CN107843434B - 液体火箭发动机试验用低温小流量预冷系统及预冷方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了一种液体火箭发动机试验用低温小流量预冷系统及预冷方法。该系统包括预冷总管道、对称管路单元、流量测量单元、温度压力测量单元以及状态切换单元；对称管路单元包括至少2N个分机预冷管道；每个分机预冷管道对应一个发动机；每两个分机预冷管道为一组，其一端分别与两台发动机预冷排放口对接，另一端合并后接入预冷总管道的入口；N≥2；从预冷总管道的入口至预冷总管道的出口依次串联安装有流量温度测量单元、温度压力测量单元以及状态切换单元。该系统的预冷方法步骤是：1)管路预冷；2)排气；3)小流量排放；4)温度判断；5)大流量排放。本发明解决了现有预冷系统只适用于单台发动机且预冷过程液氧消耗量大的问题。

Description

液体火箭发动机试验用低温小流量预冷系统及预冷方法

技术领域

本发明属于航天发动机试验技术领域，具体涉及了一种液体火箭发动机试验用低温小流量预冷系统及预冷方法。

背景技术

某型号运载火箭安装了四台液氧/煤油发动机，4台发动机并联。按照火箭飞行要求需要对并联发动机实施不同步关机。为避免关机后的发动机回温，导致工作的发动机氧化剂入口温度升高，影响工作，需要对关机的发动机进行预冷。由于火箭自身携带氧化剂有限，为节约氧化剂，因此，需要选择最佳的预冷排放流量。为了在地面模拟这一状态，需要建立一套液体火箭发动机试验预冷系统，目前液体火箭发动机试验量预冷系统结构如图1所示：包括安装在发动机氧化剂入口上的排放管道100、设置在排放管道100上的气动阀200以及与气动阀200并联的手动阀300；这种排放方式是直接从发动机氧化剂入口的液氧直接进行排放。

但是，现有的排放方式存在以下问题：

1、仅能满足大流量预冷，不能实现大小流量之间切换。

2、仅适用于单台发动机，对于多台发动机采用软管形式连接不适用，状态难控制。

3、同时现有系统采用通孔形式，以发动机预冷排放温度作为预冷判据，无法获得预冷流量对预冷效果的影响。

发明内容

为了解决背景技术中现有预冷系统只适用于单台发动机且预冷过程液氧消耗量大的问题，本发明提供了一种液体火箭发动机试验用低温小流量预冷系统及预冷方法。

本发明的具体技术方案是：

本发明提供了一种液体火箭发动机试验用低温小流量预冷系统，包括预冷总管道、对称管路单元、流量温度测量单元、温度压力测量单元以及状态切换单元；

对称管路单元包括至少2N个分机预冷管道；每个分机预冷管道对应一个发动机；每两个分机预冷管道为一组，其一端分别与两台发动机预冷排放口对接，另一端合并后接入预冷总管道的入口；N≥2；

从预冷总管道的入口至预冷总管道的出口依次串联安装有流量温度测量单元、温度压力测量单元以及状态切换单元；

所述流量温度测量单元用于对预冷总管道的温度和流量进行测量；

所述温度压力测量单元用于对预冷总管道的温度和压力进行测量；

所述状态切换单元用于控制液氧大流量排放和小流量排放的转换。

下面是上述基本方案的优化方案，具体是：

具体来说，状态切换单元包括相互并联的大流量管道以及小流量管道；大流量管道上沿液氧流向依次设置大流量控制阀门以及大流量孔板；小流量管道上沿液氧流向依次设置小流量控制阀门以及小流量孔板。

进一步的，所述大流量控制阀门的流量范围2.5±0.5L/s；所述小流量控制阀门的流量范围0.15±0.05L/s；所述大流量孔板直径20mm；所述小流量孔板直径5mm。

该系统还包括第一排放管道；所述第一排放管道设置在预冷总管道的入口与流量温度测量单元之间；第一排放管道的一端与预冷总管道连接，另一端安装第一排气阀门；所述第一排气阀门的安装位置高于流量温度测量单元。

该系统还包括第二排放管道；所述第二排放管道设置在温度压力测量单元与状态切换单元之间；第二排放管道的一端与预冷总管道连接，另一端安装第二排气阀门。

具体来说，流量温度测量单元包括沿着液氧流向依次设置在预冷总管道上的第一温度传感器和质量流量计。

具体来说，温度压力测量单元包括沿着液氧流向依次设置在预冷总管道上的第二温度传感器和压力传感器。

其中，所述分机预冷管道、预冷总管道、第一排放管道以及第二排放管道均采用堆积绝热结构；

所述堆积绝热结构包括管壁、从管壁向外依次设置的缓冲层、隔热层和防潮保护层；缓冲层为从管壁向外依次设置的低温粘结剂、无碱玻璃丝带以及低温粘结剂；隔热层为设置在缓冲层外表面的聚氨酯泡沫；防潮保护层为设置在隔热层表面的低温胶。

基于上述的液体火箭发动机试验用低温小流量预冷系统，现对其预冷方法进行描述，具体包括以下步骤：

1)管路预冷

打开大流量控制阀门、小流量控制阀门，液氧由发动机预冷排放口排出，经所述预冷总管道，并由大流量孔板和小流量孔板后管路流出，对所述液体火箭发动机试验用低温小流量预冷系统进行预冷。

2)排气；

打开第一排气阀门和第二排气阀门，对预冷总管道中的液氧进行高点排气；

3)小流量排放；

其中两台发动机停止工作，另外两台发动机继续工作，打开小流量控制阀门，关闭大流量控制阀门、第一排气阀门和第二排气阀门；液氧依次经过流量温度测量单元、温度压力测量单元后经小流量管道排出；

4)温度判断；

当第一温度传感器和第二温度传感器测量到预冷主管道的温度低于-173℃，则进行步骤3)，否则执行步骤5)；

5)大流量排放；

打开大流量控制阀门，关闭小流量控制阀门、第一排气阀门和第二排气阀门；液氧依次经过流量温度测量单元、温度压力测量单元后经大流量管道排出；直至第一温度传感器和第二温度传感器测量到预冷主管道的温度低于-173℃时，停止大流量排放，切换至3)进行小流量排放。

本发明的优点在于：

1.本发明设置多条分机预冷管道并且每条管道对称设置，保证同步预冷的两台发动机预冷管道气阻一致，保证预冷效果。

2.本发明的Z形管路，在流量温度测量单元的高点设置排气阀门，保证排放管路满流和小流量预冷流量测量准确性；同时，为降低预冷起始阶段排放管路中气阻，保障了小流量精确预冷；在质量流量计入口设置第一温度传感器，判断管路预冷状态(温度未达到-178℃以下，管道液体状态可能为气液两相状态，影响流量计测量精度)，提高预冷流量测量精度。

3.大流量预冷和孔板精确预冷的交替进行，保证了管道充分冷却的前提下，进行精确预冷的工作方式，满足了小流量下预冷不充分无法获得小流量预冷特性。并联孔板组入口设置压力测点和温度测点检测管路预冷状态，提高流量控制精度。

4.管道多层包覆方法，通过交替使用玻璃丝带，低温液氧胶，海绵，达到了高的绝热效果及回温后不会被水渗透影响绝热效果。

附图说明

图1为现有预冷系统的结构简图；

图2为本发明的预冷系统结构简图；

图3为各个管道的局部剖视图。

1.Ⅰ、Ⅲ分机预冷管道；2.Ⅱ、Ⅳ分机预冷管道；3.预冷总管道；4.第一排气阀门；5.第一温度传感器；6.质量流量计；7.第二温度传感器；8.压力传感器；9.第二排气阀门；10.小流量控制阀门；11.小流量孔板；12.大流量孔板；13.大流量控制阀门；14.第一排放管道；15.第二排放管道；16.大流量管道；17.小流量管道、18.管壁；19.缓冲层；20.隔热层；21.防潮保护层。

具体实施方式

本发明涉及一种液体火箭发动机试验用低温小流量预冷系统及预冷方法，适用于液氧煤油发动机、液氢液氧发动机、液氧甲烷发动机等使用低温介质作为推进剂的液体火箭发动机试验。

该系统包括预冷总管道、对称管路单元、流量温度测量单元、温度压力测量单元以及状态切换单元，其构成了发动机预冷系统。

对称管路单元包括至少2N个分机预冷管道；每个分机预冷管道对应一个发动机；每两个分机预冷管道为一组，其一端分别与两台发动机预冷排放口对接，另一端合并后接入预冷总管道的入口；N≥2；流量温度测量单元用于对预冷总管道的温度和流量进行测量；温度压力测量单元用于对预冷总管道的温度和压力进行测量；状态切换单元用于控制液氧大流量排放和小流量排放的转换。

下面结合一个四机并联发动机，对本发明的预冷系统和预冷方法进行描述：

对称管路单元包括Ⅰ、Ⅲ分机预冷管道1和Ⅱ、Ⅳ分机预冷管道2；Ⅰ、Ⅲ分机预冷管道1一端分别与Ⅰ、Ⅲ发动机分机的预冷排放口对接，管路对称布置，管道另一端合并后接入预冷总管道3；Ⅱ、Ⅳ分机预冷管道2一端分别于发动机Ⅱ、Ⅳ分机预冷排放口对接，管路对称布置，管道另一端合并后接入预冷总管道3。

流量温度测量单元包括沿着液氧流向依次设置在预冷总管道3上的第一温度传感器5和质量流量计6。

温度压力测量单元包括沿着液氧流向依次设置在预冷总管道3上的第二温度传感器7和压力传感器8。

状态切换单元包括相互并联的大流量管道16以及小流量管道17；大流量管道16上沿液氧流向依次设置大流量控制阀门13以及大流量孔板12；小流量管道17上沿液氧流向依次设置小流量控制阀门10以及小流量孔板11。

为了实现预冷总管道满流，同时，为降低预冷起始阶段预冷总管道中气阻，保障小流量精确预冷；该系统还在预冷总管道3的入口与第一温度传感器5之间设置了第一排放管道14；第一排放管道14的一端与预冷总管道3连接，另一端安装第一排气阀门4；所述第一排气阀门4的安装位置高于第一温度传感器5；并且还在压力传感器8和状态切换单元之间设置了第二排放管道15；第二排放管道15的一端与预冷总管道3连接，另一端安装第二排气阀门9。

Ⅰ、Ⅲ分机预冷管道1、Ⅱ、Ⅳ分机预冷管道2、预冷总管道3、第一排放管道14以及第二排放管道15均采用堆积绝热结构采用堆积绝热结构，均包含管壁18、缓冲层19、隔热层20和防潮保护层21。其中缓冲层为在管壁涂一层低温粘结剂，包一层无碱玻璃丝带，再涂一层低温粘结剂，低温粘结剂使用(型号)；隔热层为聚氨酯泡沫沿管壁环向压边缠绕，可根据管径大小决定压边重叠层数，以保证绝热效果。防潮保护层为在绝热层表面涂一层低温胶。

本实施例的具体预冷方法如下：

1)管路预冷

打开大流量控制阀门13、小流量控制阀门10，液氧由发动机预冷排放口排出，经所述预冷总管道3，并由大流量孔板12和小流量孔板11后管路流出，对所述液体火箭发动机试验用低温小流量预冷系统进行预冷；

2)排气；

打开第一排气阀门4和第二排气阀门9，对预冷总管道3中的液氧进行高点排气；

3)小流量排放；

其中两台发动机停止工作，另外两台发动机继续工作，打开小流量控制阀门10，关闭大流量控制阀门13、第一排气阀门4和第二排气阀门9；液氧依次经过流量温度测量单元、温度压力测量单元后经小流量管道17排出；

4)温度判断；

当第一温度传感器5和第二温度传感器7测量到预冷主管道的温度低于-173℃，则进行步骤3)，否则继续执行步骤5)；

5)大流量排放；

打开大流量控制阀门13，关闭小流量控制阀门10、第一排气阀门4和第二排气阀门9；液氧依次经过流量温度测量单元、温度压力测量单元后经大流量管道16排出；直至第一温度传感器5和第二温度传感器7测量到预冷主管道3的温度低于-173℃时，停止大流量排放，切换至3)进行小流量排放。

Claims (9)

1.一种液体火箭发动机试验用低温小流量预冷系统，其特征在于：包括预冷总管道、对称管路单元、流量温度测量单元、温度压力测量单元以及状态切换单元；

对称管路单元包括至少2N个分机预冷管道；每个分机预冷管道对应一个发动机；每两个分机预冷管道为一组，其一端分别与两台发动机预冷排放口对接，另一端合并后接入预冷总管道的入口；N≥2；

从预冷总管道的入口至预冷总管道的出口依次串联安装有流量温度测量单元、温度压力测量单元以及状态切换单元；

所述流量温度测量单元用于对预冷总管道的温度和流量进行测量；

所述温度压力测量单元用于对预冷总管道的温度和压力进行测量；

所述状态切换单元用于控制液氧大流量排放和小流量排放的转换。

2.根据权利要求1所述的液体火箭发动机试验用低温小流量预冷系统，其特征在于：状态切换单元包括相互并联的大流量管道以及小流量管道；大流量管道上沿液氧流向依次设置大流量控制阀门以及大流量孔板；小流量管道上沿液氧流向依次设置小流量控制阀门以及小流量孔板。

3.根据权利要求2所述的液体火箭发动机试验用低温小流量预冷系统，其特征在于：所述大流量控制阀门的流量范围2.5±0.5L/s；所述小流量控制阀门的流量范围0.15±0.05L/s；所述大流量孔板直径20mm；所述小流量孔板直径5mm。

4.根据权利要求3所述的液体火箭发动机试验用低温小流量预冷系统，其特征在于：还包括第一排放管道；所述第一排放管道设置在预冷总管道的入口与流量温度测量单元之间；第一排放管道的一端与预冷总管道连接，另一端安装第一排气阀门；所述第一排气阀门的安装位置高于流量温度测量单元。

5.根据权利要求4所述的液体火箭发动机试验用低温小流量预冷系统，其特征在于：还包括第二排放管道；所述第二排放管道设置在温度压力测量单元与状态切换单元之间；第二排放管道的一端与预冷总管道连接，另一端安装第二排气阀门。

6.根据权利要求1所述的液体火箭发动机试验用低温小流量预冷系统，其特征在于：流量温度测量单元包括沿着液氧流向依次设置在预冷总管道上的第一温度传感器和质量流量计。

7.根据权利要求1所述的液体火箭发动机试验用低温小流量预冷系统，其特征在于：温度压力测量单元包括沿着液氧流向依次设置在预冷总管道上的第二温度传感器和压力传感器。

8.根据权利要求5所述的液体火箭发动机试验用低温小流量预冷系统，其特征在于：所述分机预冷管道、预冷总管道、第一排放管道以及第二排放管道均采用堆积绝热结构；

所述堆积绝热结构包括管壁、从管壁向外依次设置的缓冲层、隔热层和防潮保护层；缓冲层为从管壁向外依次设置的低温粘结剂、无碱玻璃丝带以及低温粘结剂；隔热层为设置在缓冲层外表面的聚氨酯泡沫；防潮保护层为设置在隔热层表面的低温胶。

9.基于权利要求8所述的液体火箭发动机试验用低温小流量预冷系统的液体火箭发动机试验用低温小流量预冷方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)管路预冷；

打开大流量控制阀门、小流量控制阀门，液氧由发动机预冷排放口排出，经所述预冷总管道，并由大流量孔板和小流量孔板后管路流出，对所述液体火箭发动机试验用低温小流量预冷系统进行预冷；

2)排气；

打开第一排气阀门和第二排气阀门，对预冷总管道中的液氧进行高点排气；

3)小流量排放；

其中两台发动机停止工作，另外两台发动机继续工作，打开小流量控制阀门，关闭大流量控制阀门、第一排气阀门和第二排气阀门；液氧依次经过流量温度测量单元、温度压力测量单元后经小流量管道排出；

4)温度判断；

当第一温度传感器和第二温度传感器测量到预冷主管道的温度低于-173℃，则进行步骤3)，否则执行步骤5)；

5)大流量排放；

打开大流量控制阀门，关闭小流量控制阀门、第一排气阀门和第二排气阀门；液氧依次经过流量温度测量单元、温度压力测量单元后经大流量管道排出；直至第一温度传感器和第二温度传感器测量到预冷主管道的温度低于-173℃时，停止大流量排放，切换至3)进行小流量排放。