CN110671232B - 一种液氧温区冷氦增压系统 - Google Patents

一种液氧温区冷氦增压系统 Download PDF

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Abstract

一种液氧温区冷氦增压系统，该系统增压气瓶3浸泡在液氧贮箱1内，与液氧充分换热，增压介质温度与推进剂温度相同，增加了介质贮存效率。增压气瓶3在液氧贮箱1内布局靠近贮箱上部，飞行数秒后增压气瓶3即从液氧中露出，飞行结束时增压气瓶3中气体剩余量较小，提高介质利用率。增压气体从气瓶流出后，充分利用管路的换热，气动加热，气体与贮箱内燃料的换热，提高了增压气体的焓值。增压电磁阀并联冗余设计，提高系统工作可靠性及系统容错能力。增压系统避免了与发动机的耦合，省去了发动机换热器，节省研制成本；同时增压系统可自行验证，提高了增压设计准确性。

Description

一种液氧温区冷氦增压系统
技术领域
本发明涉及一种液氧温区冷氦增压系统，特别涉及一种低温液体运载火箭用增压系统。
背景技术
液体火箭的贮箱贮气式增压系统是指预先贮存在火箭上贮气装置内的增压介质以一定流量进入贮箱增压的方式。根据气瓶贮气方式的不同，气瓶贮气增压又可以分为常温高压气态、低温高压气态和低温低压液态贮存三种增压方式。目前国内外常用的贮气式增压系统主要包括常温高压气态增压和低温高压气态增压。常温高压气态增压是指增压介质在常温下贮存在高压气瓶中，当需要增压时将气瓶中的气体输送到贮箱增压，增压气体进贮箱前可进行加温以提高增压效率。低温高压气态增压则是指将高压气瓶贮存在低温推进剂中，从而获得较高的贮气密度,可以减少增压气体贮气瓶的数量或体积，增加了火箭的有效载荷。
增压介质的低温贮存解决了贮存效率的问题，但最终增压效率取决于被增压贮箱内的气枕的平均温度，温度越高，增压效率越高。因此一般增压气体需要经过发动机等高温加热部件进行加热后再进入贮箱。但这种方案过多的依赖于发动机，且需要与发动机联合开展相关试验验证，才能确定最终的系统设计方案是否正确，而不带发动机的系统试验很难模拟准确。此外增压气体进入发动机换热器存在一定的压力损失，最终剩余的气体量较多，浪费了部分增压介质。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种液氧温区冷氦增压系统，增压气瓶浸泡在液氧贮箱内，增压气体贮存在增压气瓶中，经过滤装置后，进入由增压电磁阀、孔板组成的流量调节系统。各路增压电磁阀启闭通过贮箱压力控制，各路设置不同压力带，其中控制信号采用设置在箱顶的三路压力传感器。增压气体通过箱外换热管与大气换热或飞行过程中气动加热加温，在进入煤油箱换热管与煤油换热后再进入煤油贮箱气枕进行增压。本发明的优势为气源压力低、气源体积小，结构重量轻，增压气体不需要进入发动机，在设计过程中不与发动机耦合，可自成系统完成试验验证。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：
一种液氧温区冷氦增压系统，包括液氧贮箱、充气阀、增压气瓶、增压过滤器、增压电磁阀、孔板、箱外换热管、箱内换热管、消能器、燃料箱、压力传感器、增压控制器；
外部气源通过所述充气阀向所述增压气瓶内充入增压气体；所述增压气瓶浸泡在液氧贮箱内的液氧中；所述增压气瓶内的增压气体依次通过增压过滤器、增压电磁阀、孔板、箱外换热管、箱内换热管、消能器进入燃料箱；所述增压电磁阀和孔板共同用于控制增压气体的流量；所述箱外换热管用于增压气体与外部空气进行热交换；所述箱内换热管用于增压气体与燃料箱内的燃料进行热交换；所述消能器用于减小增压气体动能且控制增压气体的气流方向；所述箱内换热管、消能器位于所述燃料箱内；
所述压力传感器用于测量所述燃料箱内的气枕压力，然后发送给所述增压控制器；所述增压控制器用于控制所述增压电磁阀。
优选的，还包括保险阀；所述保险阀安装在所述燃料箱上；如果燃料箱内的气枕压力大于等于预设安全压力时所述保险阀开启，否则所述保险阀保持关闭。
优选的，所述增压气体采用但不限于氦气。
优选的，所述增压气瓶的氦气温度不超过92K，压力不低于21MPa。
优选的，还包括第一支架，所述增压气瓶通过第一支架固定浸泡在液氧贮箱内的液氧中。
优选的，所述增压气瓶位于所述液氧贮箱内且靠近所述液氧贮箱气枕的一端。
优选的，所述消能器采用喇叭口结构，所述消能器的出口方向与所述燃料箱的轴线平行；所述消能器的出口设有多层筛网。
优选的，所述箱外换热管和箱内换热管均采用S型或回型设计，增加相应管路长度。
优选的，所述压力传感器同时测量三路所述燃料箱内的气枕压力，所述增压控制器采用三取二方法，判断所述燃料箱内的气枕真实压力。
优选的，所述增压电磁阀采用多路并联的方法；所述增压控制器根据所述燃料箱内的气枕真实压力，控制所述增压电磁阀全部或部分打开。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
本发明提出了一种液氧温区冷氦增压系统，该系统冷氦增压气瓶浸泡在液氧贮箱内，与液氧充分换热，增压介质温度与推进剂温度基本相同，增加了介质贮存效率。增压气瓶在箱内布局靠近贮箱上部，飞行数秒后增压气瓶即从液氧中露出，飞行结束时冷氦气瓶中气体剩余量较小，充分利用气瓶中的增压气体，提高介质利用率。冷氦气体从气瓶流出后，充分利用管路的换热，气动加热，气体与贮箱内燃料的换热，提高了增压气体的焓值。增压电磁阀并联冗余设计，提高系统工作可靠性及系统容错能力。增压电磁阀孔板可任意路调整，提高系统适应性。压系统避免了与发动机的耦合，省去了发动机换热器，节省研制成本，在不带发动机的情况下，增压系统可自行验证，提高了增压设计准确性。
附图说明
图1为本发明液氧温区冷氦增压系统组成示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。
实施例1：
一种液氧温区冷氦增压系统，包括液氧贮箱1、充气阀2、增压气瓶3、增压过滤器4、增压电磁阀5、孔板6、箱外换热管7、箱内换热管8、消能器9、燃料箱10、压力传感器11、增压控制器12、保险阀14、第一支架。
外部气源通过所述充气阀2向所述增压气瓶3内充入增压气体，增压气体采用但不限于氦气，增压气瓶3的氦气温度不超过92K，压力不低于21MPa；所述增压气瓶3通过第一支架固定浸泡在液氧贮箱1内的液氧中，所述增压气瓶3位于所述液氧贮箱1内且靠近所述液氧贮箱1气枕的一端；所述增压气瓶3内的增压气体依次通过增压过滤器4、增压电磁阀5、孔板6、箱外换热管7、箱内换热管8、消能器9进入燃料箱10；所述增压电磁阀5和孔板6共同用于控制增压气体的流量；所述箱外换热管7用于增压气体与外部空气进行热交换；所述箱内换热管8用于增压气体与燃料箱10内的燃料进行热交换；所述箱外换热管7和箱内换热管8均采用S型或回型设计，增加相应管路长度；所述消能器9用于减小增压气体动能且控制增压气体的气流方向；所述箱内换热管8、消能器9位于所述燃料箱10内。所述消能器9采用喇叭口结构，所述消能器9的出口方向与所述燃料箱10的轴线平行；所述消能器9的出口设有多层筛网。
所述压力传感器11用于测量所述燃料箱10内的气枕压力，然后发送给所述增压控制器12；所述增压控制器12用于控制所述增压电磁阀5。所述压力传感器11同时测量三路所述燃料箱10内的气枕压力，所述增压控制器12采用三取二方法，判断所述燃料箱10内的气枕真实压力。所述增压电磁阀5采用多路并联的方法；所述增压控制器12根据所述燃料箱10内的气枕真实压力，控制所述增压电磁阀5全部或部分打开。
所述保险阀14安装在所述燃料箱10上；如果燃料箱10内的气枕压力大于等于预设安全压力时所述保险阀14开启，否则所述保险阀14保持关闭。
实施例2：
本发明一种液氧温区冷氦增压系统，液氧贮箱1内用于贮存液氧，增压气瓶3浸泡在液氧贮箱1内的液氧中，通过支架安装在液氧贮箱1的内壁上，外部气源通过过滤器13和充气阀2为增压气瓶3内充入氦气，氦气温度冷却至与液氧温度相当，氦气在高压、低温下贮存，提高贮存密度。增压气体通过增压过滤器4进入下游系统中，通过增压电磁阀5、孔板6控制并调节流量后，进入下游箱外换热管7，管路内增压介质被外部气体加热温度升高，然后进入箱内换热管8，增压介质进一步与燃料箱中的燃料换热，换热后的增压气体通过消能器9进入燃料箱10内的气枕增压；
燃料箱10设置三路压力传感器11，并将压力信号发送给增压控制器12，增压控制器12根据设定的压力控制逻辑控制增压电磁阀5工作，判断条件为三取二模式，当其中任意两路传感器均满足判断条件时，该判据成立。当燃料箱内气枕压力低于设置的压力值时，增压控制器12控制增压电磁阀5开启，开始增压。当燃料箱10内的压力升高至所设置的压力带上限时，增压控制器12控制增压电磁阀5关闭，停止增压。
具体的，如图1所示，本实施例包括液氧贮箱1、充气阀2、增压气瓶3、增压过滤器4、增压电磁阀5、孔板6、箱外换热管7、箱内换热管8、消能器9、燃料箱10、压力传感器11、增压控制器12、过滤器13、保险阀14；
从地面增压气体充气管路接口经过滤器13和气瓶充气阀2与充气管路相连，充气管路穿过液氧贮箱1，与液氧贮箱1内的增压气瓶3相连，增压气瓶3安装在液氧贮箱内壁面上，通过支架固定。增压气体通过增压管路穿过液氧贮箱1与增压过滤器4相连，增压过滤器4下游分为多路，分别与并联的多路增压电磁阀5、增压孔板6相连，孔板6出口汇总为一路后，与燃料箱侧壁的箱外换热管7相连，增压管路再穿过燃料箱10，与燃料箱10内换热管路8相连，换热管出口引至燃料箱10上部气枕的消能器9，增压气体通过消能器9减速、均匀喷入燃料箱10增压。
液氧贮箱1内用于贮存液氧，液氧加注后，增压气瓶3浸泡在液氧贮箱1内，通过支架安装在液氧贮箱1内壁上，事先通过过滤器13和气瓶充气阀2为增压气瓶内充入常温288K高压氦气，氦气温度逐渐冷却至与液氧温度相当，氦气在高压(21MPa～38MPa)、低温(约80K～92K)下贮存，提高贮存密度。
燃料箱10上部设置三路压力传感器11，三路压力传感器11的压力信号均发送至增压控制器12，增压控制器12按照设置的逻辑控制增压电磁阀5开启和关闭；控制逻辑为压力三取二模式，即对三路压力传感器11的压力值分别进行判断，当其中任意两路满足判断条件时，该判据成立，输出控制指令；
电磁阀压力控制带包括压力上限值和压力下限值，该值可以是常数，也可以是随时间变化的函数，当其中任意两路压力传感器11反馈的燃料箱10的气枕压力低于压力下限时，控制增压电磁阀5开启，当判读为燃料箱10的气枕压力高于压力上限值时，控制增压电磁阀5关闭。当判断为燃料箱10的气枕压力在上下限之间时，维持上一动作。多路增压电磁阀5设置不同的压力控制带或相同的压力带，多路同时进行箱压反馈控制，确保燃料箱10的气枕压力控制在需要的压力范围内。
当燃料箱10内的燃料消耗，气枕压力低于设置的压力下限时，增压电磁阀5开启，增压气体通过增压电磁阀5、孔板6按照一定的流量进入下游管路，箱外换热管7裸露在燃料箱10外，或采取整流罩通风设计，通过飞行中的气动加热效应，使内部增压气体充分吸收热量，然后进入燃料箱10内的换热管路8中，与燃料换热后，进一步提高增压介质温度，最后进入消能器9，消能器9位于燃料箱10顶部，为喇叭口结构，通过多层筛网降低增压气体的流速，减小增压气体动能，同时能够控制增压气体沿特定的方向吹入燃料箱气枕内，使气流方面沿燃料箱10径向平面均匀分布，增大与燃料液面的换热面积，最终增压气体与气枕壁面及贮箱上表面的燃料换热，提高气枕平均温度，满足燃料箱10的增压需求。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种液氧温区冷氦增压系统，其特征在于，包括液氧贮箱（1）、充气阀（2）、增压气瓶（3）、增压过滤器（4）、增压电磁阀（5）、孔板（6）、箱外换热管（7）、箱内换热管（8）、消能器（9）、燃料箱（10）、压力传感器（11）、增压控制器（12）；
外部气源通过所述充气阀（2）向所述增压气瓶（3）内充入增压气体；所述增压气瓶（3）浸泡在液氧贮箱（1）内的液氧中；所述增压气瓶（3）内的增压气体依次通过增压过滤器（4）、增压电磁阀（5）、孔板（6）、箱外换热管（7）、箱内换热管（8）、消能器（9）进入燃料箱（10）；所述增压电磁阀（5）和孔板（6）共同用于控制增压气体的流量；所述箱外换热管（7）通过飞行过程中的气动加热效应，使增压气体充分吸收热量；所述箱内换热管（8）用于增压气体与燃料箱（10）内的燃料进行热交换；所述消能器（9）用于减小增压气体动能且控制增压气体的气流方向；所述箱内换热管（8）、消能器（9）位于所述燃料箱（10）内；
所述压力传感器（11）用于测量所述燃料箱（10）内的气枕压力，然后发送给所述增压控制器（12）；所述增压控制器（12）用于控制所述增压电磁阀（5）；
所述箱外换热管（7）位于燃料箱（10）外部；
所述消能器（9）采用喇叭口结构，所述消能器（9）的出口方向与所述燃料箱（10）的轴线平行；所述消能器（9）的出口设有多层筛网；
所述箱外换热管（7）和箱内换热管（8）均采用S型或回型设计，增加相应管路长度。
2.根据权利要求1所述的一种液氧温区冷氦增压系统，其特征在于，还包括保险阀（14）；所述保险阀（14）安装在所述燃料箱（10）上；如果燃料箱（10）内的气枕压力大于等于预设安全压力时所述保险阀（14）开启，否则所述保险阀（14）保持关闭。
3.根据权利要求1所述的一种液氧温区冷氦增压系统，其特征在于，所述增压气瓶（3）的氦气温度不超过92K，压力不低于21MPa。
4.根据权利要求1~3之一所述的一种液氧温区冷氦增压系统，其特征在于，还包括第一支架，所述增压气瓶（3）通过第一支架固定浸泡在液氧贮箱（1）内的液氧中。
5.根据权利要求1~3之一所述的一种液氧温区冷氦增压系统，其特征在于，所述增压气瓶（3）位于所述液氧贮箱（1）内且靠近所述液氧贮箱（1）气枕的一端。
6.根据权利要求1~3之一所述的一种液氧温区冷氦增压系统，其特征在于，所述压力传感器（11）同时测量三路所述燃料箱（10）内的气枕压力，所述增压控制器（12）采用三取二方法，判断所述燃料箱（10）内的气枕真实压力。
7.根据权利要求6所述的一种液氧温区冷氦增压系统，其特征在于，所述增压电磁阀（5）采用多路并联的方法；所述增压控制器（12）根据所述燃料箱（10）内的气枕真实压力，控制所述增压电磁阀（5）全部或部分打开。
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