CN112460915B - 一种深度过冷液氧的制备装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种深度过冷液氧的制备装置及方法，该制备装置包括真空子系统、过冷液氮子系统和过冷液氧子系统；所述真空子系统包括真空容器和位于真空容器上法兰处的抽真空口；所述过冷液氮子系统包括液氮进液/排液管、过冷液氮容器和液氮排气/增压口；所述过冷液氧子系统包括过冷液氧进液/排液管、过冷液氧容器和液氧排气/增压口，对过冷液氮容器采用真空机组进行抽空至0.013MPa以下，利用减压液氮对液氧直接进行被动式换热冷却，实现液氧温度低于66K，密度提升不小于9％的目的，克服了现有技术中通过循环泵驱动液氧流动换热带来的中间传输过程的冷损，极大降低了技术方案和操作流程的复杂性，节约了成本。

Description

一种深度过冷液氧的制备装置及方法
技术领域
本发明属于低温运载技术领域，特别涉及一种深度过冷液氧的制备装置及方法。
背景技术
液氢液氧低温推进剂被认为是进行空间及轨道转移效率最高的化学推进剂，在国内外运载火箭和上面级上得到了广泛的应用。低温推进剂深度过冷对提升低温液体火箭运载能力、延长低温加注后等待时间、延长深空探测任务时间等具有显著优势。通过液氧深度过冷，获得密度、低温热容较现有饱和态低温推进剂有显著性能提升的浆态化或过冷态的低温推进剂产品，可解决低温推进剂密度小、易蒸发的问题，进一步提高现役或在研运载火箭运载能力，以及运载系统的任务容错性和安全性。
研究表明，液氢密度增加8％，液氧密度增加10％，运载火箭总的起飞质量将减少20％。可见，采用过冷态低温推进剂进行加注，可显著减小箭体尺寸和结构重量，增加推进剂加注量，这是提升低温运载火箭运载能力的一个重要途径。
过冷低温推进剂不仅可减小运载火箭的质量，而且会降低操作成本，如可重复使用运载器估计可节省11％的操作成本。过冷低温推进剂也可提高主发动机的性能，如现有的航天飞机主发动机使用过冷低温推进剂，可在相同推力条件下降低涡轮机械转速，使发动机的寿命提高或推力提升。
现有技术中深度过冷液氧的制备装置通常采用抽空减压和换热过冷的方案，一般是通过循环泵或压力驱动液氧至过冷器内部的换热器进行换热过冷，然后再回流至过冷液氧贮箱，过冷器内部介质一般采用液氮，该方案需要驱动液氧进出过冷器，中间传输过程在泵、阀门、管路上与空气换热产生大量漏热，使得过冷液氧的温度品质下降，大规模制备时操作难度大。
我国开展低温推进剂深度过冷技术研究，替代现有的饱和态低温推进剂加注方案，将显著提升我国CZ-3A系列、CZ-5、CZ-7以及正在论证的CZ-9重型运载火箭和新一代载人火箭的运载能力，有效减小起飞规模和研制成本。
发明内容
为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种深度过冷液氧的制备装置及方法，该制备装置结构紧凑，液氧直接与抽空减压的过冷液氮通过容器壁面进行换热冷却，过冷液氧被过冷液氮包围，提供了较低温度的环境条件，实现了高品质过冷液氧的制备，克服了现有技术中通过循环泵驱动液氧流动换热带来的中间传输过程的冷损，极大降低了技术方案和操作流程的复杂性，节约了成本，从而完成本发明。
本发明提供的技术方案如下：
第一方面，一种深度过冷液氧的制备装置，包括真空子系统、过冷液氮子系统和过冷液氧子系统；
所述真空子系统，包括真空容器和位于真空容器上法兰处的抽真空口，抽真空口上游设置有第六截止阀，用作开关控制，抽真空口与真空机组连通，对真空容器进行抽真空；
所述过冷液氮子系统，包括液氮进液/排液管、过冷液氮容器和液氮排气/增压口；所述过冷液氮容器位于真空容器的内部；所述液氮进液/排液管穿过第一颈管进入过冷液氮容器底部，通过第一截止阀进行通断控制；所述液氮排气/增压口与第四颈管相连，通过第四截止阀进行通断控制；所述第四颈管与真空机组相连，通过第三截止阀进行通断控制；
所述过冷液氧子系统，包括过冷液氧进液/排液管、过冷液氧容器和液氧排气/增压口；所述过冷液氧容器位于过冷液氮容器的内部；所述过冷液氧进液/排液管穿过第二颈管进入过冷液氧容器底部；所述液氧排气/增压口与第二颈管相连，并通过第五截止阀控制通断。
第二方面，一种深度过冷液氧的制备方法，包括：
打开第六截止阀，保持第三截止阀关闭，启动真空机组，对真空容器抽真空至10- 3Pa及以下，关闭第六截止阀和真空机组；
依次打开第一截止阀、第四截止阀，自液氮进液/排液管处通入常温常压的氮气对过冷液氮容器进行置换；
依次打开第二截止阀、第五截止阀，自液氧进液/排液管处通入常温常压的氧气对过冷液氧容器进行置换，置换完毕后完毕，关闭第二截止阀、第五截止阀；
将少量常压下饱和液氮沿液氮进液/排液管依次经过第一截止阀、第一颈管挤压进入过冷液氮容器底部，对过冷液氮容器和过冷液氧容器进行预冷，预冷结束后将液氮加注至过冷液氮容器容积的80～95％，停止加注液氮；关闭第一截止阀、第四截止阀，同时打开第三截止阀和真空机组，真空机组对过冷液氮容器抽空减压，始终控制过冷液氮容器的压力小于0.013MPa，使得过冷液氮容器内的液氮温度低于66K；
依次打开第二截止阀、第五截止阀，将常压下饱和液氧沿液氧进液/排液管依次经过第二截止阀、第二颈管挤压进入过冷液氧容器底部，加注至过冷液氧容器容积的80～95％，停止加注液氧。过冷液氮容器通过过冷液氧容器的金属壁面对过冷液氧容器内的液氧进行换热冷却，实现液态氧深度过冷至66K以下。
根据本发明提供的一种深度过冷液氧的制备装置及方法，具有以下有益效果：
(1)本发明提供的一种深度过冷液氧的制备装置，液氧直接与抽空减压的过冷液氮通过容器壁面进行换热冷却，过冷液氧被过冷液氮包围，提供了较低温度的环境条件，实现了高品质过冷液氧的制备，克服了现有技术中通过循环泵驱动液氧流动换热带来的中间传输过程的冷损，极大降低了技术方案和操作流程的复杂性，节约了成本；
(2)本发明提供的一种深度过冷液氧的制备装置为原位深度过冷装置，该原位深度过冷装置配合液氧和液氮的加入顺序，通过液氮预先冷却过冷液氧容器，避免了传统方式中直接进液氧导致的液氧大量蒸发造成液氧损耗的问题；
(3)本发明中过冷液氧容器与液氮容器为一体化设计，二者共用一个上法兰，该法兰与真空容器上法兰之间通过四个颈管焊接固定，颈管一方面提供承载功能，另一方面颈管内部可嵌入加注/泄出管路、温度和压力传感器的电缆或接口、排气/增压管路等，通过集成减少了接口和导热漏热。
附图说明
图1示出本发明一种优选实施方式中深度过冷液氧的制备装置的结构示意图。
附图标号说明
1-液氮进液/排液管、2-第一截止阀、3-液氧进液/排液管、4-第二截止阀、5-真空容器，6-变密度多层隔热组件、7-过冷液氮容器、8-过冷液氧容器、9-浮子密度计、10-浮子、11-真空机组、12-第三截止阀、13-抽真空口、14-第四截止阀、15-氮气排气/增压口、16-压力采集装置、17-温度采集装置、18-温度传感器、19-氧气排气/增压口、20-第五截止阀、21-第一颈管、22-第二颈管、23-第三颈管、24-第四颈管、25-第一温度压力测量口、26-第二温度压力测量口、27-第六截止阀、28-金属丝。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
根据本发明的第一方面，提供了一种深度过冷液氧的制备装置，如图1所示，包括真空子系统、过冷液氮子系统和过冷液氧子系统；
所述真空子系统，包括真空容器5和位于真空容器5上法兰处的抽真空口13，抽真空口13上游设置有第六截止阀27，用作开关控制，抽真空口13与真空机组11连通，对真空容器5进行抽真空；
所述过冷液氮子系统，包括液氮进液/排液管1、过冷液氮容器7和液氮排气/增压口15；所述过冷液氮容器7位于真空容器5的内部；所述液氮进液/排液管1穿过第一颈管21进入过冷液氮容器7底部，通过第一截止阀2进行通断控制；所述液氮排气/增压口15与第四颈管24相连，通过第四截止阀14进行通断控制；所述第四颈管24与真空机组11相连，通过第三截止阀12进行通断控制；
所述过冷液氧子系统，包括过冷液氧进液/排液管3、过冷液氧容器8和液氧排气/增压口19；所述过冷液氧容器8位于过冷液氮容器7的内部；所述过冷液氧进液/排液管3穿过第二颈管22进入过冷液氧容器8底部；所述液氧排气/增压口19与第二颈管22相连，并通过第五截止阀20控制通断。
在本发明中，所述液氮进液/排液管1浸没在过冷液氮容器7液体中的管路上布置有温度传感器18；所述温度传感器穿过第一颈管21和第一温度压力测量口25，与外部的温度采集装置17相连，进行温度采集；所述第一温度压力测量口25与压力采集装置16相连，用于采集过冷液氮容器7内部的压力。
在本发明中，所述液氧进液/排液管3浸没在过冷液氧容器8液体中的管路上布置有温度传感器18；所述温度传感器穿过第二颈管22和第二温度压力测量口26，与外部的温度采集装置17相连，进行温度采集；所述第二温度压力测量口26与压力采集装置16相连，用于采集过冷液氧容器8内部的压力。
在本发明中，所述过冷液氮容器7通过真空机组11进行抽空至0.013MPa以下，使得过冷液氮容器7内的液氮饱和温度下降至66K以下，并通过位于过冷液氮容器7内的过冷液氧容器8的壁面直接与过冷液氧容器8内的液氧进行换热冷却，过冷液氧容器8内的液氧被冷却至66K以下，以获得深度过冷的液氧。其中，液氧直接与抽空减压的过冷液氮通过容器壁面进行换热冷却，过冷液氧被过冷液氮包围，提供了较低温度的环境条件，实现了高品质过冷液氧的制备，克服了现有技术中通过循环泵驱动液氧流动换热带来的中间传输过程的冷损，极大降低了技术方案和操作流程的复杂性，节约了成本。
在本发明中，所述过冷液氮容器7与过冷液氧容器8共用一个上法兰，该上法兰与真空容器5的上法兰之间通过至少四个颈管焊接固定。颈管一方面提供承载功能，另一方面颈管内部可嵌入加注/泄出管路、温度和压力传感器的电缆或接口、排气/增压管路等，通过集成减少了接口和导热漏热。
进一步地，所述过冷液氮容器7和过冷液氧容器8通过第一颈管21、第二颈管22、第三颈管23、第四颈管24与真空容器5的上法兰焊接连接；所述第一颈管21、第二颈管22、第三颈管23、第四颈管24与过冷液氮容器7和过冷液氧容器8的上法兰焊接，使过冷液氮容器7、过冷液氧容器8与真空容器5之间形成密封环境，并具备承载功能。
在本发明中，所述过冷液氮容器7金属壁面与真空容器5金属壁面之间的夹层真空度优于10-3Pa。
本发明中，所述过冷液氮子系统还包括变密度多层隔热组件6，所述变密度多层隔热组件6布置于过冷液氮容器7的外表面，用于隔热保温。
优选地，所述变密度多层隔热组件6采用30～60层，包括三个区间，从外至内依次为高密度区、中密度区和低密度区。其中，变密度多层隔热组件6间隔层为中空玻璃微球，中空玻璃微球与胶粘剂结合为颗粒状，并以点阵形式分布于变密度多层隔热组件的反射屏表面，通过控制颗粒的高度实现层密度的变化。该点阵分布的间隔层减少了接触传热面积，层间密度的设置减少了整体漏热，有利于过冷液氮低温的维持。
更优选地，高密度区的中空玻璃微珠间隔层的厚度最小，厚度优选为0.2～0.6mm；低密度区的中空玻璃微珠间隔层的厚度最大，厚度优选为1～1.6mm；中密度区的中空玻璃微珠间隔层的厚度优选为0.6mm～1mm。
本发明中，所述过冷液氧子系统还包括浮子密度计9，所述浮子密度计9与第三颈管23相连，并通过穿过第三颈管23的金属丝28与位于过冷液氧容器8内的浮子10相连。
根据本发明的第二方面，本发明提供了一种深度过冷液氧的制备方法，包括：
a、打开第六截止阀27，保持第三截止阀12关闭，启动真空机组11，对真空容器5抽真空至10-3Pa及以下，关闭第六截止阀27和真空机组11；
b、依次打开第一截止阀2、第四截止阀14，自液氮进液/排液管1处通入常温常压的氮气对过冷液氮容器7进行置换；
c、依次打开第二截止阀4、第五截止阀20，自液氧进液/排液管3处通入常温常压的氧气对过冷液氧容器8进行置换，置换完毕后完毕，关闭第二截止阀4、第五截止阀20；
d、将少量常压下饱和液氮沿液氮进液/排液管1依次经过第一截止阀2、第一颈管21挤压进入过冷液氮容器7底部，对过冷液氮容器7和过冷液氧容器8进行预冷，预冷结束后将液氮加注至过冷液氮容器7容积的80～95％，停止加注液氮；关闭第一截止阀2、第四截止阀14，同时打开第三截止阀12和真空机组11，真空机组11对过冷液氮容器7抽空减压，始终控制过冷液氮容器7的压力小于0.013MPa，使得过冷液氮容器7内的液氮温度低于66K；
e、依次打开第二截止阀4、第五截止阀20，将常压下饱和液氧沿液氧进液/排液管3依次经过第二截止阀4、第二颈管22挤压进入过冷液氧容器8底部，加注至过冷液氧容器8容积的80～95％，停止加注液氧。过冷液氮容器7通过过冷液氧容器8的金属壁面对过冷液氧容器8内的液氧进行换热冷却，实现液态氧深度过冷至66K以下。该原位深度过冷装置配合液氧和液氮的加入顺序，通过液氮预先冷却过冷液氧容器，避免了传统方式中直接进液氧导致的液氧大量蒸发造成液氧损耗。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
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。

Claims (9)

1.一种深度过冷液氧的制备装置，其特征在于，包括真空子系统、过冷液氮子系统和过冷液氧子系统；
所述真空子系统，包括真空容器（5）和位于真空容器（5）上法兰处的抽真空口（13），抽真空口（13）上游设置有第六截止阀（27），用作开关控制，抽真空口（13）与真空机组（11）连通，对真空容器（5）进行抽真空；
所述过冷液氮子系统，包括液氮进液/排液管（1）、过冷液氮容器（7）和液氮排气/增压口（15）；所述过冷液氮容器（7）位于真空容器（5）的内部；所述液氮进液/排液管（1）穿过第一颈管（21）进入过冷液氮容器（7）底部，通过第一截止阀（2）进行通断控制；所述液氮排气/增压口（15）与第四颈管（24）相连，通过第四截止阀（14）进行通断控制；所述第四颈管（24）与真空机组（11）相连，通过第三截止阀（12）进行通断控制；
所述过冷液氧子系统，包括过冷液氧进液/排液管（3）、过冷液氧容器（8）和液氧排气/增压口（19）；所述过冷液氧容器（8）位于过冷液氮容器（7）的内部；所述过冷液氧进液/排液管（3）穿过第二颈管（22）进入过冷液氧容器（8）底部；所述液氧排气/增压口（19）与第二颈管（22）相连，并通过第五截止阀（20）控制通断；
所述过冷液氮容器（7）与过冷液氧容器（8）共用一个上法兰，该上法兰与真空容器（5）的上法兰之间通过至少四个颈管焊接固定。
2.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，所述液氮进液/排液管（1）浸没在过冷液氮容器（7）液体中的管路上布置有温度传感器（18）；所述温度传感器穿过第一颈管（21）和第一温度压力测量口（25），与外部的温度采集装置（17）相连，进行温度采集；所述第一温度压力测量口（25）与压力采集装置（16）相连，用于采集过冷液氮容器（7）内部的压力。
3.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，所述液氧进液/排液管（3）浸没在过冷液氧容器（8）液体中的管路上布置有温度传感器（18）；所述温度传感器穿过第二颈管（22）和第二温度压力测量口（26），与外部的温度采集装置（17）相连，进行温度采集；所述第二温度压力测量口（26）与压力采集装置（16）相连，用于采集过冷液氧容器（8）内部的压力。
4.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，所述过冷液氮容器（7）通过真空机组（11）进行抽空至0.013MPa以下，使得过冷液氮容器（7）内的液氮饱和温度下降至66K以下，并通过位于过冷液氮容器（7）内的过冷液氧容器（8）的壁面直接与过冷液氧容器（8）内的液氧进行换热冷却，过冷液氧容器（8）内的液氧被冷却至66K以下，以获得深度过冷的液氧。
5.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，所述过冷液氮容器（7）和过冷液氧容器（8）通过第一颈管（21）、第二颈管（22）、第三颈管（23）、第四颈管（24）与真空容器（5）的上法兰焊接连接；所述第一颈管（21）、第二颈管（22）、第三颈管（23）、第四颈管（24）与过冷液氮容器（7）和过冷液氧容器（8）的上法兰焊接，使过冷液氮容器（7）、过冷液氧容器（8）与真空容器（5）之间形成密封环境，承载过冷液氮容器（7）和过冷液氧容器（8）。
6.根据权利要求5所述的制备装置，其特征在于，所述过冷液氮容器（7）金属壁面与真空容器（5）金属壁面之间的夹层真空度优于10-3Pa。
7.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，所述过冷液氮子系统还包括变密度多层隔热组件（6），所述变密度多层隔热组件（6）布置于过冷液氮容器（7）的外表面；所述变密度多层隔热组件（6）采用30~60层，包括三个区间，从外至内依次为高密度区、中密度区和低密度区；其中，变密度多层隔热组件（6）间隔层为中空玻璃微球，中空玻璃微球与胶粘剂结合为颗粒状，并以点阵形式分布于变密度多层隔热组件的反射屏表面，通过控制颗粒的高度实现层密度的变化。
8.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，所述过冷液氧子系统还包括浮子密度计（9），所述浮子密度计（9）与第三颈管（23）相连，并通过穿过第三颈管（23）的金属丝（28）与位于过冷液氧容器（8）内的浮子10相连。
9.一种深度过冷液氧的制备方法，其特征在于，使用权利要求1至8之一所述的深度过冷液氧的制备装置实施，包括：
打开第六截止阀（27），保持第三截止阀（12）关闭，启动真空机组（11），对真空容器（5）抽真空至10-3Pa及以下，关闭第六截止阀（27）和真空机组（11）；
依次打开第一截止阀（2）、第四截止阀（14），自液氮进液/排液管（1）处通入常温常压的氮气对过冷液氮容器（7）进行置换；
依次打开第二截止阀（4）、第五截止阀（20），自液氧进液/排液管（3）处通入常温常压的氧气对过冷液氧容器（8）进行置换，置换完毕后完毕，关闭第二截止阀（4）、第五截止阀（20）；
将少量常压下饱和液氮沿液氮进液/排液管（1）依次经过第一截止阀（2）、第一颈管（21）挤压进入过冷液氮容器（7）底部，对过冷液氮容器（7）和过冷液氧容器（8）进行预冷，预冷结束后将液氮加注至过冷液氮容器（7）容积的80~95%，停止加注液氮；关闭第一截止阀（2）、第四截止阀（14），同时打开第三截止阀（12）和真空机组（11），真空机组（11）对过冷液氮容器（7）抽空减压，始终控制过冷液氮容器（7）的压力小于0.013MPa，使得过冷液氮容器（7）内的液氮温度低于66K；
依次打开第二截止阀（4）、第五截止阀（20），将常压下饱和液氧沿液氧进液/排液管（3）依次经过第二截止阀（4）、第二颈管（22）挤压进入过冷液氧容器（8）底部，加注至过冷液氧容器（8）容积的80~95%，停止加注液氧；过冷液氮容器（7）通过过冷液氧容器（8）的金属壁面对过冷液氧容器（8）内的液氧进行换热冷却，实现液态氧深度过冷至66K以下。
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