CN110282157A - 一种采用切向离心喷射的热力学排气系统 - Google Patents
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Abstract
一种采用切向离心喷射的热力学排气系统，包括低温推进剂贮箱内的切向喷射管路，切向喷射管路为金属多孔结构，喷射孔口方向沿低温推进剂贮箱轴线的径向，切向喷射管路中的低温推进剂由喷射孔口喷向低温推进剂贮箱中，使喷射的低温推进剂相对于低温推进剂贮箱轴线切向喷出，产生离心力，驱使低温推进剂贮箱内低温推进剂主流体运动；被切向喷射管路喷入的温度低的低温推进剂与低温推进剂贮箱中温度高的低温推进剂进行换热，从而使低温推进剂贮箱中的压力和温度下降，此外，切向布置的喷射孔口使被喷入的低温推进剂也对低温推进剂贮箱内主流体有更强的扰乱作用，使得换热更强烈；本发明实现低温推进剂贮箱压力快速下降，能耗降低。
Description
技术领域
本发明涉及低温推进剂空间贮存技术领域，具体涉及一种采用切向离心喷射的热力学排气系统。
背景技术
低温推进剂(如液氢、液氧等)具有能量高、比推力大、无毒、无污染等优势，在大型运载火箭和航天飞行器上得到广泛应用。然而，低温推进剂空间在轨贮存期间，外部漏热不可避免地进入贮箱，使推进剂升温、气化，导致贮箱压力持续升高，会引起推进剂泄漏、贮箱爆炸等一系列安全问题。低温推进剂地面贮存时，由于气液密度相差很大，可依靠重力使推进剂气液两相分层，通过贮箱顶部开孔进行直接排气的方式，即可有效控制贮箱气枕压力；但在微重力环境下，表面张力等弱力逐渐起主导作用，使流体不再有明显的气液分层，气液两相极易混杂在一起，因此低温推进剂空间在轨贮存期间，控制贮箱压力的方式就不能跟地面推进剂管理一样，直接在贮箱顶部开孔就可以达到泄压的效果，而是对低温流体热管理提出了新的要求。
目前，空间在轨环境下低温推进剂贮箱压力控制技术主要有两种形式：被动技术和主动技术。被动技术主要包括在贮箱外包裹变密度多层绝热材料、安装冷屏和挡热板等减少外部漏热的侵入，但不可能实现完全隔热，随着漏热的累积，贮箱系统在轨长期运行下压力还是会达到其安全限度，因此对于低温推进剂长期空间在轨贮运来说，主动技术是必要的，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。采用TVS技术主动排气的方法对贮箱进行控压，已经被证实具有良好的应用前景。美国NASA搭建了第一套TVS系统，并在多功能氢试验台(MHTB)进行了大量实验研究与论证。TVS通过小型低温泵将贮箱低温流体引出，分为两股流体，一股流体通过节流的空化作用实现降温，再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，另一股主流流体被冷却后经喷射棒喷入贮箱内充分混合，实现贮箱内流体的降温降压。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，通过研究和对比发现，传统TVS系统仍然具有以下不足：以贮箱轴线为中心，喷射棒采用径向打孔的方式向四个对称方向布置，流体沿径向喷射出去后，其动能会凭借流体自身粘性沿径向逐渐耗散。由于四个方向对称喷射，使贮箱内主流体仍保持不动，导致在喷射扩散过程中贮箱内仅仅在径向流体间的热质交换能力较强，而沿周向流体间的混合搅拌能力较差，使贮箱热分层消除效果较差、热质传递能力较弱，导致贮箱控压效果不佳。
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采取切向离心喷射的热力学排气系统，增强两相相界面间及流体间热质传递的能力，实现低温推进剂贮箱压力快速下降，温度分布更均匀，能耗降低。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种采用切向离心喷射的热力学排气系统，包括低温推进剂贮箱1内的切向喷射管路5，切向喷射管路5为金属多孔结构，喷射孔口方向沿低温推进剂贮箱1轴线的径向，切向喷射管路5中的低温推进剂由喷射孔口喷向低温推进剂贮箱1中，使喷射的低温推进剂相对于低温推进剂贮箱1轴线切向喷出，产生离心力，驱使低温推进剂贮箱1内低温推进剂主流体运动。
被切向喷射管路5喷入的温度低的低温推进剂与低温推进剂贮箱1中温度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，切向布置的喷射孔口使被喷入的低温推进剂也对低温推进剂贮箱1内主流体有更强的扰乱作用，使得换热更强烈。
本发明的有益效果：
本发明通过采用改变切向喷射管路5的喷射孔口方向，使喷射的低温流体相对于低温推进剂贮箱1轴线切向喷出，产生离心力，驱使低温推进剂贮箱1内低温推进剂主流体运动，充分利用了喷射流体的动能，加强了贮箱内流体沿周向的扰动，强化了喷射流体与主流体，以及主流体间的相互扰动搅拌，增强了两相相界面间及流体间热质传递的能力，使得贮箱内温度场更加趋于均匀化，技术上易于实现，同时又能大大提高TVS控压效率，为低温推进剂的在空间轨管理提供了新思路。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图。
图2为本发明实施例喷射模块的工作原理示意图。
图3为传统TVS喷射模块的工作原理示意图。
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和图2，一种采用切向离心喷射的热力学排气系统，包括低温推进剂贮箱1，低温推进剂贮箱1内的低温推进剂浸入管道ab的a端，管道ab的b端与循环泵2的入口连接；循环泵2的出口和管道cm的c端连接，管道cm的m端分成两股流，即管道md和管道me，管道me的e端为低温推进剂贮箱1内套管式换热器4的内侧管的最顶端，管道md的d端与节流阀3的入口连接，节流阀3的出口和管道fg的f端连接，管道fg的g段为套管式换热器4的外侧管gi的入口，管道ij的j端与背压孔口6的入口相连，背压孔口6的出口和管路kl的k端连接，管路kl的l端与真空环境相通；节流阀3为低温节流阀，节流阀3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3后降温降压成温度较低的低温推进剂，经管道fg进入低温推进剂贮箱1的套管式换热器4内与管道me接触后进行热量交换，管道gi为环绕管道me的环状管道，当背压孔口6打开时，此路节流换热后的流体自背压孔口6排出；
低温推进剂贮箱1内的切向喷射管路5包括管道eh和管道en，管道eh的e端与管道me的e端连接，管道eh的h端为切向喷射管路5的终点；管道en的e端与管道me的e端连接，管道en的n端为切向喷射管路5的终点；切向喷射管路5为金属多孔结构，从e端流至切向喷射管路5中的推进剂由切向布置的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，切向布置的喷射孔口使被喷入的低温推进剂也对流场有更强的扰乱作用，使得换热更强烈。
所述的套管式换热器4、切向喷射管路5、管道me、管道fg、外侧管gi、管道ij、管道eh、管道en、管道me构成喷射模块。
所述的节流阀3为低温节流阀。
所述的套管式换热器4为低温换热器。
本发明的工作原理是：
当低温推进剂贮箱1中的低温推进剂压力升高至上限时，打开循环泵2，此时低温推进剂从低温推进剂贮箱1中流出，经循环泵2，在m端分为两股流，第一股流体流经节流阀3，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3后温度降低，随后进入管道fg、gi、ij，第二股流体由管道me流入套管式换热器4；两股流体在套管式换热器4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，冷量得到充分利用，后由l端排至真空环境，第二股流体的热量被第一股流体吸收后，其温度降低，随后流至切向喷射管路5；第二股流体由切向喷射管路5沿切向喷入低温推进剂贮箱1中，使低温推进剂贮箱1产生一个离心力，驱动低温推进剂贮箱1内主流体运动，加强了流体间的搅拌混合作用，增强了流场中流体间的传热传质能力，从而使得低温推进剂贮箱1中流体温度降低，并趋于均匀化，进而实现低温推进剂贮箱1的控压管理。
参照图2，本发明切向喷射管路5中的推进剂由切向布置的喷射孔口喷向低温推进剂贮箱1中，使喷射的低温推进剂相对于低温推进剂贮箱1轴线切向喷出，产生离心力，驱使低温推进剂贮箱1内主流体运动，被喷入的温度低的低温推进剂与低温推进剂贮箱1中温度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，切向布置的喷射孔口使被喷入的低温推进剂也对低温推进剂贮箱1内主流体有更强的扰乱作用，使得换热更强烈。
参照图3，传统TVS喷射模块以低温推进剂贮箱1轴线为中心，喷射棒采用径向打孔的方式向四个对称方向布置，低温推进剂沿径向喷射出去后，其动能会凭借流体自身粘性沿径向逐渐耗散。由于四个方向对称喷射，使低温推进剂贮箱1内主流体仍保持不动，导致在喷射扩散过程中低温推进剂贮箱1内仅仅在径向流体间的热质交换能力较强，而沿周向流体间的混合搅拌能力较差，使低温推进剂贮箱1热分层消除效果较差、热质传递能力较弱。
通过对比，可以发现本发明充分利用了喷射流体的动能，加强了贮箱内流体沿周向的扰动，强化了喷射流体与主流体，以及主流体间的相互扰动搅拌，增强了两相相界面间及流体间热质传递的能力，使得低温推进剂贮箱1内温度场更加趋于均匀化，技术上易于实现，同时又能大大提高TVS控压效率。
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 (6)
1.一种采用切向离心喷射的热力学排气系统，包括低温推进剂贮箱(1)内的切向喷射管路(5)，其特征在于：切向喷射管路(5)为金属多孔结构，喷射孔口方向沿低温推进剂贮箱(1)轴线的径向，切向喷射管路(5)中的低温推进剂由喷射孔口喷向低温推进剂贮箱(1)中，使喷射的低温推进剂相对于低温推进剂贮箱(1)轴线切向喷出，产生离心力，驱使低温推进剂贮箱(1)内低温推进剂主流体运动。
2.根据权利要求1所述的一种采用切向离心喷射的热力学排气系统，其特征在于：被切向喷射管路(5)喷入的温度低的低温推进剂与低温推进剂贮箱(1)中温度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，切向布置的喷射孔口使被喷入的低温推进剂也对低温推进剂贮箱(1)内主流体有更强的扰乱作用，使得换热更强烈。
3.根据权利要求1所述的一种采用切向离心喷射的热力学排气系统，其特征在于：包括低温推进剂贮箱(1)，低温推进剂贮箱(1)内的低温推进剂浸入管道ab的a端，管道ab的b端与循环泵(2)的入口连接；循环泵(2)的出口和管道cm的c端连接，管道cm的m端分成两股流，即管道md和管道me，管道me的e端为低温推进剂贮箱(1)内套管式换热器(4)的内侧管的最顶端，管道md的d端与节流阀(3)的入口连接，节流阀(3)的出口和管道fg的f端连接，管道fg的g段为套管式换热器(4)的外侧管gi的入口，管道ij的j端与背压孔口(6)的入口相连，背压孔口(6)的出口和管路kl的k端连接，管路kl的l端与真空环境相通；外侧管gi为环绕管道me的环状管道；
低温推进剂贮箱(1)内的切向喷射管路(5)包括管道eh和管道en，管道eh的e端与管道me的e端连接，管道eh的h端为切向喷射管路(5)的终点；管道en的e端与管道me的e端连接，管道en的n端为切向喷射管路(5)的终点。
4.根据权利要求3所述的一种采用切向离心喷射的热力学排气系统，其特征在于：所述的套管式换热器(4)、切向喷射管路(5)、管道me、管道fg、外侧管gi、管道ij、管道eh、管道en、管道me构成喷射模块。
5.根据权利要求3所述的一种采用切向离心喷射的热力学排气系统，其特征在于：所述的节流阀(3)为低温节流阀。
6.根据权利要求3所述的一种采用切向离心喷射的热力学排气系统，其特征在于：所述的套管式换热器(4)为低温换热器。
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190927 |