CN108854166B - 一种基于金属网幕两侧压力联动的空间液体获取装置 - Google Patents

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Abstract

一种基于金属网幕两侧压力联动的空间液体获取装置，包括外部包裹有绝热材料层的低温燃料贮箱，低温燃料贮箱的内部设有金属网幕通道，金属网幕通道构成壁面的一部分由金属网幕组成；金属网幕通道的底部出口管路伸出低温燃料贮箱外，并连接有液体泄流阀，金属网幕通道的顶部通过第一压力引管、第一连接阀和装有移动活塞的压力平衡腔的有杆腔连通，移动活塞的有杆腔一侧通过弹簧和弹簧调节螺栓连接，弹簧调节螺栓安装在压力平衡腔上；压力平衡腔的无杆腔通过第二压力引管、第二连接阀和低温燃料贮箱的顶部连通；本发明通过在金属网幕两侧建立压力联动变化机制，保证最大限度的利用金属网幕两侧压差驱动液相的空间获取，增大液体获取效率。

Description

一种基于金属网幕两侧压力联动的空间液体获取装置
技术领域
本发明属于液氢燃料贮箱在轨气液分离技术领域，具体涉及一种基于金属网幕两侧压力联动的空间液体获取装置。
背景技术
微重力下液氢的气液分离与纯液氢获取技术是实现低温航天未来发展的关键技术之一，利用表面张力实现气液分离最具发展潜力，表面张力式分离方案主要包括板式贮箱与金属网幕通道式液体获取装置(LAD)。
板式贮箱可用于常温推进剂在微重力下的气液分离，但用于低温推进剂，尤其是表面张力极低的氢分离时，效果不佳。为此，NASA开发了基于金属网幕通道的LAD，金属网幕采用微米级别的不锈钢丝按照“织布”的形式经纬相织布置，形成微米级别的微孔；在网幕两侧压差的驱动下，液体将通过微孔进入LAD通道，而将气体阻隔，从而实现全液体获取。在金属网幕LAD有效工作范围内，随着网幕两侧压差的增大，液相汲取速率增加；但当两侧压力达到某一临界压差时，金属网幕隔绝气液相流的能力被破坏，气相也将穿过网幕，造成无法实现气液相的有效分离，定义这一临界压差为“起泡压力”。起泡压力越高，网幕通道实现大流量液体获取与宽范围压力适应的能力越强。
网幕通道的分离能力主要取决于网幕的微观尺度与流体物性，在一个大气压下，氢表面张力仅是氮的22％、是氧与甲烷的15％，造成金属网幕用于氢的气液分离时对应的起泡压力较低，分离效能不佳。已有研究表明，同样结构的金属网幕，实现氮、氧、甲烷分离时的起泡压力约3000～5000Pa，而氢的起泡压力仅有500～800Pa。
采用金属网幕通道LAD开展微重力气液分离时，必须建立网幕通道两侧的工作压差。在实际操作中，低温贮箱的压力、通道内压力均可能随着过程的进行而波动。箱内压力降低或通道内压力升高，引起驱动压差降低而减弱液体获取效率，箱内压力升高或通道内压力降低，则可能超过起泡压力，导致网幕通道LAD工作失效。为此，为了实现气液分离的有效进行，往往会留有较大的冗余，即通过牺牲液体获取效率来换取气液分离的稳定性。
在金属网幕两侧间建立压力联动机制以实现网幕通道LAD高效液相获取目前国内外无公开报道。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种基于金属网幕两侧压力联动的空间液体获取装置，可实现网幕两侧压力联动变化，有利于增大液体获取效率，并提高抗压力波动的能力。
一种基于金属网幕两侧压力联动的空间液体获取装置，包括外部包裹有绝热材料层2的低温燃料贮箱1，低温燃料贮箱1的内部设有金属网幕通道4，金属网幕通道4构成壁面的一部分由金属网幕5组成；金属网幕通道4的底部出口管路伸出低温燃料贮箱1外，并连接有液体泄流阀3，金属网幕通道4的顶部通过第一压力引管8、第一连接阀6和装有移动活塞11的压力平衡腔10的有杆腔连通，移动活塞11的有杆腔一侧通过弹簧13和弹簧调节螺栓12连接，弹簧调节螺栓12安装在压力平衡腔10上；压力平衡腔10的无杆腔通过第二压力引管9、第二连接阀7和低温燃料贮箱1的顶部连通。
所述的低温燃料贮箱1壁面材料为不锈钢、铝合金或聚合物基复合材料。
所述的绝热材料层2由聚氨酯发泡层、多层绝热材料层MLI或二者组合构成，发泡层为喷涂聚氨酯硬质泡沫塑料，MLI由单面镀铝、镀金或双面镀铝、镀金聚酯膜构成，或由单面或双面金属薄膜、非金属间隔相间构成。
所述的液体泄流阀3材质为铜或不锈钢金属。
所述的金属网幕通道4为中空结构，材质为铝合金、不锈钢或铜等金属；金属网幕通道4置于箱内时采用单通道布置或多通道并联布置；通道截面为圆形、椭圆形或多边形，采用直通道或弯曲通道。
所述的金属网幕5采用直径在mm～μm级的不锈钢、铝合金、铜丝按照“织布”的方式经纬相交构成，形成的空隙在μm量级；金属网幕5面向箱壁布置或面向流体布置。
所述的第一压力引管8、第二压力引管9采用金属毛细单管或杜瓦管，保证在工作区内气液界面始终位于压力引管内；第一压力引管8、第二压力引管9、第一连接阀6、第二连接阀7均采用绝热处理。
所述的压力平衡腔10腔体采用金属或非金属材质，腔体结构为柱形或其他回转结构，填充气体为氦气、氮气或与箱内气体同质。
所述的移动活塞11采用无变形的金属、非金属材质，或采用挠性隔膜替代移动活塞11，挠性隔膜在两侧压差驱动下膨胀变形以改变两侧容积与压力；采用挠性隔膜时，压力平衡腔10两侧预设压差由填充气体的量控制。
本发明的有益效果为：
本发明通过在金属网幕5两侧建立压力联动变化机制，可以保证金属网幕5用于液体推进剂空间获取时，操作压力可在靠近金属网幕5起泡压力点附近工作，从而最大限度的利用金属网幕5两侧压差驱动液相的空间获取，也有利于平衡金属网幕5两侧压力波动对气液分离效能的影响。本发明实现金属网幕5两侧压力联动变化，有利于增大液体获取效率，并提高该装置抗压力波动的能力；结构简单、可靠性较高，金属网幕5两侧压差自动平衡，无需外接动力的引入，且金属网幕5两侧预设压力可调，从而可根据需求设定金属网幕5的工作压差，对于低温燃料空间应用具有重要价值。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细描述。
如图1所示，一种基于金属网幕两侧压力联动的空间液体获取装置，包括外部包裹有绝热材料层2的低温燃料贮箱1，绝热材料层2降低空间辐射热侵，低温燃料贮箱1的内部设有金属网幕通道4，金属网幕通道4作为液体贮存与传输通道，金属网幕通道4构成壁面的一部分由金属网幕5组成；金属网幕通道4的底部出口管路伸出低温燃料贮箱1外，并连接有液体泄流阀3，经过金属网幕通道4获取的低温推进剂自液体泄流阀3排出；金属网幕通道4的顶部通过第一压力引管8、第一连接阀6和装有移动活塞11的压力平衡腔10的有杆腔连通，移动活塞11的有杆腔一侧通过弹簧13和弹簧调节螺栓12连接，弹簧调节螺栓12安装在压力平衡腔10上；压力平衡腔10的无杆腔通过第二压力引管9、第二连接阀7和低温燃料贮箱1的顶部连通；第一连接阀6、第二连接阀7根据气液分离的操作要求控制压力引管的通断。
所述的低温燃料贮箱1壁面材料为不锈钢、铝合金或聚合物基复合材料，适用于填充液氢、液氧、液态甲烷、液氮或液氦。
所述的绝热材料层2由聚氨酯发泡层、多层绝热材料层MLI或二者组合构成，发泡层为喷涂聚氨酯硬质泡沫塑料，MLI由单面镀铝、镀金或双面镀铝、镀金聚酯膜构成，或由单面或双面金属薄膜、非金属间隔相间构成。
所述的液体泄流阀3材质为铜或不锈钢金属，耐低温，可连续调节开度或双位调节。
所述的金属网幕通道4为中空结构，材质为铝合金、不锈钢或铜等金属；金属网幕通道4置于箱内时采用单通道布置或多通道并联布置；通道截面为圆形、椭圆形或多边形，采用直通道或弯曲通道。
所述的金属网幕5采用直径在mm～μm级的不锈钢、铝合金、铜丝按照“织布”的方式经纬相交构成，形成的空隙在μm量级；金属网幕5面向箱壁布置或面向流体布置。
所述的第一压力引管8、第二压力引管9采用金属毛细单管或杜瓦管；长度较长，保证在工作区内气液界面始终位于压力引管内；第一压力引管8、第二压力引管9、第一连接阀6、第二连接阀7均采用绝热处理。
所述的压力平衡腔10腔体采用金属或非金属材质，腔体结构为柱形或其他回转结构，填充气体为氦气、氮气或与箱内气体同质。
所述的移动活塞11采用无变形的金属、非金属材质，工作时，通过移动活塞11在压力平衡腔10内的运动来改变两侧容积与压力；或采用挠性隔膜替代移动活塞11，挠性隔膜在两侧压差驱动下膨胀变形以改变两侧容积与压力；采用挠性隔膜时，压力平衡腔10两侧预设压差由填充气体的量控制。
本发明的工作原理如下：
当采用金属网幕通道4获取全液相燃料时，必须在金属网幕5两侧建立合适的压差，压差太小，影响液体推进剂的正常传输，压力太大，超过金属网幕5的起泡压力时，低温燃料贮箱1内的气液两相均会通过金属网幕5，从而达不到气液相分离的目的。为了确保金属网幕5两侧压力满足输液要求，而不至于突破金属网幕5的起泡压力，将低温燃料贮箱1与金属网幕通道4的压力分别经第一压力引管8、第二压力引管9引至压力平衡腔10的两个独立空间内，压力引管的通断分别由第一连接阀6、第二连接阀7控制。当需要液体获取装置运行时，第一连接阀6、第二连接阀7开启，确保压力平衡腔10两个独立空间的压力分别反应低温燃料贮箱1压力、金属网幕通道4内压力。金属网幕5两侧压差由弹簧调节螺栓12调节弹簧13获得，弹簧13预紧力根据金属网幕5工作压力确定，确保在液体获取操作中弹簧13作用力小于金属网幕5的起泡压力。在液体获取操作过程中，当低温燃料贮箱1压力升高时，移动活塞11将向压紧弹簧13的方向运动，压缩金属网幕通道4对应的平衡腔空间，引起该侧压力相应升高。当低温燃料贮箱1压力降低时，移动活塞11将向相反方向移动，金属网幕通道4侧压力相应降低，实现金属网幕5两侧压力的联动变化，确保液体获取压差始终小于金属网幕5的起泡压力。

Claims (7)

1.一种基于金属网幕两侧压力联动的空间液体获取装置，包括外部包裹有绝热材料层(2)的低温燃料贮箱(1)，低温燃料贮箱(1)的内部设有金属网幕通道(4)，金属网幕通道(4)构成壁面的一部分由金属网幕(5)组成；金属网幕通道(4)的底部出口管路伸出低温燃料贮箱(1)外，并连接有液体泄流阀(3)，其特征在于：金属网幕通道(4)的顶部通过第一压力引管(8)、第一连接阀(6)和装有移动活塞(11)的压力平衡腔(10)的有杆腔连通，移动活塞(11)的有杆腔一侧通过弹簧(13)和弹簧调节螺栓(12)连接，弹簧调节螺栓(12)安装在压力平衡腔(10)上；压力平衡腔(10)的无杆腔通过第二压力引管(9)、第二连接阀(7)和低温燃料贮箱(1)的顶部连通；
所述的金属网幕(5)采用直径在mm～μm级的不锈钢、铝合金、铜丝按照“织布”的方式经纬相交构成，形成的空隙在μm量级；金属网幕(5)面向箱壁布置或面向流体布置；
所述的移动活塞(11)采用无变形的金属、非金属材质，或采用挠性隔膜替代移动活塞(11)，挠性隔膜在两侧压差驱动下膨胀变形以改变两侧容积与压力；采用挠性隔膜时，压力平衡腔(10)两侧预设压差由填充气体的量控制。
2.根据权利要求1所述的一种基于金属网幕两侧压力联动的空间液体获取装置，其特征在于：所述的低温燃料贮箱(1)壁面材料为不锈钢、铝合金或聚合物基复合材料。
3.根据权利要求1所述的一种基于金属网幕两侧压力联动的空间液体获取装置，其特征在于：所述的绝热材料层(2)由聚氨酯发泡层、多层绝热材料层MLI或二者组合构成，发泡层为喷涂聚氨酯硬质泡沫塑料，MLI由单面镀铝、镀金或双面镀铝、镀金聚酯膜构成，或由单面或双面金属薄膜、非金属间隔相间构成。
4.根据权利要求1所述的一种基于金属网幕两侧压力联动的空间液体获取装置，其特征在于：所述的液体泄流阀(3)材质为铜或不锈钢金属。
5.根据权利要求1所述的一种基于金属网幕两侧压力联动的空间液体获取装置，其特征在于：所述的金属网幕通道(4)为中空结构，材质为铝合金、不锈钢或铜金属；金属网幕通道(4)置于箱内时采用单通道布置或多通道并联布置；通道截面为圆形、椭圆形或多边形，采用直通道或弯曲通道。
6.根据权利要求1所述的一种基于金属网幕两侧压力联动的空间液体获取装置，其特征在于：所述的第一压力引管(8)、第二压力引管(9)采用金属毛细单管或杜瓦管，保证在工作区内气液界面始终位于压力引管内；第一压力引管(8)、第二压力引管(9)、第一连接阀(6)、第二连接阀(7)均采用绝热处理。
7.根据权利要求1所述的一种基于金属网幕两侧压力联动的空间液体获取装置，其特征在于：所述的压力平衡腔(10)腔体采用金属或非金属材质，腔体结构为柱形或其他回转结构，填充气体为氦气、氮气或与箱内气体同质。
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