CN109595468A - 一种低温运载火箭冷氦气增压降温输送系统 - Google Patents

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Abstract

一种低温运载火箭冷氦气增压降温输送系统，包括置于液氢贮箱液相内的氦气瓶，氦气瓶出口通过第一、第二节流装置和第一、第二鼓泡装置入口连接；第一鼓泡装置位于液氢贮箱的液相内，第二鼓泡装置位于液氧贮箱的液相内；液氢贮箱的液相出口和发动机的第一入口连接，液氧贮箱的液相出口和发动机的第二入口连接，本发明将绝热节流制冷、鼓泡制冷、鼓泡增压、冷氦气瓶内冷能和压能利用有机地结合在一起，实现了低温运载火箭高效增压输送，推进剂冷却降温的双重效果；可将所需增压气体消耗量大幅减少，所需氦气瓶的数量减小，使运载火箭总的起飞质量下降，有效载荷提高，发射成本进一步降低，其增压降温效果取得的优势更加显著。

Description

一种低温运载火箭冷氦气增压降温输送系统
技术领域
本发明涉及低温运载火箭推进增压输送技术领域，具体涉及一种低温运载火箭冷氦气增压降温输送系统。
背景技术
低温推进剂(如液氢、液氧、液态甲烷等)由于具有无毒、无污染、低成本、高比冲和大推力等优势，成为应用于大型运载火箭最广泛的一组推进剂，其比冲比常温推进剂高30％～40％。然而，低温推进剂只有在可控的贮箱气枕压力下，按照规定的压力和流量将推进剂输送至发动机涡轮泵入口处，才能满足泵的净正抽吸压头要求。通常，低温火箭增压输送方法分为挤压式和涡轮泵式，挤压式输送方法又分为低温介质自身增压和高温氦气增压。挤压式增压输送系统贮箱的增压范围为1～4MPa，涡轮泵式增压输送系统贮箱的增压范围为0.12～0.55MPA，其中增压系统一般占火箭结构总质量的5％～10％。因此，推进增压输送系统是影响火箭、飞行器性能、安全和可靠性的一个重要子系统。
目前，在低温运载火箭上获得大量应用的增压方式是冷氦加热增压技术，即利用氦气作为增压介质，且氦气气瓶浸泡在液氢箱内形成低温高压的氦气，经过减压和加热后用于对贮箱进行增压。虽然氦气加热增压技术已被广泛使用，但仍然存在以下不足：1)贮箱都是带压容器，为了达到增压输送要求，贮箱壁厚就需要相应增加，致使起飞总质量增加；2)贮存在液氢贮箱内的冷量经过加热后，白白浪费，没有更好地利用起来；3)贮存在高压氦气瓶内的压能，通过减压阀后，白白损失；4)高温氦气进入贮箱气枕后，会与推进剂发生热量交换，使推进剂热分层加剧，品质下降，剩余量上升，造成低温推进剂利用率降低。尤其对于低温上面级运载火箭多次启动推进增压系统，如果仍然采用高温氦气增压输运方式，势必造成大量的推进剂为了降温降压而进行大量的排放处理，带走额外的热流，导致推进剂白白浪费。
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一种低温运载火箭冷氦气增压降温输送系统，既能达到增压输送效果，又可降低推进剂温度，可实现低温火箭总起飞重量减轻，有效载荷提升，成本降低，使冷能和压能充分利用。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种低温运载火箭冷氦气增压降温输送系统，包括置于液氢贮箱10内第一液相11中的氦气瓶1，氦气瓶1出口分别和第一节流装置7、第二节流装置8入口连接，第一节流装置7出口和第一鼓泡装置9入口连接，第二节流装置8出口和第二鼓泡装置19入口连接；
第一鼓泡装置9位于液氢贮箱10内第一液相11中，第二鼓泡装置19位于液氧贮箱21内第二液相20中，冷氦气在第一鼓泡装置9和第二鼓泡装置19中形成氦气泡12；
液氢贮箱10的第一液相11出口和发动机26的第一入口连接，液氧贮箱21的第二液相20出口和发动机26的第二入口连接。
所述的氦气瓶1为高压不锈钢氦气瓶或碳纤维复合材料氦气瓶。
所述的第一节流装置7和第二节流装置8为氦气节流阀。
所述的第一鼓泡装置9和第二鼓泡装置19为圆盘形多孔结构。
所述的液氢贮箱10和液氧贮箱21采用聚氨酯发泡保温。
本发明的有益效果：
1)本发明可以将低温推进剂温度降低，使对应的饱和压力下降；2)本发明可以使贮箱设计压力减小，贮箱壁面厚度减薄；3)基于浓度扩散传质进入氦气泡内的推进剂气体被携带到贮箱气枕内，作为增压气体；4)充分利用了高压冷氦气的冷能和压能。本发明既能达到增压输送效果，又可降低推进剂温度，起到增压降温的双重效果，可实现低温火箭总起飞重量减轻，有效载荷提升，成本降低；因为提高低温推进剂品质，会降低其所对应的饱和压力，减小所需增压气体消耗量，减少增压气瓶数量，减薄贮箱壁厚，从而使冷能和压能充分利用。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
参照图1，一种低温运载火箭冷氦气增压降温输送系统，包括置于液氢贮箱10内第一液相11的氦气瓶1，氦气瓶1的入口通过第一管道27和第一阀门2的出口连接，第一阀门2的入口和第二管道28的一端连接，第二管道28的另一端与大气相通，氦气瓶1出口通过第三管道29和第二阀门3的入口连接，第二阀门3的出口通过第四管道30和第三阀门4的入口连接，第三阀门4的出口和第五管道31的入口连接，第五管道31的第一出口和第四阀门5入口连接，第五管道31的第二出口和第五阀门6的入口连接；
第四阀门5出口通过第六管道32和第一节流装置7入口连接，第五阀门6出口通过第七管道33和第二节流装置8入口连接，第一节流装置7出口通过第八管道34和第一鼓泡装置9入口连接，第二节流装置8出口和第九管道35和第二鼓泡装置19入口连接；
第一鼓泡装置9位于液氢贮箱10内的第一液相11中，第二鼓泡装置19位于液氧贮箱21内的第二液相20中，冷氦气在第一鼓泡装置9和第二鼓泡装置19中形成氦气泡12；
液氢贮箱10的第一气相13顶部安装有第六阀门14，液氢贮箱10的第一气相13出口通过第十管道36和第七阀门15入口连接，第七阀门15出口通过第十一管道37和大气相通；液氧在贮箱21的第二气相18顶部安装有第八阀门16，液氧贮箱21的第二气相18通过第十二管道38和第九阀门17入口连接，第九阀门17出口通过第十三管道39和大气相通；
液氢贮箱10的第一液相11入口通过第十八管道44和第十三阀门25出口连接，第十三阀门25入口通过第十九管道45和大气相通；液氧贮箱21的第二液相20入口通过第二十管道46和第十阀门22出口连接，第十阀门22入口通过第二十一管道47和大气相通；
液氢贮箱10的第一液相11出口通过第十六管道42和第十二阀门24入口连接，第十二阀门24出口通过第十四管道40和发动机26的第一入口连接，液氧贮箱21的第二液相20出口通过第十七管道43和第十一阀门23入口连接，第十一阀门23出口通过第十五管道41和发动机26的第二入口连接。
所述的氦气瓶1为高压不锈钢氦气瓶或碳纤维复合材料氦气瓶。
所述的第一阀门2，第二阀门3、第七阀门15、第九阀门17、第十阀门22、第十一阀门23、第十二阀门24、第十三阀门25为冷氦充气卸荷开关，第三阀门4为低温减压阀，第四阀门5和第五阀门6为低温单向阀，第六阀门14和第八阀门16为安全阀。
所述的第一管道27、第二管道28、第三管道29、第四管道30，第五管道31、第六管道32、第七管道33、第八管道34、第九管道35、第十管道36、第十二管道38、第十四管道40、第十五管道41、第十六管道42、第十七管道43、第十八管道44、第十九管道45、第二十管道46、第二十一管道47为高真空多层绝热低温液体管道。
所述的第一节流装置7和第二节流装置8为氦气节流阀。
所述的第一鼓泡装置9和第二鼓泡装置19为圆盘形多孔结构。
所述的液氢贮箱10和液氧贮箱21采用聚氨酯发泡保温。
本发明的工作原理是：
首先打开第十三阀门25，第七阀门15，第十阀门22，第九阀门17，通过移动交通工具将温度处于沸点状态的液氢推进剂从第十九管道45加注于液氢贮箱10内，液氧推进剂从第二十一管道47加注于液氧贮箱21内；打开第一阀门2，将常温高压氦气通入以液氮为冷源的冷氦热交换器冷却至80K后加注于氦气瓶1内；在射前2min时，第一阀门2、第十三阀门25、第七阀门15、第十阀门22、第九阀门17关闭，所有连接器自动脱落。打开第二阀门3、第四阀门5、第五阀门6，将高压冷氦气减压后，流过第一节流装置7和第二节流装置8，根据焦耳-汤姆逊效应可知，连续流动的高压流体，在绝热且不对外作功的情况下通过节流阀急剧膨胀到低压时，会引起温度发生变化，故在此通过控制第一节流装置7和第二节流装置8两端的压力，把冷氦气进一步冷却降温后通入第一鼓泡装置9和第二鼓泡装置19，形成氦气泡12，由于氦气泡12的温度低于液氢和液氧的温度，所以氦气泡12会释放显冷量，带走液氢和液氧内的热量，导致推进剂温度降低，需要说明的是，对于液氧贮箱21，温度降低又充分利用了储存在液氢贮箱10内冷氦气的冷能；根据质量扩散和热力学原理可知，当氦气泡12内的氢分压力和氧分压力为零时，氦气泡12周围的氢分子和氧分子将扩散到氦气泡12内，放出潜冷量，将低温推进剂温度进一步降低，并使氢-氦气泡/氧-氦气泡达到扩散动态平衡时，气泡质量增加，通过浮力移动到各自贮箱气枕内进行增压；打开第十二阀门24、第十一阀门23，将液氢、液氧推进剂输送到发动机26内，进行燃烧，产生推力，同时，液氢贮箱10内第一液相11和液氧贮箱21内第二液相20的液位降低，使液氢贮箱10内第一气相13和液氧贮箱21内第二气相18的压力降低，为保持各自气相压力维持在规定压力下，将压力信号反馈到人工智能控制器内，通过第一节流装置7和第二节流装置8控制冷氦气增压的流量。
本发明将绝热节流制冷、鼓泡制冷、鼓泡增压、冷氦气瓶内冷能和压能利用充分结合在一起，将所需增压气体消耗量减少，所需氦气瓶的数量减小，使运载火箭总的起飞质量下降，有效载荷提高，发射成本进一步降低。

Claims (5)

1.一种低温运载火箭冷氦气增压降温输送系统，包括置于液氢贮箱(10)内第一液相(11)中的氦气瓶(1)，其特征在于：氦气瓶(1)出口分别和第一节流装置(7)、第二节流装置(8)入口连接，第一节流装置(7)出口和第一鼓泡装置(9)入口连接，第二节流装置(8)出口和第二鼓泡装置(19)入口连接；
第一鼓泡装置(9)位于液氢贮箱(10)内第一液相(11)中，第二鼓泡装置(19)位于液氧贮箱(21)内第二液相(20)中，冷氦气在第一鼓泡装置(9)和第二鼓泡装置(19)中形成氦气泡(12)；
液氢贮箱(10)的第一液相(11)出口和发动机(26)的第一入口连接，液氧贮箱(21)的第二液相(20)出口和发动机(26)的第二入口连接。
2.根据权利要求1所述的一种低温运载火箭冷氦气增压降温输送系统，其特征在于：所述的氦气瓶(1)为高压不锈钢氦气瓶或碳纤维复合材料氦气瓶。
3.根据权利要求1所述的一种低温运载火箭冷氦气增压降温输送系统，其特征在于：所述的第一节流装置(7)和第二节流装置(8)为氦气节流阀。
4.根据权利要求1所述的一种低温运载火箭冷氦气增压降温输送系统，其特征在于：所述的第一鼓泡装置(9)和第二鼓泡装置(19)为圆盘形多孔结构。
5.根据权利要求1所述的一种低温运载火箭冷氦气增压降温输送系统，其特征在于：所述的液氢贮箱(10)和液氧贮箱(21)采用聚氨酯发泡保温。
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