CN110758776B - 一种低温推进剂在轨零蒸发被动绝热贮箱 - Google Patents
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Abstract
一种低温推进剂空间零蒸发被动绝热贮箱,包括内容器和外容器,内容器与外容器间通过支撑杆连接支撑,内容器与外容器之间构成夹层腔,外容器的外壁面包裹多层绝热层;内容器连接有第一加注管和第一排放管,第一加注管上安装有第一调节阀,第一排放管出口安装有第一安全阀;夹层腔与第二加注管、第二排放管连接,第二加注管上安装有第二调节阀,第二排放管出口安装有第二安全阀;多层绝热层采用金属反射屏与非金属间隔物相间构成,或采用金属反射屏与局部紧固件相间构成;金属反射屏可调节电压改变发射屏的发射率;本发明利用变发射率反射屏与夹层腔流体蓄热调节贮箱通过阴影区与光照区的传热走向与分配关系,实现低温推进剂空间无损贮存。
Description
技术领域
本发明属于航天低温推进剂存储技术领域,具体涉及一种低温推进剂在轨零蒸发被动绝热贮箱。
背景技术
低温推进剂在支撑大载荷进入空间、深空探测领域具有显著优势,但低温推进剂也存在低沸点、易蒸发的缺点,其在轨长期贮存期间,空间漏热会造成推进剂的蒸发损失,并引起贮箱压力升高。深空探测的顺利开展有赖于对低温推进剂系统开展有效的热防护,降低推进剂蒸发损失、甚至实现无损存储。
低温推进剂贮箱热防护技术决定了可用燃料量及系统空间管理的复杂性,低温推进剂贮箱的热防护包括被动技术与主动技术,其中,被动技术包括多层绝热层(MLI)、低导热非接触支撑杆(PODS)、蒸气冷却屏、热遮挡屏等;主动技术主要指低温制冷机技术。
被动热防护技术的作用在于降低推进剂贮箱的空间热侵,但无法完全隔绝漏热。随着时间持续,箱内低温推进剂仍会升温、蒸发并引起压力升高。当前的被动绝热技术对应的推进剂蒸发损失仍偏大,无法支撑更远距离的深空探测。
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了一种低温推进剂在轨零蒸发被动绝热贮箱,利用变发射率反射屏与夹层腔流体蓄热作用调节贮箱通过阴影区与光照区的传热走向与分配关系,实现低温推进剂空间无损贮存。
为了达到上述目的,本发明采取的技术方案为:
一种低温推进剂空间零蒸发被动绝热贮箱,包括内容器1和外容器2,内容器1与外容器2间通过支撑杆5连接支撑,内容器1与外容器2之间构成夹层腔3,外容器2的外壁面包裹多层绝热层4;
内容器1连接有第一加注管10和第一排放管9,第一加注管10上安装有第一调节阀11,第一排放管9出口安装有第一安全阀8;
夹层腔3与第二加注管13、第二排放管6连接,第二加注管13上安装有第二调节阀13,第二排放管6出口安装有第二安全阀7。
所述的内容器1、外容器2采用不锈钢或铝合金材料制成,外容器2完全包裹内容器1;内容器1内部能够充注液氢、液氧或液甲烷等低温推进剂,夹层腔3内充注氦气、或与内容器1内推进剂同工质流体;当内容器1充注液氢时,夹层腔3充注液氢或氦气;当内容器1内充注液氧、液甲烷时,夹层腔3内充注液氧、液甲烷、液氮或氦气。
所述的夹层腔3壁面为光滑表面,或通过机械加工形成微结构,夹层腔3的宽度在cm量级;夹层腔3内充注低温工质,充注氦气时,要求光照区漏热作用下氦气温度低于内容器1内设定最高温度;充注液体时,要求充注率满足光照区始终存在液相,且夹层腔3内流体温度小于内容器1内低温推进剂最高温度。
所述的多层绝热层4采用金属反射屏15与非金属间隔物14相间构成,层密度为10~20层/cm;或采用金属反射屏15与局部紧固件16相间构成,确保金属反射屏15之间的非接触;金属反射屏15采用交叉打孔或开狭缝的方式确保层间气体能够快速泄流;局部紧固件16采用非金属材料制成以降低通过紧固件的漏热。
所述的非金属间隔物14采用涤纶或丝网,局部紧固件16采用非金属材料制成。
所述的金属反射屏15通过在柔性聚合物基层21表面依次制备第一金属电致变色层20、离子导电层19、第二金属电致变色层18、铝格栅17而成;第一金属电致变色层20、第二金属电致变色层18通过连接导线23与电源22相接。
所述的金属反射屏15的多层镀层制备方法为蒸发法、溅射法、溶胶凝胶法、化学气相沉积法、脉冲激光沉积法、阳极氧化法、电沉积法或离子镀法。
本发明的有益效果:
由于金属反射屏15由第一金属电致变色层20、离子导电层19、第二金属电致变色层18、铝格栅17构成,处于光照区时,热量向贮箱内部传递,金属反射屏15由电信号控制,处于低发射率状态,有利于减少向内部的传热量;处于阴影区时,改变电压信号,金属反射屏15处于高发射率状态,强化多层绝热层4向宇宙冷背景的辐射散热,电致变发射率金属反射屏15仅借助微弱的电量即可实现发射率的改变,借助飞行器自身的电源系统即可满足要求,无需额外设置电源系统。
由于夹层腔3内填充低温工质,可有效减缓外界周期性变化热环境对箱内低温流体的热扰动。光照区时,漏热传至夹层腔3,夹层腔3内流体仅发生微小温度升高,从而确保夹层腔3向内容器1的传热较小,低温推进剂温升也较小;阴影区时,夹层腔3向多层绝热层4传热,造成夹层腔3内流体温度降低,内容器1内部的低温推进剂温度随之降低。
此外,夹层腔3无需采用真空技术,支撑杆5置于夹层腔3的流体环境中,被夹层腔3内低温流体所冷却,极大降低了通过支撑杆5的漏热量,因此,贮箱结构简单,工作可靠。
本发明通过绝热贮箱结构的设计、电致变发射率金属反射屏的使用、飞行器轨道热环境匹配技术,仅借助被动绝热技术即可实现低温推进剂空间长期贮存的零蒸发目标,避免了对大功率、高耗能低温制冷机的依赖,对深空探测具有重要的价值。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明多层绝热层结构示意图,图(a)为金属反射屏15与非金属间隔物14相间构成多层绝热层4的示意图;图(b)为局部紧固件16和金属反射屏15相间构成多层绝热层4的示意图。
图3为本发明金属反射屏15的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细描述。
如图1所示,一种低温推进剂空间零蒸发被动绝热贮箱,包括内容器1和外容器2,内容器1与外容器2间通过支撑杆5连接支撑,内容器1与外容器2之间构成夹层腔3,外容器2的外壁面包裹多层绝热层4;
内容器1连接有第一加注管10和第一排放管9,第一加注管10上安装有第一调节阀11,第一调节阀11控制第一加注管10的通断,第一排放管9出口安装有第一安全阀8;
夹层腔3与第二加注管13、第二排放管6连接,第二加注管13上安装有第二调节阀13,第二调节阀13控制第二加注管13通断,第二排放管6出口安装有第二安全阀7。
所述的内容器1、外容器2采用不锈钢或铝合金材料制成,外容器2完全包裹内容器1;内容器1内部能够充注液氢、液氧、液甲烷等低温推进剂,夹层腔3内充注氦气、或与内容器1内推进剂同工质流体。当内容器1充注液氢时,夹层腔3充注液氢或氦气;当内容器1内充注液氧、液甲烷时,夹层腔3内充注液氧、液甲烷、液氮或氦气等。
所述的夹层腔3壁面为光滑表面,或通过机械加工形成微结构,增大表面润湿性;夹层腔3的宽度约在~cm量级;夹层腔3内充注少量的低温工质,充注氦气时,要求光照区漏热作用下氦气温度低于内容器1内设定最高温度;充注液体时,要求充注率满足光照区始终存在液相,且夹层腔3内流体温度小于内容器1内低温推进剂最高温度。
所述的支撑杆5采用不锈钢材料或非金属材料制成,支撑杆5也能够通过受压或拉伸作用实现内容器1与外容器2之间的连接,由于支撑杆5置于夹层腔3内流体的饱和温度环境中,其承载的固体导热作用可忽略。
如图2(a)、(b)所示,所述的多层绝热层4采用金属反射屏15与非金属间隔物14相间构成,层密度为10~20层/cm;或用局部紧固件16替代非金属间隔物14,即采用金属反射屏15与局部紧固件16相间构成,确保金属反射屏15之间的非接触;金属反射屏15采用交叉打孔或开狭缝的方式确保层间气体能够快速泄流;局部紧固件16采用非金属材料制成以降低通过紧固件的漏热,且局部紧固件16的布置以实现金属反射屏15不接触为目标,多层绝热层4包裹外容器2的全部外表面与连接管路;所述的非金属间隔物14采用涤纶或丝网,局部紧固件16采用非金属材料制成。
如图3所示,所述的金属反射屏15通过在柔性聚合物基层21表面依次喷镀第一金属电致变色层20、离子导电层19、第二金属电致变色层18、铝格栅17制成;第一金属电致变色层20、第二金属电致变色层18通过连接导线23与电源22相接,当处于光照区时,接通向第一金属电致变色层20、第二金属电致变色层18的供电,金属反射屏15具有较低发射率,以减少空间热侵;当处于阴影区时,断开向第一金属电致变色层20、第二金属电致变色层18的供电,金属反射屏15具有较高发射率,以强化金属反射屏15向宇宙冷背景的辐射散热。
本发明的工作原理是:
当贮箱系统处于轨道光照区时,调节电源22向第一金属电致变色层20、第二金属电致变色层18的供电压,金属反射屏15具有最低发射率;由于多层绝热层4的绝热保护,投射到贮箱表面的空间辐射热仅有较少热量可传至夹层腔3,该漏热引起夹层腔3内充注流体的升温或气化,引起夹层腔3压力升高;绝热结构设计以光照区漏热所造成的夹层腔3流体升温小于内容器1内低温推进剂设定温度为目标,由于夹层腔3内低温流体的存在,壁面漏热首先加热夹层腔3内低温工质,再由夹层腔3向内容器1内低温推进剂传递,从而进一步降低低温推进剂在光照区的吸热量。
当燃料系统处于阴影区时,调节电源22向第一金属电致变色层20、第二金属电致变色层18的供电压,金属反射屏15具有最高发射率;由于光照区向贮箱传递热量主要蓄集于多层绝热层4与夹层腔3内低温流体内,因此,阴影区时多层绝热层4温度高于宇宙冷背景温度,多层绝热层4向宇宙冷背景辐射散热,且由于金属反射屏15在阴影区具有更高的发射率,多层绝热层4向外的辐射散热显著增强;同时,夹层腔3内流体温度降低,内容器1内低温推进剂向夹层腔3内传热,产生低温推进剂在阴影区的降温效果;若阴影区内容器1向夹层腔3的传热与光照区的漏热量相等,则可实现整个周期内低温推进剂净漏热为零,实现无损贮存的目标。
Claims (6)
1.一种低温推进剂空间零蒸发被动绝热贮箱,其特征在于:包括内容器(1)和外容器(2),内容器(1)与外容器(2)间通过支撑杆(5)连接支撑,内容器(1)与外容器(2)之间构成夹层腔(3),外容器(2)的外壁面包裹多层绝热层(4);
内容器(1)连接有第一加注管(10)和第一排放管(9),第一加注管(10)上安装有第一调节阀(11),第一排放管(9)出口安装有第一安全阀(8);
夹层腔(3)与第二加注管(13)、第二排放管(6)连接,第二加注管(13)上安装有第二调节阀(13),第二排放管(6)出口安装有第二安全阀(7);
所述的内容器(1)、外容器(2)采用不锈钢或铝合金材料制成,外容器(2)完全包裹内容器(1);内容器(1)内部能够充注液氢、液氧或液甲烷的低温推进剂,夹层腔(3)内充注氦气或与内容器(1)内推进剂同工质流体;当内容器(1)充注液氢时,夹层腔(3)充注液氢或氦气;当内容器(1)内充注液氧、液甲烷时,夹层腔(3)内充注液氧、液甲烷、液氮或氦气。
2.根据权利要求1所述的一种低温推进剂空间零蒸发被动绝热贮箱,其特征在于:所述的夹层腔(3)壁面为光滑表面,或通过机械加工形成微结构,夹层腔(3)的宽度在~cm量级;夹层腔(3)内充注低温工质,充注氦气时,要求光照区漏热作用下氦气温度低于内容器(1)内设定最高温度;充注液体时,要求充注率满足光照区始终存在液相,且夹层腔(3)内流体温度小于内容器(1)内低温推进剂最高温度。
3.根据权利要求1所述的一种低温推进剂空间零蒸发被动绝热贮箱,其特征在于:所述的多层绝热层(4)采用金属反射屏(15)与非金属间隔物(14)相间构成,层密度为10~20层/cm;或采用金属反射屏(15)与局部紧固件(16)相间构成,确保金属反射屏(15)之间的非接触;金属反射屏(15)采用交叉打孔或开狭缝的方式确保层间气体能够快速泄流;局部紧固件(16)采用非金属材料制成以降低通过紧固件的漏热。
4.根据权利要求3所述的一种低温推进剂空间零蒸发被动绝热贮箱,其特征在于:所述的非金属间隔物(14)采用涤纶,局部紧固件(16)采用非金属材料制成。
5.根据权利要求3所述的一种低温推进剂空间零蒸发被动绝热贮箱,其特征在于:所述的金属反射屏(15)通过在柔性聚合物基层(21)表面依次制备第一金属电致变色层(20)、离子导电层(19)、第二金属电致变色层(18)、铝格栅(17)而成;第一金属电致变色层(20)、第二金属电致变色层(18)通过连接导线(23)与电源(22)相接。
6.根据权利要求5所述的一种低温推进剂空间零蒸发被动绝热贮箱,其特征在于:所述的金属反射屏(15)的多层镀层制备方法为蒸发法、溅射法、溶胶凝胶法、化学气相沉积法、脉冲激光沉积法、阳极氧化法、电沉积法或离子镀法。
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