CN108826018B - 一种基于液化气的微小型增压系统及增压方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于液化气的微小型增压系统及增压方法，该增压系统包括增压工质贮箱、减压阀、热交换器和开关阀。增压工质贮箱出口通过管路与开关阀入口连接，开关阀出口通过管路与减压阀入口连接，减压阀出口通过管路同时与下游的氧化剂贮箱和燃料贮箱连接；热交换器一端包覆在减压阀出口处的干路管路上；增压工质贮箱中的工质为液化气，开关阀与飞行器控制系统连接。该增压方法给出了系统工作流程以及增压工质质量确定方法。本发明设计的增压系统能够长期储存和运输，系统规模小，在保证增压性能基础上实现轻小型化。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于液化气的微小型增压系统及增压方法，属于轻小型液体火箭发动机动力系统领域。
背景技术
传统的液体火箭发动机动力系统使用冷气增压方式提供推进剂的挤压压力，这种方式利用预充填高压惰性气体的气瓶来存储增压用气，通常气瓶压力在30MPa以上，受制于需要解决长期可靠储存和运输环境适应性问题，系统规模难以进一步下降，在对系统体积、重量要求苛刻的应用场合无法满足使用要求。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于液化气的微小型增压系统及增压方法，该增压系统能够长期储存和运输，系统规模小，在保证增压性能基础上实现轻小型化。
本发明的技术解决方案是：一种基于液化气的微小型增压系统，包括增压工质贮箱、减压阀、热交换器和开关阀；
增压工质贮箱出口通过管路与开关阀入口连接，开关阀出口通过管路与减压阀入口连接，减压阀出口通过管路同时与下游的氧化剂贮箱和燃料贮箱连接；热交换器一端包覆在减压阀出口处的干路管路上；增压工质贮箱中的工质为液化气，开关阀与飞行器控制系统连接。
在减压阀出口与下游氧化剂贮箱和燃料贮箱连接的管路上设置有安全阀。
在减压阀出口与安全阀连接的管路上设置有下游压力传感器。
在增压工质贮箱出口与开关阀入口连接的管路上设置有上游压力传感器。
热交换器未包覆管路的另一端靠近、贴附或缠绕在周围发热元器件上。
利用所述增压系统的增压方法，包括如下步骤：
步骤一，为增压工质贮箱注入液化气作为增压工质；
步骤二，开关阀在飞行器控制系统控制下打开；
步骤三，液化气在自身饱和蒸汽压作用下流入管路，并在减压阀的作用下减压汽化，利用液化气汽化后的体积膨胀挤压下游贮箱中的推进剂，为下游贮箱增压，所述下游贮箱包括氧化剂贮箱和燃料贮箱；
步骤四，汽化降温后的气体接受热交换器的热量补偿后达到下游贮箱工作压力，增压完成后减压阀关闭；
步骤五，当减压阀出口处的压力低于下限时，减压阀开启，向下游贮箱供应增压工质，热交换器同时进行热量补偿，稳定下游贮箱的压力；
步骤六，当下游贮箱压力达到上限时，减压阀关闭，停止供应增压工质。
所述步骤一中，注入液化气的质量M按照如下方法确定：
(a)利用如下公式计算挤空下游贮箱所需要的增压工质质量mp：
mp＝(vY+vR+vC)×ρG+vP×ρL
其中vY表示挤空下游氧化剂贮箱所需的气态增压工质体积；vR表示挤空下游燃料贮箱所需的气态增压工质体积；vC表示减压阀(2)至下游贮箱间的管路的容积；vC表示增压工质贮箱(1)出口至减压阀(2)入口间的管路的容积；ρL表示液态增压工质的密度；ρG表示气态增压工质的密度；
(b)将质量为mp的增压工质挤出增压工质贮箱(1)所需的增压工质质量mv满足：
mv＝mp÷ρL×ρG0
其中ρG0表示增压工质饱和蒸汽压的密度；
(c)为补偿质量为mv的增压工质汽化吸热，以保证增压精度而额外增加的冗余质量mc满足：
mc＝(mv×Hv)÷CP÷Δt
其中Hv表示单位质量液态增压工质汽化需要吸收的热量；CP表示气态增压工质的比热容；Δt表示压力调节精度允许范围内液态增压工质允许的温度波动范围；
(d)注入液化气的质量M满足M＝mp+mv+mc。
所述步骤(a)中，ρG满足：
ρG＝(PG×M0)/(T×R0)
其中PG表示下游贮箱设计工作压力；M0表示增压工质分子量；T表示下游贮箱设计工作温度；R0表示通用气体常数，等于8.314。
所述步骤(b)中，ρG0满足：
ρG0＝(PG0×M0)/(T0×R0)
其中PG0表示增压工质饱和蒸汽压压力；M0表示增压工质分子量；T0表示增压工质贮箱(1)设计工作温度；R0表示通用气体常数，等于8.314。
所述步骤一中，增压工质贮箱能够通过手阀加注液化气或拆卸后通过出口加注液化气然后再连入增压系统。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明增压工质为液化气，常温下液化气的饱和蒸汽压(4MPa左右)远远低于增压气瓶所需的压力(30MPa以上)，低温下液化气的饱和蒸汽压可降至大气压以下，能够低压或无压储存，因此具备更好的长期可靠储存和运输的能力。
(2)本发明利用液体汽化后体积膨胀为下游贮箱增压，同时通过热交换器进行热量补偿，体积膨胀率远高于传统冷气增压方式，因此所需工质更少，能够有效减小贮箱的体积和重量，从而极大降低了系统规模，在保证增压性能基础上实现轻小型化。
(3)本发明增压工质贮箱加注方法既可以通过手阀加注液化气，也可以拆卸后通过出口加注液化气然后再连入增压系统，前者的好处是操作方便，工艺简单。后者的好处是减少了贮箱的对外接口(手阀)，降低了从该接口泄漏的风险，提高了贮存性能。使用中可以根据情况选择。
附图说明
图1为本发明系统构成示意图。
具体实施方式
本发明用于微小型液体火箭发动机动力系统，为系统提供恒压增压压力源。通过液化气汽化膨胀做功挤压推进剂，并采用汽化过程控制实现恒压挤压。由于液化气具有贮存压力低、低温工作适应性好、工质消耗量小及可预包装等特点，能够长期储存和运输，系统规模小，是动力系统轻小型化、实现长期贮存的有效途径。
如图1所示，本发明微小型增压系统，包括增压工质贮箱1、减压阀2、热交换器3和开关阀7。
增压工质贮箱1出口通过管路与开关阀7入口连接，开关阀7出口通过管路与减压阀2入口连接，开关阀7与飞行器控制系统连接，以接收飞行控制系统的打开指令。减压阀2出口通过管路同时与下游的氧化剂贮箱和燃料贮箱连接；热交换器3一端包覆在减压阀2出口处的干路管路上，热交换器3另一端靠近、贴附或缠绕在周围发热元器件(如CPU、电池)上，从而导入周围元器件的热量。增压工质贮箱1中的工质为液化气。
为了保证系统安全，在减压阀2出口与下游氧化剂贮箱和燃料贮箱连接的管路上设置有安全阀4，在系统超压时打开，卸除系统压力。
在减压阀2出口与安全阀4连接的管路上设置有下游压力传感器5，用于监测减压阀2出口处的压力。在增压工质贮箱1出口与开关阀7入口连接的管路上设置有上游压力传感器6，用于监测增压工质贮箱1的出口压力。并将检测的压力值回传到地面。
本发明增压系统中，减压阀上游为高压液路，工作过程中压力始终保持等于工质的饱和蒸汽压，使工质维持在液态，靠工质自身的饱和蒸汽压将工质从增压工质贮箱中挤出，在挤出过程中部分工质汽化，使增压工质贮箱温度降低；减压阀后为低压气路，工作过程中压力始终保持低于工质的饱和蒸汽压，使工质经过减压阀后迅速汽化，同时通过热交换器(从发热元器件吸热)维持工作温度以保证工作压力，之后进入下游氧化剂贮箱、燃料贮箱用于挤压推进剂。
液化气应选择常温下加压易于液化、饱和蒸汽压适宜、性质稳定的气体，常见的如二氧化氮、小分子烷类、氨、氧化亚氮等。
利用本发明增压系统的增压方法，包括如下步骤：
步骤一，为增压工质贮箱注入液化气作为增压工质，注入方式有两种，第一种：增压工质贮箱能够通过手阀加注液化气；第二种：拆卸后通过出口加注液化气然后再连入增压系统；
注入液化气的质量M按照如下方法确定：
(a)利用如下公式计算挤空下游贮箱所需要的增压工质质量mp：
mp＝(vY+vR+vC)×ρG+vP×ρL
其中vY表示挤空下游氧化剂贮箱所需的气态增压工质体积；vR表示挤空下游燃料贮箱所需的气态增压工质体积；vC表示减压阀至下游贮箱间的管路的容积；vC表示增压工质贮箱出口至减压阀入口间的管路的容积；ρL表示液态增压工质的密度，由不同动力系统选取的增压工质贮箱设计工作温度确定；ρG表示气态增压工质的密度；
ρG＝(PG×M0)/(T×R0)
其中PG表示下游贮箱设计工作压力；M0表示增压工质分子量；T表示下游贮箱设计工作温度；R0表示通用气体常数，等于8.314。
(b)将质量为mp的增压工质挤出增压工质贮箱所需的增压工质质量mv满足：
mv＝mp÷ρL×ρG0
其中ρG0表示增压工质饱和蒸汽压的密度；
ρG0＝(PG0×M0)/(T0×R0)
其中PG0表示增压工质饱和蒸汽压压力；T0表示增压工质贮箱设计工作温度。
(c)为补偿质量为mv的增压工质汽化吸热，以保证增压精度而额外增加的冗余质量mc满足：
mc＝(mv×Hv)÷CP÷Δt
其中Hv表示单位质量液态增压工质汽化需要吸收的热量；CP表示气态增压工质的比热容；Δt表示压力调节精度允许范围内液态增压工质允许的温度波动范围。压力调节精度决定了液态增压介质的允许饱和蒸汽压范围，液态增压介质的饱和蒸汽压由介质的温度决定。
(d)注入液化气的质量M满足M＝mp+mv+mc。
步骤二，开关阀接收到飞行器上控制系统的打开指令时打开；
步骤三，液化气在自身饱和蒸汽压作用下流入管路，并在减压阀的作用下减压汽化，利用液化气汽化后的体积膨胀挤压下游贮箱中的推进剂，为下游贮箱增压，所述下游贮箱包括氧化剂贮箱和燃料贮箱；
步骤四，汽化降温后的气体接受热交换器的热量补偿后达到下游贮箱工作压力，增压完成后减压阀关闭；
步骤五，当减压阀出口处的压力低于下限时，减压阀开启，向下游贮箱供应增压工质，热交换器同时进行热量补偿，稳定下游贮箱的压力；
步骤六，当下游贮箱压力达到上限时，减压阀关闭，停止供应增压工质。
下面举例说明注入液化气的质量M具体确定方式：
假设常规双组元推进剂使用量为400g，按1.65混合比计算，下游两推进剂贮箱各挤出约165mL推进剂，减压阀至下游贮箱间的管路的容积为10mL，增压工质贮箱出口至减压阀入口间的管路的容积为2mL。假设增压工质为氧化亚氮，增压压力最大允许偏差-15％，贮箱工作压力3.5MPa、全系统工作温度288K。则可计算所需增压工质质量：
(a)计算气态增压工质的密度ρG：
ρG＝(PG×M0)/(T×R0)
＝(3.5×44)/(288×8.314)
＝0.0643(g/mL)
对于常用的液化气增压介质(如二氧化氮、小分子烷类、氨、氧化亚氮等)，其温度与液态密度的对应关系可通过查找《化合物性质手册》等资料获得。
全系统工作温度288K，查找得出液态增压工质的密度ρL＝0.821g/mL。
挤空下游贮箱所需要的增压工质质量mp：
mp＝(vY+vR+vC)×ρG+vP×ρL
＝(165+165+10)×0.0643+2×0.821
＝23.50(g)
(b)增压介质饱和蒸汽压压力PG0由T0确定。对于常用的液化气增压介质，其温度与饱和蒸汽压的对应关系可通过查找《化合物性质手册》等资料获得。
根据全系统工作温度288K查找得出增压工质饱和蒸汽压压力PG0＝4.58MPa。
计算增压工质饱和蒸汽压的密度ρG0：
ρG0＝(PG0×M0)/(T0×R0)
＝(4.58×44)/(288×8.314)
＝0.0842(g/mL)
计算将mp质量增压工质挤出增压工质贮箱所需的增压工质质量mv：
mv＝mp÷ρL×ρG0
＝23.5÷0.821×0.0842
＝2.41(g)
(c)Hv、CP由增压介质饱和蒸汽压压力以及介质的设计工作温度确定，可通过查找《化合物性质手册》等资料获得。对于常用的液化气增压介质其温度与饱和蒸汽压的对应关系可通过查找《化合物性质手册》等资料获得。
根据全系统工作温度288K查找得出Hv＝367.4(J/g)、CP＝3.66(J/g/K)；
由增压工质饱和蒸汽压压力PG0＝4.58MPa，增压压力最大允许偏差-15％，可得增压工质贮箱压力即增压工质饱和蒸汽压压力允许变化范围为：4.58MPa～3.89MPa，分别查找可得对应温度范围为：288K～281K，则Δt＝288-281＝7(K)。
计算为补偿mv质量增压工质汽化吸热，以保证增压精度而额外增加的冗余质量mc：
mc＝(mv×Hv)÷CP÷Δt
＝(2.41×367.4)÷3.66÷7
＝34.56(g)
(d)最终计算需要注入液化气的质量M：
M＝mp+mv+mc
＝23.50+2.41+34.56
＝60.47(g)
根据液态增压工质的密度ρL＝0.821g/mL计算，增压工质贮箱容积为73.7mL，最高压力为4.58MPa。
若采用传统冷气增压方案，大约需要一个充气压力40MPa的180mL气瓶挤压下游贮箱。由此可见，本发明给出的一种基于液化气的微小型增压系统在增压工质贮箱容积和最高工作压力方面更具优势。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (6)
1.一种基于液化气的微小型增压系统，其特征在于：包括增压工质贮箱(1)、减压阀(2)、热交换器(3)和开关阀(7)；
增压工质贮箱(1)出口通过管路与开关阀(7)入口连接，开关阀(7)出口通过管路与减压阀(2)入口连接，减压阀(2)出口通过管路同时与下游的氧化剂贮箱和燃料贮箱连接；热交换器(3)一端包覆在减压阀(2)出口处的干路管路上；增压工质贮箱(1)中的工质为液化气，开关阀(7)与飞行器控制系统连接；
所述增压系统的增压方法，包括如下步骤：
步骤一，为增压工质贮箱(1)注入液化气作为增压工质；
步骤二，开关阀(7)在飞行器控制系统控制下打开；
步骤三，液化气在自身饱和蒸汽压作用下流入管路，并在减压阀(2)的作用下减压汽化，利用液化气汽化后的体积膨胀挤压下游贮箱中的推进剂，为下游贮箱增压，所述下游贮箱包括氧化剂贮箱和燃料贮箱；
步骤四，汽化降温后的气体接受热交换器(3)的热量补偿后达到下游贮箱工作压力，增压完成后减压阀(2)关闭；
步骤五，当减压阀(2)出口处的压力低于下限时，减压阀(2)开启，向下游贮箱供应增压工质，热交换器同时进行热量补偿，稳定下游贮箱的压力；
步骤六，当下游贮箱压力达到上限时，减压阀(2)关闭，停止供应增压工质；
所述步骤一中，注入液化气的质量M按照如下方法确定：
(a)利用如下公式计算挤空下游贮箱所需要的增压工质质量mp：
mp＝(vY+vR+vC)×ρG+vP×ρL
其中vY表示挤空下游氧化剂贮箱所需的气态增压工质体积；vR表示挤空下游燃料贮箱所需的气态增压工质体积；vC表示减压阀(2)至下游贮箱间的管路的容积；vC表示增压工质贮箱(1)出口至减压阀(2)入口间的管路的容积；ρL表示液态增压工质的密度；ρG表示气态增压工质的密度；
(b)将质量为mp的增压工质挤出增压工质贮箱(1)所需的增压工质质量mv满足：
mv＝mp÷ρL×ρG0
其中ρG0表示增压工质饱和蒸汽压的密度；
(c)为补偿质量为mv的增压工质汽化吸热，以保证增压精度而额外增加的冗余质量mc满足：
mc＝(mv×Hv)÷CP÷Δt
其中Hv表示单位质量液态增压工质汽化需要吸收的热量；CP表示气态增压工质的比热容；Δt表示压力调节精度允许范围内液态增压工质允许的温度波动范围；
(d)注入液化气的质量M满足M＝mp+mv+mc；
所述步骤(a)中，ρG满足：
ρG＝(PG×M0)/(T×R0)
其中PG表示下游贮箱设计工作压力；M0表示增压工质分子量；T表示下游贮箱设计工作温度；R0表示通用气体常数，等于8.314；
所述步骤(b)中，ρG0满足：
ρG0＝(PG0×M0)/(T0×R0)
其中PG0表示增压工质饱和蒸汽压压力；M0表示增压工质分子量；T0表示增压工质贮箱(1)设计工作温度；R0表示通用气体常数，等于8.314。
2.根据权利要求1所述的一种基于液化气的微小型增压系统，其特征在于：在减压阀(2)出口与下游氧化剂贮箱和燃料贮箱连接的管路上设置有安全阀(4)。
3.根据权利要求2所述的一种基于液化气的微小型增压系统，其特征在于：在减压阀(2)出口与安全阀(4)连接的管路上设置有下游压力传感器(5)。
4.根据权利要求1所述的一种基于液化气的微小型增压系统，其特征在于：在增压工质贮箱(1)出口与开关阀(7)入口连接的管路上设置有上游压力传感器(6)。
5.根据权利要求1所述的一种基于液化气的微小型增压系统，其特征在于：热交换器(3)未包覆管路的另一端靠近、贴附或缠绕在周围发热元器件上。
6.根据权利要求1所述的一种基于液化气的微小型增压系统，其特征在于：所述步骤一中，增压工质贮箱能够通过手阀加注液化气或拆卸后通过出口加注液化气然后再连入增压系统。
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