CN110566370A - 一种微重力环境小流量预冷系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微重力环境小流量预冷系统，利用筛网结构的毛细作用，小流量的低温液体推进剂可以充填流体管理装置；同时，这部分充填进来的低温液体推进剂，被装置内的冷却换热器冷却至过冷液体；该部分过冷液体推进剂供给发动机预冷系统。本发明可在空间微重力环境下，实现空间环境多次启动前的低温发动机小流量预冷，并且可适用于多种预冷方案，包括排放预冷、浸泡预冷以及循环预冷。本发明的空间微重力环境预冷技术，不需要常规辅助推进系统提供沉底正推力，可节省常规推进剂消耗量；此外提升预冷低温推进剂品质，确保循环预冷泵正常启动、预冷过程不夹带气体，提升总体性能和可靠性。

Description

一种微重力环境小流量预冷系统

技术领域

本发明属于微重力低温流体输送系统设计制造领域，具体涉及一种微重力环境小流量预冷系统。

背景技术

低温推进发动机启动过程，发动机系统壳体温度要求低于推进剂饱和点，避免涡轮泵内低温推进剂在启动过程发生气蚀。因此，需要进行启前预冷，以满足发动机涡轮泵体温度要求，避免泵腔内发生气蚀，确保安全启动。预冷是低温发动机启动前的重要时序，地面预冷主要是通过浸泡、自流排放、泵驱动、自然循环以及氦气引射等方式，使用贮箱内低温推进剂将发动机壳体冷却到要求的温度条件下。然而对于空间环境发动机启前预冷，其条件比地面状态更恶劣。由于微重力环境，贮箱内液体推进剂与气体掺混，通常采取常规辅助推进系统正推使得气液分离、液体推进剂沉底，才能确保循环预冷泵正常启动、液体推进剂流经输送管、预冷发动机系统。

借助常规辅助推进系统正推沉底管理开展发动机预冷有以下问题：(1)对于空间环境多次启动，预冷和正推沉底管理总时间增长，导致正推用辅助推进剂消耗量增大，总体性能降低；(2)辅助推进系统正推沉底过载较小，弥散气泡随液体推进剂携带进入发动机，气泡可能积留在发动机壳体内，难以排出，会影响发动机的安全启动；(3)空间环境，环境漏热和发动机寄生漏热会导致低温推进剂蒸发，推进剂两相流的干度增大，冷却管路的降温速率慢。

经过对现有技术进行检索发现，公开号为CNIO6567791A的中国专利“一种强制循环预冷系统”公开了一种强制循环预冷系统，包括贮箱、输送管、发动机、回流控制阀、循环泵及回流管，但是仅适用于空间环境正推沉底条件下的预冷方案。该发明与本发明的微重力环境预冷系统不同；本发明适用于无正推沉底条件下的预冷。

公开号为CNIO7843434A的中国专利“液体火箭发动机试验用低温小流量预冷系统”公开了一种液体火箭发动机试验用低温小流量预冷系统及预冷方法。该系统包括预冷总管道、对称管路单元、流量测量单元、温度压力测量单元以及状态切换单元；适用于多台发动机且小流量预冷。该发明与本发明的微重力环境预冷系统不同；本发明适用于无正推沉底条件下的预冷。

公开号为CNIO6894918A的中国专利“一种适用于组合动力循环发动机的模态预冷循环系统”，公开了适用于组合动力循环发动机的模态预冷循环系统，包括低温煤油储箱、换热器、常温煤油储箱和液氧储箱；适用于组合动力循环发动机的模态预冷。该发明与本发明的微重力环境预冷系统不同；本发明适用于空间无正推沉底条件下的低温推进发动机预冷。因而上述方案均不适用于空间无正推沉底条件下的低温动力系统预冷。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种微重力环境小流量预冷系统，技术方案如下：

一种微重力环境小流量预冷系统，包括：循环泵、回流控制阀、泵前阀、输送管、发动机、旁通阀、预冷回流管、节流阀、盘管换热器、预冷输送管、排气阀、蓄液槽、贮箱、第一导流通道、第二导流通道、排气管组；

所述节流阀、盘管换热器、蓄液槽、第一导流通道、第二导流通道均位于所述贮箱内；所述排气阀设置于所述排气管组上；

所述预冷输送管一端连接所述蓄液槽的底部，另一端连接所述循环泵；所述循环泵、回流控制阀依次连接至所述输送管；

所述预冷回流管一端连接所述发动机，另一端连接所述贮箱；所述输送管一端连接所述贮箱，另一端连接所述发动机；所述泵前阀位于所述输送管上，所述旁通阀位于所述预冷回流管上；

所述蓄液槽由包括N层第一筛网的壁面围成，其两侧的侧壁分别与所述第一导流通道、第二导流通道连通；所述第一导流通道、第二导流通道面向所述贮箱内壁的通道壁面包括N层第一筛网；N为大于1的整数；

所述盘管换热器包括四个部分：

第一部分位于所述蓄液槽的顶部，其一端与所述蓄液槽连通，另一端伸入所述蓄液槽内与第二部分连通；

所述第二部分位于所述蓄液槽内，并分别与位于蓄液槽两侧的第三部分和第四部分连通；

所述第三部分经过第一导流通道与所述排气管组连接；

所述第四部分经过第二导流通道与所述排气管组连接；

所述节流阀设置于所述盘管换热器的第一部分上。

可选地，第一导流通道、第二导流通道的横截面均为矩形截面。

可选地，所述排气管组包括第一排气管、第二排气管、第三排气管、第四排气管；

所述盘管换热器的第三部分经过第一导流通道与所述第一排气管连接；

所述盘管换热器的第四部分经过第二导流通道与所述第二排气管连接；

所述第一排气管、第二排气管均与所述第三排气管连接；

所述第四排气管一端与所述第三排气管连接，一端伸出所述所述贮箱；所述排气阀设置于所述第四排气管上，且位于所述贮箱的外侧。

可选地，所述第一筛网的网孔直径为5-10μm。

可选地，所述N大于等于2。

可选地，所述相邻筛网之间的距离小于1mm。

可选地，所述盘管换热器通过支架固定在所述蓄液槽、第一导流通道、第二导流通道内部。

可选地，所述第一导流通道、第二导流通道通过支架固定在所述贮箱内壁加强筋上。

可选地，除了面向贮箱内壁的通道壁面以外，所述第一导流通道、第二导流通道其余的通道壁面均为不锈钢薄板。

可选地，所述第一导流通道、第二导流通道分别与对应的贮箱内壁之间形成第一窄缝、第二窄缝。

可选地，所述贮箱是个封闭的空间，其通过第四排气管与外界连通。

可选地，所述排气管组通过支架固定在所述贮箱的内壁上。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)本发明采用一种毛细作用低温流体管理装置，可以充填低温液体，并将其冷却至过冷液态。同时，该低温液体推进剂经预冷输送管、经低温泵泵送给发动机，冷却发动机后，回流至贮箱。通过本发明，无论是有正推还是无正推沉底条件下，低温流体管理装置能够很好的充填和蓄留低温液体推进剂；同时，可以冷却所充填的液体，抑制蒸发；将低温液体输送给发动机预冷。

(2)蓄液槽内少量低温推进剂经节流阀节流降温，流经盘管换热器吸热气化后，排出贮箱。流体管理装置的筛网孔隙毛细作用，可以持续汲取液体，稳定充填管理装置。

(3)本发明能够维持流体管理装置内部低温液体推进剂一定的过冷度，从而有效冷却发动机。

(4)本发明的流体管理装置，基于毛细作用原理汲取液体推进剂，可确保低流量的低温推进剂液体在发动机内完全相变蒸发，充分利用液体的气化潜热，提高推进剂利用率。

(5)本发明的冷却换热器使得管理装置内液体维持过冷，液体的相变潜热和过冷度可作为冷能被利用。在发动机预冷过程，液体气化潜热完全利用，发动机预冷降温速率最优化。

(6)本发明适用于空间微重力环境低温发动机的预冷，可以调节工况，满足不同的预冷条件要求。不需要正推沉底发动机，也可以实现预冷循环，因此对于空间环境多次启动低温发动机，节省沉底发动机和常规推进剂的重量。

(7)本发明可在空间微重力环境下，实现空间环境多次启动前的低温发动机小流量预冷，并且可适用于多种预冷方案，包括排放预冷、浸泡预冷以及循环预冷

(8)本发明不需要常规辅助推进系统提供沉底正推力，可节省常规推进剂消耗量；此外其可提升预冷低温推进剂品质，确保循环预冷泵正常启动、预冷过程不夹带气体，提升总体性能和可靠性。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明具体实施例一种微重力环境小流量预冷系统的结构示意图；

图2是本发明具体实施例一种微重力环境小流量预冷系统的低温蓄液槽、第一导流通道和第二导流通道的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

参见图1和图2，一种微重力环境小流量预冷系统，包括：循环泵1、回流控制阀2、泵前阀3、输送管4、发动机5、旁通阀6、预冷回流管7、节流阀8、盘管换热器9、预冷输送管10、排气阀12、蓄液槽13、贮箱15、第一导流通道141、第二导流通道142、排气管组；

所述节流阀8、盘管换热器9、蓄液槽13、第一导流通道141、第二导流通道142均位于所述贮箱15内；所述排气阀12设置于所述排气管组上；所述排气管组通过支架固定在所述贮箱的内壁上。

所述预冷输送管10一端连接所述蓄液槽13的底部，另一端连接所述循环泵1；所述循环泵1、回流控制阀2依次连接至所述输送管4；

所述预冷回流管7一端连接所述发动机5，另一端连接所述贮箱15；所述输送管4一端连接所述贮箱15，另一端连接所述发动机5；所述泵前阀3位于所述输送管4上，所述旁通阀位于所述预冷回流管7上。

所述蓄液槽13槽底连通预冷输送管10。第一导流通道141、第二导流通道142和蓄液槽13内液体推进剂可提供给预冷输送管10、循环泵1。

蓄液槽13内的低温推进剂流经预冷输送管10、经循环泵1泵送至发动机5，然后经预冷回流管7输送回贮箱15。该流通回路的作用是，用低温推进剂冷却输送管4和发动机5。

所述蓄液槽13由包括N层第一筛网的壁面围成，其两侧的侧壁分别与所述第一导流通道141、第二导流通道142连通；所述第一导流通道141、第二导流通道142面向所述贮箱内壁的通道壁面包括N层第一筛网；N为大于1的整数。所述第一筛网的网孔直径为5-10μm。

若N大于等于2，则所述相邻筛网之间的距离小于1mm。

所述盘管换热器9通过支架固定在所述蓄液槽13、第一导流通道141、第二导流通道142内部。

所述的盘管换热器9的作用是，内部流经节流降温的少量液体，可以冷却盘管换热器9外侧推进剂，因此，所述第一导流通道141、第二导流通道142充填的液体被冷却至过冷态。

所述盘管换热器9包括四个部分：

第一部分91位于所述蓄液槽的顶部，其一端与所述蓄液槽13连通，另一端伸入所述蓄液槽内与第二部分连通；

所述第二部分92位于所述蓄液槽内，并分别与位于蓄液槽13两侧的第三部分和第四部分连通；

所述第三部分93经过第一导流通道141与所述排气管组连接；

所述第四部分94经过第二导流通道142与所述排气管组连接；

所述节流阀8设置于所述盘管换热器的第一部分91上。

所述的节流阀8一端连接蓄液槽13顶部，另一端连接换热盘管9。阀的作用是：将蓄液槽内少量液体节流降温，产生节流冷量。

蓄液槽13内的少量液体流经节流阀8节流降温，流经盘管换热器9，吸热气化后，经排气管组排放至贮箱外。同时，盘管换热器9外侧液体被冷却至过冷液态。

本实施例中，第一导流通道141、第二导流通道142的横截面均为矩形截面。使用矩形截面可以满足筛网毛细作用的液体输送流量要求较大的要求。矩形截面通道的作用就是通过毛细作用输送较多液体。

所述第一导流通道141、第二导流通道142通过螺栓固定在对应支架上，所述对应支架固定在所述贮箱内壁加强筋上。

除了面向贮箱内壁的通道壁面以外，所述第一导流通道141、第二导流通道142其余的通道壁面均为不锈钢薄板。所述第一导流通道141、第二导流通道142分别与对应的贮箱内壁之间形成第一窄缝、第二窄缝。

在微重力环境下，对于浸润固体表面，位于第一窄缝或第二窄缝的液体吸附于壁面并沿着爬升。由于毛细作用，液体可以浸润筛网孔隙。因此，筛网孔隙毛细作用可以汲取液体，充填入所述蓄液槽13、第一导流通道141、第二导流通道142。充填进来的液体被盘管换热器9冷却至过冷态，进入预冷输送管10，经循环泵1泵送给发动机5，低温液体冷却发动机5，吸热相变气化后，经预冷回流管7至贮箱15。该过程，回流控制阀2和旁通阀6开启状态，泵前阀3关闭状态。

所述排气管组包括第一排气管111、第二排气管112、第三排气管113、第四排气管114；

所述盘管换热器9的第三部分93经过第一导流通道141与所述第一排气管111连接；

所述盘管换热器9的第四部分94经过第二导流通道142与所述第二排气管112连接；

所述第一排气管111、第二排气管112均与所述第三排气管113连接；

所述第四排气管114一端与所述第三排气管113连接，一端伸出所述所述贮箱；所述排气阀12设置于所述第四排气管上，且位于所述贮箱15的外侧。

所述贮箱15是个封闭的空间，其通过第四排气管114与外界连通。排气管组的作用是，第一导流通道141、第二导流通道142通道内的。通道内的盘管换热器9内部流动的是节流降温后的低温推进剂，其与盘管换热器9外侧推进剂换热后，相变气化，推进剂蒸气经排气管组排出贮箱。

循环泵1、预冷输送管10、输送管4、发动机5和预冷回流管7可实现小流量输送低温推进剂循环流动，预冷发动机5。蓄液槽13、第一导流通道141、第二导流通道142、节流阀8和盘管换热器9可以供给循环泵1小流量过冷低温液体推进剂，并且确保在微重力条件下仍可以实现循环预冷。

根据发动机5的预冷要求，可以通过循环泵1、回流控制阀2和旁通阀6调节所输送低温液体推进剂的流量。通过节流阀8和排气阀12调节所输送低温液体推进剂的温度。此外，可调节贮箱15的压力，满足所输送低温液体推进剂的过冷度和输送量。通过贮箱压力、循环泵1、回流控制阀2、旁通阀6、节流阀8、排气阀12以及第一导流通道141、第二导流通道142的运行匹配性优化，可以提升预冷效果，减少预冷蒸发损耗，减少预冷时间。通过调节节流阀8和排气阀12的开关时序，可以控制贮箱15的压力。

本发明的具体实施例是针对空间环境低温发动机多次启动的预冷技术。在微重力条件下，回流控制阀2、泵前阀3和旁通阀6均为关闭状态，发动机5通过其专门的泄出阀排空其内部的低温推进剂，发动机5逐渐回温至环境热平衡温度。

在发动机5再次准备启动前，回流控制阀2、泵前阀3和旁通阀6均为打开状态。

第一导流通道141、第二导流通道142的矩形截面通道的筛网结构汲取外围低温推进剂充填进来第一导流通道141、第二导流通道142和蓄液槽13。

蓄液槽13内的少量液体，流入盘管换热器9的第一部分91并流经节流阀8节流降温后，进入盘管换热器9的第二部分92、第三部分93、第四部分94的内侧，冷却该述部分外部的流体，其内侧的液体吸热后相变气化，分别通过第一排气管、第二排气管，最终流经第三排气管和第四排气管，通过排气阀12排至贮箱15外。此时，第一导流通道141、第二导流通道142和蓄液槽13中填充为被管盘换热器9冷却至过冷液体。

启动循环泵1，蓄液槽13、第一导流通道141、第二导流通道142内成为过冷液体的低温推进剂经循环泵1泵送，通过预冷输送管10、输送管4充填发动机5；同时，贮箱15内的低温推进剂也通过打开的泵前阀3和输送管4填充发动机5；上述低温推进剂浸泡冷却发动机5壳体。

关闭泵前阀3，启动循环泵1，蓄液槽13、第一导流通道141、第二导流通道142内成为过冷液体的低温推进剂经循环泵1泵送，通过预冷输送管10、输送管4充填发动机5，低温推进剂浸泡冷却发动机5壳体。冷却发动机5后，该述低温推进剂吸热后相变气化并经预冷回流管7回流至贮箱15。如此循环流动，将输送管4和发动机5冷却降温至要求的启动条件。

上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种微重力环境小流量预冷系统，其特征在于，包括：循环泵、回流控制阀、泵前阀、输送管、发动机、旁通阀、预冷回流管、节流阀、盘管换热器、预冷输送管、排气阀、蓄液槽、贮箱、第一导流通道、第二导流通道、排气管组；

所述节流阀、盘管换热器、蓄液槽、第一导流通道、第二导流通道均位于所述贮箱内；所述排气阀设置于所述排气管组上；

所述预冷输送管一端连接所述蓄液槽的底部，另一端连接所述循环泵；所述循环泵、回流控制阀依次连接至所述输送管；

所述预冷回流管一端连接所述发动机，另一端连接所述贮箱；所述输送管一端连接所述贮箱，另一端连接所述发动机；所述泵前阀位于所述输送管上，所述旁通阀位于所述预冷回流管上；

所述蓄液槽由包括N层第一筛网的壁面围成，其两侧的侧壁分别与所述第一导流通道、第二导流通道连通；所述第一导流通道、第二导流通道面向所述贮箱内壁的通道壁面包括N层第一筛网；N为大于1的整数；

所述盘管换热器包括四个部分：

第一部分位于所述蓄液槽的顶部，其一端与所述蓄液槽连通，另一端伸入所述蓄液槽内与第二部分连通；

所述第二部分位于所述蓄液槽内，并分别与位于蓄液槽两侧的第三部分和第四部分连通；

所述第三部分经过第一导流通道与所述排气管组连接；

所述第四部分经过第二导流通道与所述排气管组连接；

所述节流阀设置于所述盘管换热器的第一部分上。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，第一导流通道、第二导流通道的横截面均为矩形截面。

3.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述排气管组包括第一排气管、第二排气管、第三排气管、第四排气管；

所述盘管换热器的第三部分经过第一导流通道与所述第一排气管连接；

所述盘管换热器的第四部分经过第二导流通道与所述第二排气管连接；

所述第一排气管、第二排气管均与所述第三排气管连接；

所述第四排气管一端与所述第三排气管连接，一端伸出所述所述贮箱；所述排气阀设置于所述第四排气管上，且位于所述贮箱的外侧。

4.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述第一筛网的网孔直径为5-10μm。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述N大于等于2。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述相邻筛网之间的距离小于1mm。

7.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述盘管换热器通过支架固定在所述蓄液槽、第一导流通道、第二导流通道内部。

8.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述第一导流通道、第二导流通道通过支架固定在所述贮箱内壁加强筋上。

9.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，除了面向贮箱内壁的通道壁面以外，所述第一导流通道、第二导流通道其余的通道壁面均为不锈钢薄板。

10.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述第一导流通道、第二导流通道分别与对应的贮箱内壁之间形成第一窄缝、第二窄缝。

11.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述贮箱是个封闭的空间，其通过第四排气管与外界连通。

12.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述排气管组通过支架固定在所述贮箱的内壁上。