降低，压力下降，压力下降到设定值后，液体循环排气单元停止工作，直到压力再次升高，液体循环排气单元再次开启；所述制冷排气单元在试验贮箱内压力升高到设定的最高压力时，试验贮箱中的部分低温推进剂通过所述制冷排气单元气化、降温后，进入所述换热器的气侧，试验贮箱中的另一部分低温推进剂进入所述换热器的液侧，发生热量交换后，气侧的气体温度升高，排出试验贮箱，液侧的低温推进剂温度降低，进入试验贮箱；

蒸汽冷却屏模块，设置在所述试验贮箱和红外灯之间，用于将试验贮箱中蒸发的气体再利用；

检测控制模块，包括上位机、控制器、若干贮箱温度传感器及液位传感器，所述贮箱温度传感器用于测量试验贮箱中低温推进剂的温度，所述液位传感器用于测量试验贮箱中低温推进剂的液位，所述上位机通过控制器接收所述温度和液位，并发出控制指令通过控制器控制所述低温推进剂加注模块、热力学排气模块及蒸汽冷却屏模块工作。

所述贮箱温度传感器与所述加热带对应，即每个加热带处设置一个贮箱温度传感器，用于检测热分层后低温推进剂的每层的温度。

所述低温推进剂加注模块包括相互连接的压力气瓶和杜瓦罐，所述杜瓦罐与所述试验贮箱连接，所述压力气瓶和杜瓦罐之间的管路上依次设有第一压力表、减压阀和第二压力表，所述杜瓦罐与试验贮箱之间的管路上设有截止阀，第一液体流量计和泄出阀，所述杜瓦罐的罐口安装有安全阀，用于在杜瓦罐中的压力过高，自行排气，加注低温推进剂时，所述压力气瓶中的增压气体经减压阀减压后，进入杜瓦罐中，当杜瓦罐中达到一定压力后，开启截止阀，则低温推进剂进入试验贮箱中，实现低温推进剂的加注。

所述液体循环排气单元包括依次连接的第二液体流量计、循环泵、流量调节阀和换热器，所述第二液体流量计的入口端与所述试验贮箱连接，所述循环泵抽取试验贮箱中的部分低温推进剂后，通过换热器形成分散射流喷出至试验贮箱，实现对试验贮箱中低温推进剂的混合，消除热分层，降低试验贮箱中的压力；

所述换热器、第二液体流量计和循环泵复用为所述制冷排气单元的一部分，所述制冷排气单元还包括依次连接的第三液体流量计、调节阀及焦汤膨胀阀，所述第三液体流量计的入口与所述循环泵出口连接，所述焦汤膨胀阀的出口与所述换热器的气侧入口连接，所述换热器的气侧出口连通至所述真空罐外侧，所述调节阀与焦汤膨胀阀之间设有第二温度传感器和第二压力传感器，所述焦汤膨胀阀与所述换热器之间设有第三温度传感器和第三压力传感器。

所述蒸汽冷却屏模块包括设置在所述红外灯和试验贮箱之间的冷却屏，所述冷却屏上布置有进气管路和出气管路，所述进气管路的入口与所述试验贮箱连通，所述进气管路的出口与所述出气管路的入口连通，所述试验贮箱与所述进气管路之间的依次设有第二截止阀、第三截止阀及背压阀。

该系统还包括与所述第二截止阀的出口连接的气体流量计，所述气体流量计的出口与大气连通，所述第二截止阀的出口与所述气体流量计之间设有第四温度传感器和第四压力传感器。

所述冷却屏通过支撑杆与所述试验贮箱外壁连接。

所述真空罐上固定有部分伸入真空罐的穿罐插头，所述穿罐插头伸入真空罐的部分通过接插件与所述贮箱温度传感器和液位传感器连接，所述穿罐插头露出真空罐外侧的部分与所述控制器连接，通过接插件和穿罐插头实现贮箱温度传感器、液位传感器与控制器的电连接。

焦汤膨胀阀可以实现节流孔径调节，实现不同的膨胀效率和制冷效率，验证不同制冷效率下，对试验贮箱内压力控制能力。

与现有技术相比，本发明能够精确模拟外部环境，如空间真空、低温和空间外热流环境，通过系统切换，实现对低温推进剂长期贮存中，变密度复合绝热材料、热力学排气系统(TVS)、蒸汽冷却屏技术等各项关键技术试验验证。

附图说明

图1为本发明的系统连接示意图；

图2为本发明热力学排气模块的原理图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，一种低温推进剂贮存技术地面试验系统，包括：

真空罐1，用于提供不同的真空环境或常压环境，其真空状态可以调节，验证常压或不同真空状态下，低温推进剂热分层、蒸发和内部压力的状态。

试验贮箱，置于真空罐1中，并位于红外灯2之间，试验贮箱的外壁包裹有可更换的绝热层4，绝热层可以采用单一绝热材料也可以采用复合绝热材料，验证不同绝热措施下，对低温推进剂热分层、蒸发和内部压力的影响。

若干加热带49，沿试验贮箱的高度方向均匀，用于模拟低温推进剂的热分层现象；

红外灯2，位于试验贮箱的两侧，用于提供外热流；红外灯可以进行变外热流控制，同时可以分区设置，实现不同区域施加不同外热流的目的，验证不同外热流情况，低温推进剂热分层、蒸发和内部压力的状态。

低温推进剂加注模块，在试验前，为试验贮箱中加注低温推进剂；

热力学排气模块，包括液体循环排气单元和制冷排气单元，液体循环排气单元从试验贮箱中抽取低温推进剂，通过换热器17形成分散射流喷出，与试验贮箱内的低温推进剂混合，消除热分层，使整个试验贮箱的低温推进剂温度降低，压力下降，同时上层低温推进剂温度降低，气枕温度也随之降低，压力下降，压力下降到设定值后，液体循环排气单元停止工作，直到压力再次升高，液体循环排气单元再次开启；制冷排气单元在试验贮箱内压力升高到设定的最高压力时，试验贮箱中的部分低温推进剂通过制冷排气单元气化、降温后，进入换热器17的气侧，试验贮箱中的另一部分低温推进剂进入换热器17的液侧，发生热量交换后，气侧的气体温度升高，排出试验贮箱，液侧的低温推进剂温度降低，进入试验贮箱；热力学排气模块主要实现试验初期，利用循环泵的开启，消除内部介质的温度分层；当持续一定时间后，通过焦汤膨胀阀和换热器工作，实现对推进剂的冷却和贮箱压力降低，从而达到验证推进剂在轨贮存时间的目的；

蒸汽冷却屏29模块，设置在试验贮箱和红外灯2之间，用于将试验贮箱中蒸发的气体再利用；

检测控制模块，包括上位机40、控制器39、若干贮箱温度传感器44及液位传感器42，贮箱温度传感器44与加热带49对应，即每个加热带49处设置一个贮箱温度传感器44，具体的，贮箱温度传感器44通过撑杆43支撑分布于试验贮箱3的不同高度处，用于检测热分层后低温推进剂的每层的温度，液位传感器42用于测量试验贮箱中低温推进剂的液位，上位机40通过控制器39接收温度和液位，并发出控制指令通过控制器39控制低温推进剂加注模块、热力学排气模块及蒸汽冷却屏29模块工作。

具体的，低温推进剂加注模块包括相互连接的压力气瓶和杜瓦罐，杜瓦罐与试验贮箱连接，压力气瓶和杜瓦罐之间的管路上依次设有第一压力表8、减压阀9和第二压力表81，杜瓦罐与试验贮箱之间的管路上设有第一截止阀10，第一液体流量计14和泄出阀16，杜瓦罐的罐口安装有安全阀12，用于在杜瓦罐中的压力过高，自行排气，加注低温推进剂时，压力气瓶中的增压气体经减压阀减压后，进入杜瓦罐中，当杜瓦罐中达到一定压力后，开启第一截止阀，则低温推进剂进入试验贮箱中，实现低温推进剂的加注。

具体的，液体循环排气单元包括依次连接的第二液体流量计19、循环泵20、流量调节阀26和换热器17，第二液体流量计的入口端与试验贮箱连接，循环泵抽取试验贮箱中的部分低温推进剂后，通过换热器17形成分散射流喷出至试验贮箱，实现对试验贮箱中低温推进剂的混合，消除热分层，降低试验贮箱中的压力；

换热器17、第二液体流量计和循环泵复用为制冷排气单元的一部分，制冷排气单元还包括依次连接的第三液体流量计21、调节阀24及焦汤膨胀阀，第三液体流量计的入口与循环泵出口连接，焦汤膨胀阀的出口与换热器17的气侧入口连接，换热器17的气侧出口连通至真空罐1外侧，调节阀与焦汤膨胀阀之间设有第二温度传感器27和第二压力传感器28，焦汤膨胀阀25与换热器17之间设有第三温度传感器270和第三压力传感器280。第三液体流量计21用于测量进入焦汤膨胀阀25的液体流量和参与循环的液体流量。通过测量焦汤膨胀阀25前后的压力和温度，可以获得膨胀阀的工作效率；焦汤膨胀阀25可以实现节流孔径调节，实现不同的膨胀效率和制冷效率，验证不同制冷效率下，对试验贮箱3内压力控制能力。

循环泵20具有变频功能，能调节低温推进剂循环流量，验证不同循环流量下，对试验贮箱3内热分层和压力控制能力。

具体的，蒸汽冷却屏29模块包括设置在红外灯2和试验贮箱之间的冷却屏29，冷却屏29上布置有进气管路和出气管路，进气管路的入口与试验贮箱连通，进气管路的出口与出气管路的入口连通，试验贮箱与进气管路之间的依次设有第二截止阀35、第三截止阀50及背压阀32。通过调整背压阀32的参数，可以设置排出气体的压力；冷却屏29通过支撑杆46与试验贮箱外壁连接。

该系统还包括与第二截止阀35的出口连接的气体流量计38，气体流量计的出口与大气连通，第二截止阀的出口与气体流量计之间设有第四温度传感器37和第四压力传感器36。

真空罐1上固定有部分伸入真空罐1的穿罐插头45，穿罐插头45伸入真空罐1的部分通过接插件与贮箱温度传感器44和液位传感器42连接，穿罐插头45露出真空罐1外侧的部分与控制器39连接，通过接插件和穿罐插头45实现贮箱温度传感器44、液位传感器42与控制器39的电连接。

下面结合图1和图2阐述本发明的具体工作过程：首先完成真空罐1抽真空和低温热沉建立，并维持一段时间，以便于试验贮箱3外部绝热层的充分排气；然后开启压力气瓶阀门，压力气瓶7的增压气体经过减压阀9减压后，经管路11进入杜瓦罐6，当杜瓦罐6中达到一定压力后，开启第一截止阀10，经管路13、第一液体流量计14和管路15进入真空罐1中的试验贮箱3，实现低温推进剂的加注，安全阀12防止杜瓦罐6内压力过高。充注过程中，低温推进剂在试验贮箱3中还不稳定，蒸发量较大，这时开启第二截止阀35，使蒸发气体通过管路34、第二截止阀35和气体流量计38排出。试验贮箱3内推进剂稳定后，为测量稳定状态试验贮箱3内的蒸发量，通过切换第二截止阀35和第三截止阀50以及第四截止阀47和第五截止阀48，实现蒸发气体是否通过冷却屏29，实现蒸发气体的再利用，通过背压阀32的设置，限制气体排出的压力。通过气体流量计38、第四压力传感器36和第四温度传感器37对排出气体流量、压力和温度进行测量，得到在不同外部绝热层4、不同红外灯模拟的外热流条件下，低温推进剂的蒸发量。

贮箱中推进剂蒸发稳定后，开始增压至要求压力，根据在轨外热流状态，对贮箱不同壁面施加外热流。随着热量进入贮箱，推进剂温度升高，并会产生热分层现象(由于地面状态，温度分层是由于液体高度引起的，由于贮箱高度相对较小，为了验证热力学排气系统对消除热分层的作用，在试验过程中会通过贮箱内部不同高度布置加热带，人为产生较大的温度分层)，当压力升高到设定值时，可以开启循环泵20，使低温推进剂依次经过管路18，第二液体流量计19，循环泵20和管路22，达到对低温推进剂进行混合的作用，消除热分层，降低试验贮箱3的内部压力。同时上层推进剂温度降低，气枕温度也随之降低，压力下降，压力下降到设定值后，循环泵20停止，液体循环单元停止工作。直到压力再次升高，液体循环单元再次开启。随着贮箱内液体整体压力的不断升高，当升高到设定的最高压力时，单纯通过液体循环单元已经不能降低液体温度和压力，需要通过一定的制冷措施降低液体整体温度，从而降低箱内压力，这时通过调整管路21和流量调节阀26，使部分低温推进剂流经焦汤膨胀阀25，气化、降温，进入换热器17的气侧，另一部分推进剂进入换热器17的液侧，两者发生热量交换后，低温气体的温度升高并排出试验贮箱3，液体推进剂温度降低，进入试验贮箱3，主体推进剂温度降低，试验贮箱3的降温降压，通过消耗小部分低温推进剂实现主体推进剂温度降低。控制器39对真空罐1内部测量参数通过穿罐插头45，同时实现对所有阀门、泵等执行器件状态的测量和控制，并通过上位机40进行参数和状态显示，图1中虚线连接线41表示电连接。

本发明的特点在于，在精确模拟外部环境，如空间真空、低温和空间外热流环境的基础上，通过系统切换，实现对低温推进剂长期贮存中，变密度复合绝热材料、热力学排气模块、蒸汽冷却屏技术等各项关键技术试验验证和系统集成性能验证，能够实现对不同外热流或真空状态低温推进剂蒸发、热分层等存贮特性进行试验验证。系统简单可靠，可以多次重复使用，可以开展地面常压状态，也可以开展空间真空状态试验。该试验系统可以填补我国低温推进剂空间在轨贮存关键技术试验验证系统的空白，有利推动我国低温推进剂在轨贮存蒸发量控制技术的发展。

Claims (9)

1.一种低温推进剂贮存技术地面试验系统，其特征在于，包括：

真空罐，用于提供不同的真空环境或常压环境；

试验贮箱，置于所述真空罐中，并位于所述红外灯之间，所述试验贮箱的外壁包裹有绝热层；

若干加热带，沿所述试验贮箱的高度方向均匀分布，用于模拟低温推进剂的热分层现象；

红外灯，位于所述试验贮箱的两侧，用于提供外热流；

低温推进剂加注模块，在试验前，为所述试验贮箱中加注低温推进剂；

热力学排气模块，包括液体循环排气单元和制冷排气单元，所述液体循环排气单元从试验贮箱中抽取低温推进剂，通过换热器形成分散射流喷出，与试验贮箱内的低温推进剂混合，消除热分层，使整个试验贮箱的低温推进剂温度降低，压力下降，同时上层低温推进剂温度降低，气枕温度也随之降低，压力下降，压力下降到设定值后，液体循环排气单元停止工作，直到压力再次升高，液体循环排气单元再次开启；所述制冷排气单元在试验贮箱内压力升高到设定的最高压力时，试验贮箱中的部分低温推进剂通过所述制冷排气单元气化、降温后，进入所述换热器的气侧，试验贮箱中的另一部分低温推进剂进入所述换热器的液侧，发生热量交换后，气侧的气体温度升高，排出试验贮箱，液侧的低温推进剂温度降低，进入试验贮箱；

蒸汽冷却屏模块，设置在所述试验贮箱和红外灯之间，用于将试验贮箱中蒸发的气体再利用；

检测控制模块，包括上位机、控制器、液位传感器及若干贮箱温度传感器，所述贮箱温度传感器用于测量试验贮箱中低温推进剂的温度，所述液位传感器用于测量试验贮箱中低温推进剂的液位，所述上位机通过控制器接收所述温度和液位，并发出控制指令通过控制器控制所述低温推进剂加注模块、热力学排气模块及蒸汽冷却屏模块工作。

2.根据权利要求1所述的一种低温推进剂贮存技术地面试验系统，其特征在于，所述贮箱温度传感器与所述加热带对应，即每个加热带处设置一个贮箱温度传感器，用于检测热分层后低温推进剂的每层的温度。

3.根据权利要求1所述的一种低温推进剂贮存技术地面试验系统，其特征在于，所述低温推进剂加注模块包括相互连接的压力气瓶和杜瓦罐，所述杜瓦罐与所述试验贮箱连接，所述压力气瓶和杜瓦罐之间的管路上依次设有第一压力表、减压阀和第二压力表，所述杜瓦罐与试验贮箱之间的管路上设有截止阀，第一液体流量计和泄出阀，所述杜瓦罐的罐口安装有安全阀，用于在杜瓦罐中的压力过高，自行排气，加注低温推进剂时，所述压力气瓶中的增压气体经减压阀减压后，进入杜瓦罐中，当杜瓦罐中达到一定压力后，开启截止阀，则低温推进剂进入试验贮箱中，实现低温推进剂的加注。

4.根据权利要求1所述的一种低温推进剂贮存技术地面试验系统，其特征在于，所述液体循环排气单元包括依次连接的第二液体流量计、循环泵、流量调节阀和换热器，所述第二液体流量计的入口端与所述试验贮箱连接，所述循环泵抽取试验贮箱中的部分低温推进剂后，通过换热器形成分散射流喷出至试验贮箱，实现对试验贮箱中低温推进剂的混合，消除热分层，降低试验贮箱中的压力；

所述换热器、第二液体流量计和循环泵复用为所述制冷排气单元的一部分，所述制冷排气单元还包括依次连接的第三液体流量计、调节阀及焦汤膨胀阀，所述第三液体流量计的入口与所述循环泵出口连接，所述焦汤膨胀阀的出口与所述换热器的气侧入口连接，所述换热器的气侧出口连通至所述真空罐外侧，所述调节阀与焦汤膨胀阀之间设有第二温度传感器和第二压力传感器，所述焦汤膨胀阀与所述换热器之间设有第三温度传感器和第三压力传感器。

5.根据权利要求1所述的一种低温推进剂贮存技术地面试验系统，其特征在于，所述蒸汽冷却屏模块包括设置在所述红外灯和试验贮箱之间的冷却屏，所述冷却屏上布置有进气管路和出气管路，所述进气管路的入口与所述试验贮箱连通，所述进气管路的出口与所述出气管路的入口连通，所述试验贮箱与所述进气管路之间的依次设有第二截止阀、第三截止阀及背压阀。

6.根据权利要求5所述的一种低温推进剂贮存技术地面试验系统，其特征在于，该系统还包括与所述第二截止阀的出口连接的气体流量计，所述气体流量计的出口与大气连通，所述第二截止阀的出口与所述气体流量计之间设有第四温度传感器和第四压力传感器。

7.根据权利要求5所述的一种低温推进剂贮存技术地面试验系统，其特征在于，所述冷却屏通过支撑杆与所述试验贮箱外壁连接。

8.根据权利要求1所述的一种低温推进剂贮存技术地面试验系统，其特征在于，所述真空罐上固定有部分伸入真空罐的穿罐插头，所述穿罐插头伸入真空罐的部分通过接插件与所述温度传感器和液位传感器连接，所述穿罐插头露出真空罐外侧的部分与所述控制器连接，通过接插件和穿罐插头实现温度传感器、液位传感器与控制器的电连接。

9.根据权利要求4所述的一种低温推进剂贮存技术地面试验系统，其特征在于，所述焦汤膨胀阀可以实现节流孔径调节，实现不同的膨胀效率和制冷效率，验证不同制冷效率下，对试验贮箱内压力控制能力。