CN109723962A - 低温推进剂贮箱、长期在轨集成化低温贮供系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种低温推进剂贮箱、长期在轨集成化低温贮供系统及方法，其中低温推进剂贮箱包括贮箱壳体和设置在贮箱壳体外部的循环泵、焦‑汤阀；贮箱壳体上设有排气管；贮箱壳体内设有竖管和呈辐射状分布在竖管周围的叶片；竖管内设有第一流道和第二流道；竖管一端连接在贮箱壳体内壁上，另一端与第一流道对应位置设有喷射孔；循环泵的进液管道连接在贮箱壳体与竖管之间，出液管道连接在第一流道靠近贮箱壳体一端；焦‑汤阀进口连接在循环泵出液管道上，出口连接在第二流道靠近贮箱壳体一端；第二流道远离焦‑汤阀一端与排气管连通。本申请采用了推进剂管理装置与热力学排气系统集成方案，有效地消除微重力环境下推进剂热分层现象，减少推进剂损耗。
Description
技术领域
本申请属于低温贮供技术领域，具体涉及一种低温推进剂贮箱、长期在轨集成化低温贮供系统及方法。
背景技术
低温推进剂由于其比冲高、无毒无污染、价格相对低廉等特点，成为进入空间及轨道、月球及深空探测航天器的首选推进剂。低温推进剂虽然性能高，但由于沸点低，极易蒸发，难以贮存。航天器在空间由于受到太阳辐射、地球红外辐射、行星反照等空间热环境的影响，在飞行过程中，为了保证推进剂贮箱的安全，需要将蒸发的气态推进剂排出贮箱外，导致推进剂的浪费以及干扰飞行姿态。同时，在航天器变轨、机动、轨道保持等飞行过程中，微重力环境下推进剂分层和不定向问题严重。因此为长期在轨低温推进剂供应系统的设计和使用带来了难题，从而极大地限制了低温推进剂在空间长期在轨飞行任务中的应用。
目前，该类航天器的普遍采用多层隔热材料+冷却屏+推进剂管理装置的方案，一方面减少推进剂的蒸发，另一方面完成推进剂捕获，一定程度上能解决低温推进在空间长期在轨使用的问题，但仍不可避免的损失有效推进剂，降低增压气体的利用率。
发明内容
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种低温推进剂贮箱、长期在轨集成化低温贮供系统及方法。
第一方面，本申请提供一种低温推进剂贮箱，包括外周包裹有隔热材料的贮箱壳体和设置在贮箱壳体外部的循环泵、焦-汤阀；贮箱壳体上设有排气管；贮箱壳体内设有竖管和呈辐射状分布在竖管周围的叶片；竖管内设有第一流道和第二流道；竖管一端连接在贮箱壳体内壁上，另一端与第一流道对应位置设有喷射孔；循环泵的进液管道连接在贮箱壳体与竖管之间，出液管道连接在第一流道靠近贮箱壳体一端；焦-汤阀进口连接在循环泵出液管道上，出口连接在第二流道靠近贮箱壳体一端；第二流道远离焦-汤阀一端与排气管连通。
竖管与叶片组成推进剂管理装置；当贮箱处于背阳面时，循环泵在推进剂管理装置与贮箱壳体之间的位置抽取液态推进剂，进入竖管内部第一流道，一部分通过竖管顶部的喷射孔喷出，另一部分通过叶片重新排入推进剂管理装置与贮箱壳体之间的位置，达到消除推进热分层，控制液氢蒸发量的目的。当贮箱处于向阳面时，循环泵在推进剂管理装置与贮箱壳体之间的位置抽取液态推进剂，一部分液态推进剂进入竖管内部第一流道，另一部分液态推进剂经过液氢焦-汤阀进行热力学膨胀产生低温气态推进剂，并进入竖管内部第二流道，与第一流道以及叶片内液体进行热交换，吸收热量后自身温度升高，并通过排气管排出液氢贮箱以外。本申请采用了推进剂管理装置与热力学排气系统集成方案，能够有效地消除微重力环境下推进剂热分层现象，减少推进剂损耗，同时实现推进剂不夹气供应和贮箱压力控制。
优选的，竖管为中空夹层结构；第一流道为位于竖管轴心的中心流道，第二流道为位于夹层内的侧面流道。用于传输低温气态推进剂的第二流道呈环形包裹在第一流道外周，使得第二流道内的低温气态推进剂与第一流道内以及叶片内的液态推进剂有较大的换热面积，便于热交换；同时，中空夹层结构的竖管结构较为简单，制造成本较低，对内部流体的阻力也较小。
优选的，竖管内设有与叶片数量相同的第二流道；第二流道均匀分布在竖管靠近边缘位置，与叶片间隔排列；各个第二流道通过靠近焦-汤阀一端的环形管相连通；第二流道外壁与竖管内壁包围部分形成第一流道。如此设置使得第二流道内的低温气态推进剂与第一流道内以及叶片内的液态推进剂有更大的换热面积，热交换效果更好。
优选的，叶片内设有与第一流道连通的循环流道。便于第一流道内的液态推进剂流回贮箱壳体与竖管之间。
优选的，排气管上设有泄压阀。
第二方面，本申请还提供一种长期在轨集成化低温贮供系统，包括燃料电池和两个上述贮箱；两个贮箱分别用于贮存液氢和液氧；两个贮箱的排气管排出的气氢和气氧为燃料电池的工质。
第三方面，本申请还提供一种上述长期在轨集成化低温贮供系统的低温贮供方法，包括以下步骤：
启动循环泵，自贮箱壳体与竖管之间抽取液氢/液氧，输入至第一流道；一部分液氢/液氧通过喷射孔喷出，另一部分通过位于叶片内部的循环流道重新排入贮箱壳体与竖管之间。
启动循环泵，自贮箱壳体与竖管之间抽取液氢/液氧；一部分液氢/液氧输入至第一流道，另一部分液氢/液氧经焦-汤阀进行热力学膨胀产生低温气氢/低温气氧；低温气氢/低温气氧进入第二流道，与第一流道和循环流道内的液体进行热交换，吸收热量后自身温度升高，再通过排气管排出贮箱外；分别自两个贮箱排出的气氢和气氧成为燃料电池的工质。
第四方面，本申请还提供一种包括上述低温推进剂贮箱的航天器。
第五方面，本申请还提供一种包括上述长期在轨集成化低温贮供系统的航天器。
本申请具有的优点和积极效果是：本申请采用了推进剂管理装置与热力学排气系统集成方案，共同实现推进剂捕获和贮箱压力控制。本申请能够有效地消除微重力环境下推进剂热分层现象，减少推进剂损耗，同时实现推进剂不夹气供应和贮箱压力控制。
除了上面所描述的本申请解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的优点之外，本申请所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征所带来的优点，将在下文中结合附图作进一步详细的说明。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本申请实施例1提供的低温推进剂贮箱结构示意图；
图2为本申请实施例2提供的低温推进剂贮箱中的竖管截面结构示意图；
图3为本申请实施例3提供的长期在轨集成化低温贮供系统结构示意图。
图中：1、隔热材料；2、贮箱壳体；3、循环泵；4、焦-汤阀；5、泄压阀；6、竖管；7、叶片；8、第一流道；9、第二流道；10、循环流道；11、环形管；12、燃料电池。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
实施例1
请参考图1，本实施例提供一种低温推进剂贮箱，包括外周包裹有多层隔热材料1的贮箱壳体2和设置在贮箱壳体2外部的循环泵3、焦-汤阀4。贮箱壳体2上设有排气管，排气管上设有泄压阀5。贮箱壳体2内设有推进剂管理装置，推进剂管理装置包括竖管6和呈辐射状分布在竖管6周围的叶片7。竖管6和叶片7共同实现推进剂的捕获功能，使液态推进剂始终处于推进剂管理装置与贮箱壳体2之间。竖管6为中空夹层结构，设有第一流道8和第二流道9；第一流道8为位于竖管6轴心的中心流道，第二流道9为位于夹层内的侧面流道。竖管6一端连接在贮箱壳体2内壁上，另一端与第一流道8对应位置设有喷射孔。叶片7内设有与第一流道8连通的循环流道10，循环流道10连通至贮箱壳体2与推进剂管理装置之间的空间。循环泵3的进液管道连接在贮箱壳体2与竖管6之间，出液管道连接在第一流道8靠近贮箱壳体2一端；焦-汤阀4进口连接在循环泵3出液管道上，出口连接在第二流道9靠近贮箱壳体1一端；第二流道9远离焦-汤阀4一端与排气管连通。
叶片为一种轮廓为多段圆弧和样条曲线组成的具有一定厚度的金属材料板片。叶片为中空结构，内部布置了与竖管内部中心流道联通的内部循环流道，叶片内部流道一方面用于将推进剂排入推进剂管理装置与贮箱壳体之间位置，消除推进剂热分层，控制推进剂蒸发量；另一方面用于与经过焦-汤阀热力学膨胀产生的低温气体推进剂进行热交换，降低饱和蒸气压，控制推进剂蒸发量。竖管为一种上宽下窄的倒锥角形的金属材料中空夹层结构，内部中心流道流通液体推进剂，夹层之间为内部旁路通道流通经焦-汤阀热力学膨胀后的低温气体推进剂。
当贮箱处于背阳面时，循环泵在推进剂管理装置与贮箱壳体之间的位置抽取液态推进剂，进入竖管内部第一流道，一部分通过竖管顶部的喷射孔喷出，另一部分通过叶片重新排入推进剂管理装置与贮箱壳体之间的位置，达到消除推进热分层，控制液氢蒸发量的目的。当贮箱处于向阳面时，循环泵在推进剂管理装置与贮箱壳体之间的位置抽取液态推进剂，一部分液态推进剂进入竖管内部第一流道，另一部分液态推进剂经过液氢焦-汤阀进行热力学膨胀产生低温气态推进剂，并进入竖管内部第二流道，与第一流道以及叶片内液体进行热交换，吸收热量后自身温度升高，并通过排气管排出液氢贮箱以外。本申请采用了推进剂管理装置与热力学排气系统集成方案，能够有效地消除微重力环境下推进剂热分层现象，减少推进剂损耗，同时实现推进剂不夹气供应和贮箱压力控制。
实施例2
本实施例提供一种低温推进剂贮箱，除竖管结构之外的部分与实施例1相同，相同部分不再赘述。
请参考图2，在本实施例中，竖管6内设有与叶片7数量相同的第二流道9；第二流道9均匀分布在竖管6靠近边缘位置，与叶片7间隔排列；各个第二流道9通过靠近焦-汤阀4一端的环形管10相连通；第二流道9外壁与竖管6内壁包围部分形成第一流道8。如此设置使得第一流道与第二流道接触面积更大，即使得第二流道内的低温气态推进剂与第一流道内以及叶片内的液态推进剂有更大的换热面积，热交换效果更好。
实施例3
本实施例提供一种长期在轨集成化低温贮供系统，包括燃料电池12和两个上述实施例1或实施例2中的贮箱；两个贮箱分别用于贮存液氢和液氧；两个贮箱的排气管排出的气氢和气氧为燃料电池12的工质。
本实施例还提供一种上述长期在轨集成化低温贮供系统的低温贮供方法，包括以下步骤：
当贮箱处于背阳面时，循环泵自贮箱壳体与竖管之间抽取液氢/液氧，输入至第一流道；一部分液氢/液氧通过喷射孔喷出，另一部分通过位于叶片内部的循环流道重新排入贮箱壳体与竖管之间。
当贮箱处于向阳面时，循环泵自贮箱壳体与竖管之间抽取液氢/液氧；一部分液氢/液氧输入至第一流道，另一部分液氢/液氧经焦-汤阀进行热力学膨胀产生低温气氢/低温气氧；低温气氢/低温气氧进入第二流道，与第一流道和循环流道内的液体进行热交换，吸收热量后自身温度升高，再通过排气管排出贮箱外；分别自两个贮箱排出的气氢和气氧成为燃料电池的工质。
系统工作时，通过用于贮存液氢的贮箱上连接的泄压阀排出的气氢，与从用于贮存液氧的贮箱内部通过泄压阀排出的气氧，成为燃料电池的工质，提供电力输出，驱动两个贮箱上连接的循环泵。循环泵抽取推进剂管理装置与贮箱壳体之间的液体推进剂，一部分液体推进剂进入第一流道，另一部分液体推进剂经过焦-汤阀进行热力学膨胀产生低温气体推进剂，并进入第二流道，与第一流道以及循环流道的液体进行热交换。
此外，本申请还提供一种包括上述低温推进剂贮箱的航天器的实施例。
本申请还提供一种包括上述长期在轨集成化低温贮供系统的航天器的实施例。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
Claims (10)
1.一种低温推进剂贮箱，其特征在于，包括外周包裹有隔热材料的贮箱壳体和设置在贮箱壳体外部的循环泵、焦-汤阀；所述贮箱壳体上设有排气管；所述贮箱壳体内设有竖管和呈辐射状分布在所述竖管周围的叶片；所述竖管内设有第一流道和第二流道；所述竖管一端连接在所述贮箱壳体内壁上，另一端与所述第一流道对应位置设有喷射孔；所述循环泵的进液管道连接在所述贮箱壳体与竖管之间，出液管道连接在所述第一流道靠近所述贮箱壳体一端；所述焦-汤阀进口连接在所述循环泵出液管道上，出口连接在所述第二流道靠近所述贮箱壳体一端；所述第二流道远离所述焦-汤阀一端与所述排气管连通。
2.根据权利要求1所述的低温推进剂贮箱，其特征在于，所述竖管为中空夹层结构；所述第一流道为位于所述竖管轴心的中心流道，所述第二流道为位于夹层内的侧面流道。
3.根据权利要求1所述的低温推进剂贮箱，其特征在于，所述竖管内设有与所述叶片数量相同的第二流道；所述第二流道均匀分布在所述竖管靠近边缘位置，与所述叶片间隔排列；各个所述第二流道通过靠近所述焦-汤阀一端的环形管相连通；所述第二流道外壁与所述竖管内壁包围部分形成所述第一流道。
4.根据权利要求1所述的低温推进剂贮箱，其特征在于，所述叶片内设有与所述第一流道连通的循环流道。
5.根据权利要求1所述的低温推进剂贮箱，其特征在于，所述排气管上设有泄压阀。
6.一种长期在轨集成化低温贮供系统，其特征在于，包括燃料电池和两个如权利要求1-5任一项所述的贮箱；两个所述贮箱分别用于贮存液氢和液氧；两个所述贮箱的排气管排出的气氢和气氧为所述燃料电池的工质。
7.一种如权利要求6所述的长期在轨集成化低温贮供系统的低温贮供方法，其特征在于，包括以下步骤：
启动所述循环泵，自所述贮箱壳体与竖管之间抽取液氢/液氧，输入至所述第一流道；一部分液氢/液氧通过所述喷射孔喷出，另一部分通过位于所述叶片内部的循环流道重新排入所述贮箱壳体与竖管之间。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
启动所述循环泵，自所述贮箱壳体与竖管之间抽取液氢/液氧；一部分液氢/液氧输入至所述第一流道，另一部分液氢/液氧经焦-汤阀进行热力学膨胀产生低温气氢/低温气氧；低温气氢/低温气氧进入所述第二流道，与所述第一流道和循环流道内的液体进行热交换，吸收热量后自身温度升高，再通过排气管排出贮箱外；分别自两个贮箱排出的气氢和气氧成为燃料电池的工质。
9.一种包括权利要求1-5任一项低温推进剂贮箱的航天器。
10.一种包括权利要求6所述的长期在轨集成化低温贮供系统的航天器。
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