CN109733644B - 一种低温推进剂空间在轨挤压分离的热力学排气系统 - Google Patents

Abstract

一种低温推进剂空间在轨挤压分离的热力学排气系统，包括低温推进剂贮箱，低温推进剂贮箱出口通过阀门与贮箱内挤压分离件中的带孔管道入口连接；贮箱的氦气入口通过阀门和氦气增压罐出口连接，贮箱的氦气出口通过阀门与真空环境相通；挤压分离件出口分成两股流，一股流进入通过管道进入低温推进剂贮箱内套管式换热器的内侧管，另一股流经节流阀后通过管道进入低温推进剂贮箱内套管式换热器的外侧管，第一股流体经第二股流体吸收热量后与喷射管路连接，本发明通过采用挤压分离和太空背景真空环境的利用来代替小型低温液体泵的功能，实现对空间在轨低温推进剂贮箱压力的有效管理，使控压系统变得更轻、更简单、更可靠。

Description

一种低温推进剂空间在轨挤压分离的热力学排气系统

技术领域

本发明涉及低温推进剂空间贮存技术领域，具体涉及一种低温推进剂空间在轨挤压分离的热力学排气系统。

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，低温推进剂空间在轨贮存期间，由于外界热侵持续不断地漏入，即使采用目前最先进的低温绝热技术，也无法避免热量侵入而导致的推进剂温度升高，进而气化，造成贮箱压力持续升高。为了保障贮箱气枕压力始终处于设计压力以下，则需要对贮箱进行主动压力控制。在地面环境下，推进剂气液两相可依靠重力作用实现良好分层，通过贮箱顶部开孔的方式，则可有效控制贮箱气枕压力。但在微重力环境下，由于重力的减弱使其在地面上的次级效应(如表面张力效应)凸显出来，此时在表面张力、流体内部的压力以及接触角共同作用下，气液两相之间会形成特有的弯曲自由面，维持流体的位形，不过流体位形处于不稳定状态，极容易发生变化，且不再有明显的气液分层状态，气相有可能接触排液口导致带气排液，因此低温推进剂空间在轨贮存期间，控制贮箱压力就不能跟地面环境处理方式一样，通过一个简单的顶部开孔就可以达到要求，而是需要对贮箱内低温流体进行综合管理。

目前，空间在轨环境下低温推进剂贮箱内压力控制有两种技术形式：被动技术和主动技术。被动技术主要包括包裹变密度多层绝热材料、安装冷屏和挡热板等，然而随着在轨运行时间的不断延长，即使采用最先进的被动绝热技术也无法避免热量的侵入，因此对于低温推进剂长期空间在轨贮运来说，仍需要采用主动控压技术。主动技术主要包括：小型制冷机冷却降温系统、混合搅拌、沉底直接排放系统、热力学排气系统(TVS)等。通过前期国内外研究人员大量的研究表明：TVS是一种最具潜力的主动控压技术。美国NASA搭建了第一套TVS系统，工质为液氢，原理性地验证了试验系统的可行性，即通过小型低温泵将贮箱低温流体引出，分为两股流体，一股流体流过节流阀形成气液混合状态，流过套管式换热器内与另一股主流流体换热后排放到太空环境。节流后的流体由于相变吸热，温度降低，产生的冷量传递给主流流体，主流流体降温后经过喷雾棒再喷入贮箱内部，通过喷入流体的搅拌、冷量输入和气体排放三种综合方式来控制贮箱内压力。随后我国也搭建了两套TVS系统，都取得了一定的研究成果。然而，通过试验和计算研究发现，TVS系统仍然具有以下不足：需要一套低温液体获取装置，以保障进入小型低温泵入口内的流体为不夹气的液体，会使整个系统更加复杂，可靠性降低，整体质量加重；需要一个小型低温液体泵，动设备的添加会使整个系统性能更加不可靠，不确定性因素更多，以及需要额外的能源来驱动。

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推进剂空间在轨挤压分离的热力学排气系统，实现对空间在轨低温推进剂贮箱压力的有效管理，使控压系统变得更轻、更简单、更可靠。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种低温推进剂空间在轨挤压分离的热力学排气系统，包括低温推进剂贮箱1，低温推进剂贮箱1出口通过第一阀门2与贮箱5内挤压分离件7中的带孔管道6入口连接；贮箱5的氦气入口通过第二阀门4和氦气增压罐3出口连接，贮箱5的氦气出口i通过第三阀门8与真空环境相通；

挤压分离件7出口分成两股流，一股流体流入管道on进入低温推进剂贮箱1内套管式换热器10的内侧管，另一股流体经节流阀9后通过管道qr进入低温推进剂贮箱1内套管式换热器10的外侧管，管道qr通过背压孔口12与真空环境相通，在套管式换热器10内管道qr和管道on的接触段，管道qr为环绕管道on的环状管道；

低温推进剂贮箱1内的喷射管路11包括管道ns和管道nt，管道ns的n端与管道on的n端相连，管道ns的s端为喷射管路11的终点；管道nt的n端与管道on的n端相连，管道nt的t端为喷射管路11的终点。

所述的第一阀门2、第二阀门4和第三阀门8为低温截止阀。

所述的贮箱5为低温贮箱，其绝热方式为高真空多层绝热。

所述的氦气增压罐3为低温贮罐，其绝热方式为高真空多层绝热。

所述的挤压分离件7为金属囊式容器或金属隔膜式容器。

所述的节流阀9为低温节流阀。

所述的套管式换热器10为低温换热器。

所述的喷射管路11为金属多孔结构。

本发明的有益效果：

本发明通过采用挤压分离和太空背景真空环境的利用来代替小型低温液体泵的功能，降低了由动力机械带来的一系列不稳定性问题和不需要额外的提供动力能源，且不需要再添加一套空间在轨低温液体获取装置，使整个系统的性能更加稳健，系统重量更轻，技术成熟度更高，同时又能满足TVS控压的基本要求，为低温推进剂的在空间轨管理提供了新思路和技术支持。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来进一步说明本发明的技术方案。

参照图1，一种低温推进剂空间在轨挤压分离的热力学排气系统，包括低温推进剂贮箱1，低温推进剂贮箱1出口与管道ab的a端连接，管道ab的b端与第一阀门2入口连接，第一阀门2出口和管道cd的c端连接，管道cd的d端与贮箱5内挤压分离件7中的带孔管道6入口连接；第一阀门2为低温截止阀，当第一阀门2打开时，从低温推进剂贮箱1出口排出的低温推进剂进入贮箱5内挤压分离件7中，挤压分离件7为金属囊式容器或金属隔膜式容器；

贮箱5的氦气入口和管道gh的h端连接，管道gh的g端和第二阀门4出口连接，第二阀门4入口和管道ef的f端连接，管道ef的e端和氦气增压罐3出口连接，氦气增压罐3为低温贮罐，高压的氦气贮存于氦气增压罐3中，贮箱5为低温贮箱，第二阀门4为低温截止阀，当第二阀门4打开时，从氦气增压罐3排出的高压氦气进入贮箱5内；贮箱5的氦气出口i和第三阀门8入口连接，第三阀门8出口和管道jk的j端连接，管道jk的k端与真空环境相通，第三阀门8为低温截止阀，当第三阀门8打开时，贮箱5中的氦气通过管道jk进入真空环境；

挤压分离件7出口和管道mo的m端连接，管道mo的o端分成两股流，即管道on和管道op，管道on的n端为低温推进剂贮箱1内套管式换热器10的内侧管的最顶端，管道op的p端与节流阀9入口相连，节流阀9的出口和管道qr的q端连接，管道qr进入低温推进剂贮箱1内套管式换热器10的外侧管，管道qr的r端与背压孔口12的入口相连，背压孔口12的出口和管路uv的u端连接，管路uv的v端与真空环境相通；节流阀9为低温节流阀，节流阀9作用是通过压降，获取制冷量；温度和压力较高的低温推进剂经节流阀9后降温降压成温度较低的低温推进剂，经管道qr进入低温推进剂贮箱1的套管式换热器10内与管道on接触后进行热量交换，

在管道qr和管道on的接触段，管道qr为环绕管道on的环状管道，当背压孔口12打开时，此路节流换热后的流体自背压孔口12排出；

低温推进剂贮箱1内的喷射管路11包括管道ns和管道nt，管道ns的n端与管道on的n端相连，管道ns的s端为喷射管路11的终点；管道nt的n端与管道on的n端相连，管道nt的t端为喷射管路11的终点。喷射管路11为金属多孔结构，从n端流至喷射管路11中的推进剂由喷射孔口喷向低温推进剂贮箱1中，使被喷入的温度较低的低温推进剂与低温推进剂贮箱1中温度较高的低温推进剂进行换热，从而使低温推进剂贮箱1中的压力和温度下降，此外，被喷入的低温推进剂也对流场有扰乱作用，使得换热更强烈。

所述的管道ab、管道cd、管道ef、管道gh、管道jk、管道mo、管道op、管道on、管道qr、管道ns、管道nt、管道uv为高真空多层绝热低温流体管道。

本发明的工作原理是：

在轨管理系统开始工作前，先打开第三阀门8，使得贮箱5与太空背景环境相联通，使贮箱5中的压力与太空环境一致，然后关闭第三阀门8；当贮箱1中的低温推进剂压力升高至上限时，打开第一阀门2，此时低温推进剂从贮箱1中流出，经第一阀门2流入带孔管道6中，再流入挤压分离件7内；进入挤压分离件7内的低温推进剂适量后，关闭第一阀门2；此时，打开第二阀门4，使氦气增压罐3中的高压氦气通过第二阀门4通入贮箱5中，达到适当压力后关闭第二阀门4；则挤压分离件7中的低温推进剂受到挤压，流至管道mo中，在o端分为两股流，第一股流体流经节流阀9，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，因此第一股流体在流经节流阀9后温度降低，随后进入管道qr，第二股流体由管道on流入套管式换热器10；两股流体在套管式换热器10中互相进行热量交换，第一股流体吸收第二股流体的热量后温度升高，后由v端排至太空，第一股流体的冷量得到充分利用，第二股流体的热量被第一股流体吸收后，其温度降低，随后流至喷射管路11；第二股流体由喷射管路11喷入低温推进剂贮箱1中，对低温推进剂贮箱1的流场进行扰动的同时，与低温推进剂贮箱1中的温度较高的低温推进剂进行换热，从而使得低温推进剂贮箱1中低温推进剂的温度降低，进而降低低温推进剂贮箱1的压力。

以上实施例只是阐述了本发明的基本原理和特性，本发明不受上述事例限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改变，本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种低温推进剂空间在轨挤压分离的热力学排气系统，包括低温推进剂贮箱(1)，其特征在于：低温推进剂贮箱(1)出口通过第一阀门(2)与贮箱(5)内挤压分离件(7)中的带孔管道(6)入口连接；贮箱(5)的氦气入口通过第二阀门(4)和氦气增压罐(3)出口连接，贮箱(5)的氦气出口i通过第三阀门(8)与真空环境相通；

挤压分离件(7)出口分成两股流，一股流进入通过管道on进入低温推进剂贮箱(1)内套管式换热器(10)的内侧管，另一股流经节流阀(9)后通过管道qr进入低温推进剂贮箱(1)内套管式换热器(10)的外侧管，管道qr通过背压孔口(12)与真空环境相通，在套管式换热器(10)内管道qr和管道on的接触段，管道qr为环绕管道on的环状管道；

低温推进剂贮箱(1)内的喷射管路(11)包括管道ns和管道nt，管道ns的n端与管道on的n端相连，管道ns的s端为喷射管路(11)的终点；管道nt的n端与管道on的n端相连，管道nt的t端为喷射管路(11)的终点。

2.根据权利要求1所述的一种低温推进剂空间在轨挤压分离的热力学排气系统，其特征在于：所述的第一阀门(2)、第二阀门(4)和第三阀门(8)为低温截止阀。

3.根据权利要求1所述的一种低温推进剂空间在轨挤压分离的热力学排气系统，其特征在于：所述的贮箱(5)为低温贮箱，其绝热方式为高真空多层绝热。

4.根据权利要求1所述的一种低温推进剂空间在轨挤压分离的热力学排气系统，其特征在于：所述的氦气增压罐(3)为低温贮罐，其绝热方式为高真空多层绝热。

5.根据权利要求1所述的一种低温推进剂空间在轨挤压分离的热力学排气系统，其特征在于：所述的挤压分离件(7)为金属囊式容器或金属隔膜式容器。

6.根据权利要求1所述的一种低温推进剂空间在轨挤压分离的热力学排气系统，其特征在于：所述的节流阀(9)为低温节流阀。

7.根据权利要求1所述的一种低温推进剂空间在轨挤压分离的热力学排气系统，其特征在于：所述的套管式换热器(10)为低温换热器。

8.根据权利要求1所述的一种低温推进剂空间在轨挤压分离的热力学排气系统，其特征在于：所述的喷射管路(11)为金属多孔结构。

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