CN109781425A - 真空环境下姿控发动机低温试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种真空环境下姿控发动机低温试验系统，解决现有环境模拟试验的降温方式冷却周期较长、密封失效、难以保障均匀的温度环境等问题。该系统包括供应装置、冷却槽、冷却管路、回收装置、第一冷桥和第二冷桥；供应装置用于给冷却槽、冷却管路提供冷却介质；冷却槽包括环形腔体和吸热翅片，环形腔体为内盖板和外盖板形成封闭腔体，且设置有介质进口和介质出口，吸热翅片位于环形腔体外部，且沿环形腔体内盖板周面设置；冷却管路设置在发动机推进管路周围，且第二冷桥缠绕在冷却管路上；第一冷桥和第二冷桥为多根导热体，第一冷桥的一端与环形吸热翅片连接，另一端与发动机连接；回收装置设置在冷却槽、冷却管路的出口端。

Description

真空环境下姿控发动机低温试验系统

技术领域

本发明涉及姿控发动机真空低温环境下的点火试验装置，具体涉及一种真空环境下姿控发动机低温试验系统。

背景技术

随着高空域、高纬度武器型号的进一步发展，对所涉及的姿控发动机性能要求日益提高，姿控发动机正式列装前需进行更为真实的环境试验，环境试验具体包括高空模拟试验、低温试验、高温试验等。

传统的环境模拟试验是在发动机不点火工作的条件下进行的，可视为静态环境模拟试验，但随着产品可靠性需求的日益增长，静态环境模拟试验已经不能满足现有的试验任务需求。在发动机点火工作的条件下，进行环境模拟已成为发动机研制过程的关键性试验，这就要求在发动机点火所需的推进剂充填到发动机电磁阀前的管路中，能够快速实现点火所需的低温条件，然而现有环境模拟试验在真空环境下通过辐射技术方案进行降温，此种方式冷却周期较长，较长的冷却周期导致电磁阀前的密封材料长期浸泡在推进剂中，密封材料出现腐蚀，导致密封失效等风险。此外，由于发动机不同位置的材料不同，点火所需的推进剂的物理性质与发动机也不一样，这些差异导致需要降温的对象对辐射的吸收率不同，均匀的温度环境难以保障。

发明内容

本发明的目的是解决现有环境模拟试验的降温方式冷却周期较长、密封失效、难以保障均匀的温度环境等问题，提供一种真空环境下姿控发动机低温试验系统，该系统能够在真空环境下，在1h内对产品及推进剂降温，且温度场均匀。

本发明的技术方案是：

一种真空环境下姿控发动机低温试验系统，包括供应装置、冷却槽、冷却管路、回收装置、第一冷桥和第二冷桥；所述供应装置用于给冷却槽、冷却管路提供冷却介质；所述冷却槽包括环形腔体和吸热翅片，所述环形腔体为内盖板和外盖板形成封闭腔体，且设置有介质进口和介质出口，所述吸热翅片位于环形腔体外部，且沿环形腔体内盖板周面设置；所述冷却管路设置在发动机推进管路周围，且第二冷桥缠绕在冷却管路上；所述第一冷桥和第二冷桥为多根导热体，所述第一冷桥的一端与吸热翅片连接，另一端与发动机连接；所述回收装置设置在冷却槽、冷却管路的出口端，用于接收冷却介质。

进一步地，所述冷却槽、冷却管路的出口端还设置有挥发装置，所述挥发装置包括排放管路、加热器和排放阀，所述排放管路的一端与冷却槽、冷却管路的出口连接，另一端与回收装置连接，所述加热器用于对排放管路内的介质加热，所述排放阀设置在排放管路上。

进一步地，还包括推进剂置换系统，所述推进剂置换系统包括介质储罐、置换管路和截止阀，所述置换管路的一端与发动机推进管路连通，另一端与介质储罐连通，所述截止阀设置在置换管路上。

进一步地，所述推进剂置换系统还包括增压系统，所述增压系统与介质储罐连通，用于给介质储罐增压。

进一步地，还包括低温恒温装置，所述介质储罐设置在低温恒温装置内，低温恒温装置对介质储罐降温及保温。

进一步地，所述导热体为多根铜丝缠绕形成。

进一步地，所述供应装置包括冷却介质槽车、输送管、低温节流阀；所述冷却介质槽车的出口通过输送管与冷却槽、冷却管路连通，且输送管上设置有低温节流阀。

进一步地，所述冷却介质为液氮。

进一步地，所述第一冷桥单桥的导热体数量小于8。

进一步地，所述冷却槽外部设置有支撑板，用于与发动机试车架定架连接。

本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.本发明系统以液氮作为冷却介质，在真空环境下，通过在冷却槽与发动机之间的第一冷桥对发动机降温，冷却管路与推进剂管路之间的第二冷桥对推进剂管路降温，可以实现真空环境下发动机单低温或双低温试验功能。

2.本发明降温系统冷却槽为环腔结构，环腔内部设有多组吸热翅片，翅片上留有铜丝冷桥连接孔，该结构可以将液氮的冷量均匀的传递到发动机上，从而实现发动机上的温度场均匀。

3.本发明降温系统通过液氮供应及排放系统的调节剂控制，能够实现低温环境模拟的精确调节，低温温度控制精度可以达到±2℃范围内。

4.发动机低温环境下的点火试验，需要测量发动机的推力，发动机的推力是发动机研制过程的重要参数，本发明中位于发动机上冷桥的总数量不应过多，第一冷桥单桥的股数不大于8，每一股铜丝线径不大于1.5mm，冷桥的约束力引入的推力测量不确定度约为0.05％，在实现发动机降温的同时，降低了冷桥约束力对发动机推力测量精度产生的影响。

附图说明

图1为本发明真空环境下姿控发动机低温试验系统结构图；

图2为本发明冷却槽剖面图；

图3为图2的A-A剖面图。

附图标记：1-供应装置，2-冷却槽，3-冷却管路，4-回收装置，5-第一冷桥，6-第二冷桥，7-挥发装置，8-低温恒温装置，9-推进剂置换系统，11-冷却介质槽车，12-输送管，13-低温节流阀，21-环形腔体，22-吸热翅片，23-介质进口，24-介质出口，25-支撑板，71-排放管路，72-加热器，73-排放阀，91-介质储罐，92-置换管路，93-截止阀，94-增压系统。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。

基于热点火试验所用真空舱体及后端引射系统体积较大等特点，在真空环境通过辐射换热难以实现产品降温等问题，本发明提供一种在真空环境下对发动机及供应介质快速降温的系统，其解决了真空环境下传统辐射换热技术方案降温周期长、经济成本高问题，该系统能够在真空环境下，2h内实现发动机及介质的快速降温。

如图1所示的一种真空环境下姿控发动机低温试验系统，包括供应装置1、冷却槽2、冷却管路3、回收装置4、低温恒温装置8、挥发装置7、推进剂置换系统9、第一冷桥5和第二冷桥6。

供应装置1实现低温冷却介质的供应，具体将冷却介质液氮由介质槽车输送至真空舱内指定位置的输送，具体用于给冷却槽2、冷却管路3提供冷却介质，供应装置1包括冷却介质槽车11、输送管12、低温节流阀13；冷却介质槽车11的出口通过输送管与冷却槽2、冷却管路3连通，且输送管上设置有低温节流阀13，输送管通过穿舱法兰与真空舱连接。

冷却槽2用于给发动机身部局部降温，为不锈钢环腔结构。冷却槽2包括环形腔体21和吸热翅片22，环形腔体21为内盖板和外盖板形成封闭腔体，且设置有介质进口23和介质出口24，介质进口23和介质出口24连接至供应装置1及回收装置4管路上，吸热翅片22位于环形腔体21外部，且沿环形腔体21内盖板周面多层设置，翅片上留有铜丝冷桥连接孔，用于安装第一冷桥5。冷却槽2外部设置有支撑板25，用于与发动机转接架连接，具体通过两侧的支撑板25由4个M10螺栓连接固定至发动机试车架定架上，发动机待冷却部位伸入冷却槽2环腔内部，发动机转接架连接至推力台架动架上。冷却管路3设置发动机推进管路周围，且第二冷桥6缠绕在冷却管路3上。

第一冷桥5和第二冷桥6为多根导热体，第一冷桥5的一端与吸热翅片22上的连接孔连接，另一端与发动机连接，导热体为多根铜丝缠绕形成。铜丝冷桥用于实现对发动机及推进剂供应管路的吸热降温，可采用导热性良好的纯铜，通过缠绕为多匝线圈连接发动机与液氮供应管路，线径小于1.5mm，材料为T1、T2或其他导热良好材料，第一冷桥5单桥股数不大于8，否则由辐射方式传播至环境的冷量将大于由传导方式传播至发动机或推进剂管路的冷量，对指定部位降温不利。冷桥布置间距可通过调试后确定，位于发动机上冷桥的总数量不应过多，否则会对推力测量装置的推力测量精度产生影响。

冷却槽2、冷却管路3的出口端设置有挥发装置7，挥发装置7包括排放管路71、加热器72和排放阀73，排放管路71的一端与冷却槽2、冷却管路3的出口连接，另一端与回收装置4连接，加热器72用于对排放管路71内的介质加热，排放阀73设置在排放管路71上。挥发装置7位于真空舱上方，用于对冷却槽2、冷却管路3出口的介质加热挥发，由于液氮为低温介质，直接排放对环境及工作人员造成污染或低温烫伤等潜在危害，因此在液氮工艺及排放系统末端应设置挥发装置7。

回收装置4设置在挥发装置7的出口端，用于接收冷却介质。回收槽用于缓冲液氮出口高速气流产生的冲击，具体为不锈钢钣金结构，由挥发装置7排出的介质一般为气液混合状态，出口介质流动速度较入口明显提高，由回收槽对其进行缓冲处理。

低温恒温装置8设置在介质贮罐91外部，用于对介质贮罐91进行降温及保温，低温恒温装置8可在指定温度范围内调节，调节精度误差不高于0.5℃。经过不小于一昼夜的低温恒温，可保证推进剂贮罐温度均匀性满足使用要求。

试验前将介质贮罐91放入低温恒温装置8中，并将低温恒温装置8恒温温度设定为预定温度。试验时，将介质贮罐91由低温恒温装置8中取出，连接至推进剂置换系统9上。通过由增压系统94向介质贮罐91增压，而把具有指定温度的推进剂由介质贮罐91挤压至推进剂供应管路中，推进剂供应管路中原有推进剂则被挤回推进剂贮箱，试验前通过低温推进剂置换进一步对推进剂供应管路进行调温，使推进剂管路实际温度与指定温度误差控制在±2℃范围内。

由于低温恒温装置8对推进剂及贮罐的温度具有很高的控制精度，同时在贮罐外部包覆绝热材料，贮罐内的推进剂温度与目标温度值偏差很小。因此，可用贮罐内的低温推进剂及推进剂置换系统9对推进剂供应管路进行更为准确的温度控制。推进剂置换系统9包括介质储罐91、置换管路92、增压系统94和截止阀93，置换管路92的一端与发动机推进管路连通，另一端与介质储罐91连通，增压系统94与介质储罐91连通，用于给介质储罐91增压，截止阀93设置在置换管路92上，增压系统94由气源、配气台、增压管路、增压阀、减压器等组成。

推进剂供应系统用于发动机点火所需推进剂(如DT-3)的供应，由推进剂容器、手动总供应阀、气动总供应、过滤器、流量计、初级阀、排气管路及阀门、放液管路及阀门、抽真空充填系统等组成。推进剂供应系统由0.5m³推进剂容器、50L真空罐1、50L DT-3贮罐、φ38×3不锈钢管路、φ26×3不锈钢管路、φ14×2不锈钢管路、R手动总供应、R气动总供应、R0阀、R1阀、R2阀、R3阀、R4阀、R5阀、R初级阀、R抽真空阀、流量计、过滤器等组成。

真空舱及引射系统用于实现发动机试验所需真空环境，可由蒸汽引射、机组引射、空气引射等方式实现真空舱内真空环境；真空环境下姿控发动机低温试验系统工作流程一般为：工艺测控系统准备—封舱—推进剂抽真空充填—舱内湿空气置换—液氮降温—低温介质置换—真空引射—热试车。

真空环境下姿控发动机低温试验系统用于实现姿控发动机高空模拟试验中推进剂低温、发动机低温或推进剂及发动机双低温功能。本发明主要针对姿控发动机高空环境下低温环境快速获取并进行热点火试验的难题，利用液氮快速降温的特性，合理设置工作流程，建立了一种针对发动机身部局部、推进剂及供应管路局部降温的工艺系统。该系统以液氮作为冷却介质，在真空环境下，通过在冷却槽2与发动机之间的冷桥对发动机降温，冷却管路与推进剂管路之间的冷桥对推进剂管路降温，可以实现真空环境下发动机单低温或双低温试验功能。

其工作流程为：

(1)完成真空舱内发动机安装、管路配置、铜丝冷桥搭建、测控系统配置工作；

(2)关闭真空舱门；

(3)推进剂管路抽真空，采用真空泵车对真空罐进行抽真空，达到20Pa真空度时进行真空保压；将真空罐连接至推进剂供应管路抽真空接口上，R手动总供应、R0阀、R1阀、R2阀、R3阀、R4阀、R5阀关闭，R气动总供应、R初级阀打开，打开真空罐上方R抽真空阀对推进剂供应管路进行抽真空；

(4)介质充填；压力平衡后，关闭真空罐上方R抽真空阀，缓慢打开R手动总供应，对发动机电磁阀前的推进剂供应管路进行推进剂充填，然后通过R0阀、R1阀、R2阀进行高点排气操作，排气结束后，关闭R初级阀；

(5)舱内湿空气置换；启动真空机组对真空舱抽真空，达到一定真空度(如3kPa)后，向舱内喷射符合标准的氮气，继续抽真空，进行舱内湿空气置换；

(6)液氮降温；舱压再次达到3kPa时，打开D3阀、D2阀、D1阀，调整液氮槽车压力，给冷却槽和冷却管路路通入液氮，冷却槽2通过冷桥对发动机降温，冷却管路通过冷桥对真空舱内的推进剂管路降温；当发动机指定部位的温度降低到预定温度后，关闭D1阀、D2阀、D3阀；

(6)低温介质置换；将提前降温恒温的DT-3介质储罐与R5阀连接，并增压0.5MPa，打开R5阀、R4阀、R 3阀阀门，进行低温推进剂置换，当管路内的插入式温度传感器达到指定温度时，停止置换，关闭R5阀、R4阀、R3阀；

(7)降温及置换过程持续进行真空引射，当真空度及温度达到要求时，贮罐增压，打开R初级阀，进行发动机热试车。

Claims (10)

1.一种真空环境下姿控发动机低温试验系统，其特征在于：包括供应装置(1)、冷却槽(2)、冷却管路(3)、回收装置(4)、第一冷桥(5)和第二冷桥(6)；

所述供应装置(1)用于给冷却槽(2)、冷却管路(3)提供冷却介质；

所述冷却槽(2)包括环形腔体(21)和吸热翅片(22)，所述环形腔体(21)为内盖板和外盖板形成封闭腔体，且设置有介质进口(23)和介质出口(24)，所述吸热翅片(22)位于环形腔体(21)外部，且沿环形腔体(21)内盖板周面设置；

所述冷却管路(3)设置在发动机推进管路周围，且第二冷桥(6)缠绕在冷却管路(3)上；

所述第一冷桥(5)和第二冷桥(6)为多根导热体，所述第一冷桥(5)的一端与吸热翅片(22)连接，另一端与发动机连接；

所述回收装置(4)设置在冷却槽(2)、冷却管路(3)的出口端，用于接收冷却介质。

2.根据权利要求1所述的真空环境下姿控发动机低温试验系统，其特征在于：所述冷却槽(2)、冷却管路(3)的出口端还设置有挥发装置(7)，所述挥发装置(7)包括排放管路(71)、加热器(72)和排放阀(73)，所述排放管路(71)的一端与冷却槽(2)、冷却管路(3)的出口连接，另一端与回收装置(4)连接，所述加热器(72)用于对排放管路(71)内的介质加热，所述排放阀(73)设置在排放管路(71)上。

3.根据权利要求1或2所述的真空环境下姿控发动机低温试验系统，其特征在于：还包括推进剂置换系统(9)，所述推进剂置换系统(9)包括介质储罐(91)、置换管路(92)和截止阀(93)，所述置换管路(92)的一端与发动机推进管路连通，另一端与介质储罐(91)连通，所述截止阀(93)设置在置换管路(92)上。

4.根据权利要求3所述的真空环境下姿控发动机低温试验系统，其特征在于：所述推进剂置换系统(9)还包括增压系统(94)，所述增压系统(94)与介质储罐(91)连通，用于给介质储罐(91)增压。

5.根据权利要求4所述的真空环境下姿控发动机低温试验系统，其特征在于：还包括低温恒温装置(8)，所述介质储罐(91)设置在低温恒温装置(8)内，低温恒温装置(8)对介质储罐(91)降温及保温。

6.根据权利要求5所述的真空环境下姿控发动机低温试验系统，其特征在于：所述导热体为多根铜丝缠绕形成。

7.根据权利要求6所述的真空环境下姿控发动机低温试验系统，其特征在于：所述供应装置(1)包括冷却介质槽车(11)、输送管(12)、低温节流阀(13)；所述冷却介质槽车(11)的出口通过输送管(12)与冷却槽(2)、冷却管路(3)连通，且输送管(12)上设置有低温节流阀(13)。

8.根据权利要求7所述的真空环境下姿控发动机低温试验系统，其特征在于：所述冷却介质为液氮。

9.根据权利要求8所述的真空环境下姿控发动机低温试验系统，其特征在于：所述第一冷桥(5)的单桥导热体数量小于8。

10.根据权利要求9所述的真空环境下姿控发动机低温试验系统，其特征在于：所述冷却槽(2)外部设置有支撑板(25)，用于与发动机试车架定架连接。