CN112483879A - 一种紧凑型高效绝热超临界氦贮罐 - Google Patents

一种紧凑型高效绝热超临界氦贮罐 Download PDF

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Abstract

一种紧凑型高效绝热超临界氦贮罐，属于增压输送技术领域，该超临界氦贮罐采用双层真空多层绝热的结构形式，包括内胆(1)、外壳(2)、加注及排液管(3)、温度及液位计导管(4)、增压及排气管(5)、安全排气管(6)、抽真空活门导管(7)、外壳体连接环(8)、绝热层。贮罐采用两端支撑的紧凑布局结构，有效缩小了贮罐体积，大大减小了贮罐对箭上安装空间的需求。贮罐采用真空夹层、热辐射隔绝材料、高热阻设计等多种漏热控制措施，大大减少了贮罐漏热，确保贮罐绝热性能满足运载火箭超临界氦的贮存、待发需求。

Description

一种紧凑型高效绝热超临界氦贮罐
技术领域
本发明涉及一种紧凑型高效绝热超临界氦贮罐，属于增压输送技术领域。
背景技术
未来运载器的大重型化、重复使用、长期在轨必然要求增压系统携带的气量越来越大，可靠性和安全性要求越来越高，同时自身结构重量要小。传统的增压方式已难以满足这些新的需求；探索高效、安全、可靠的新型增压技术对未来我国航天实力的发展及空间地位的稳固都尤为关键。
超临界氦是将液态氦加温、增压后转变为一种介于液态和气态之间的特殊形态，其贮存密度大、流动性能好，且不存在气液分层，作为增压系统的介质源可以有效提高增压效率，减小系统重量。超临界氦贮罐是超临界氦增压系统的核心部件，实际应用过程中，超临界氦贮罐必须具备轻量紧凑、高效绝热、高效抗振等特点以适应运载火箭的苛刻空间、环境要求；而现有低温氦贮罐不适用于超临界氦的贮存。
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，提供了一种紧凑型高效绝热超临界氦贮罐，该超临界氦贮罐采用双层真空多层绝热的结构形式，包括内胆、外壳、加注及排液管、温度及液位计导管、增压及排气管、安全排气管、抽真空活门导管、外壳体连接环、绝热层。贮罐采用两端支撑的紧凑布局结构，有效缩小了贮罐体积，大大减小了贮罐对箭上安装空间的需求。贮罐采用真空夹层、热辐射隔绝材料、高热阻设计等多种漏热控制措施，大大减少了贮罐漏热，确保贮罐绝热性能满足运载火箭超临界氦的贮存、待发需求。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：
一种紧凑型高效绝热超临界氦贮罐，包括内胆、外壳、加注及排液管、温度及液位计导管、增压及排气管、安全排气管、抽真空活门导管、柱状支撑结构、绝热层；
所述内胆套装在外壳内，且通过安装于内胆两端的两个柱状支撑结构与外壳连接，内胆和外壳之间设有夹层；所述绝热层位于夹层内，且包覆内胆；两个柱状支撑结构分别为柱状支撑结构A和柱状支撑结构B，所述加注及排液管由柱状支撑结构A进入夹层，并通过柱状支撑结构B与内胆连通；所述增压及排气管由柱状支撑结构B进入夹层，并通过柱状支撑结构A与内胆连通；所述温度及液位计导管通过柱状支撑结构A与内胆连通；所述抽真空活门导管通过柱状支撑结构B与夹层连通；所述安全排气管通过柱状支撑结构B与内胆连通。
上述紧凑型高效绝热超临界氦贮罐，优选的，所述绝热层包括反射层和间隔层，反射层采用铝箔制成，间隔层选用硅酸盐绝热材料制成。
上述紧凑型高效绝热超临界氦贮罐，优选的，所述内胆为球形结构，外壳为球锥结合体。
上述紧凑型高效绝热超临界氦贮罐，优选的，增压气体通过增压及排气管对内胆进行增压，使液氦转化为超临界状态。
上述紧凑型高效绝热超临界氦贮罐，优选的，通过抽真空活门导管对夹层进行抽真空，减小对流漏热。
上述紧凑型高效绝热超临界氦贮罐，优选的，所述间隔层为多层缠绕结构，且间隔层设有开孔、印花、褶皱。
上述紧凑型高效绝热超临界氦贮罐，优选的，所述柱状支撑结构包括支撑结构紧固螺栓、绝热垫块、外壳体连接环；所述绝热垫块通过支撑结构紧固螺栓固定套装在柱状支撑上，且绝热垫块紧贴内胆。
上述紧凑型高效绝热超临界氦贮罐，优选的，所述绝热垫块上设有通孔。
上述紧凑型高效绝热超临界氦贮罐，优选的，所述柱状支撑在靠近内胆处采用爪状结构。
上述紧凑型高效绝热超临界氦贮罐，优选的，所述绝热层上设有开孔，且表面印花、褶皱化。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
(1)本发明采用球形内胆套装于球锥结合形外壳体内，形成真空夹层，确保靠近贮罐赤道部位直径最小，同时保证两端支撑局部具有足够空间进行夹层管路布局。
(2)本发明的贮罐两端采用空心柱状支撑结构对内胆起支撑作用，支撑结构内部中空，布置有加注、排液、增压、排气管及接头，支撑结构外部设置外壳体连接环，实现内胆外球连接。
(3)本发明的柱状支撑结构采用爪状设计、同时在支撑与内胆连接部位设置绝热垫块，减小了支撑结构与内胆的接触热阻，提高了贮罐的绝热性能。爪状设计同时形成了夹层抽真空的流通通道。
(4)本发明的增压/排气管、加注/排液管采用盘绕设计方法，在夹层内盘绕，增大了管路热阻，提高了贮罐的绝热性能。
(5)本发明的夹层间隔层为多层缠绕结构，且间隔层设有开孔、印花、褶皱，在提高绝热效果的同时提高了夹层抽真空的效率。
(5)本发明结构布局紧凑，贮罐体积得到了有效控制，大大减小了对箭上安装空间的需求；
(6)本发明采用多种漏热控制措施，大大减少了贮罐漏热，确保满足运载火箭的待发需求。
附图说明
图1为紧凑型高效绝热超临界氦贮罐结构示意图。
图2为柱状支撑结构示意图。
图3为柱状支撑结构8内部管路及接头第一示意图。
图4为柱状支撑结构8内部管路及接头第二示意图
图5为柱状支撑结构8的局部爪状结构。
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。
一种紧凑型高效绝热超临界氦贮罐，包括内胆1、外壳2、加注及排液管3、温度及液位计导管4、增压及排气管5、安全排气管6、抽真空活门导管7、柱状支撑结构8、绝热层；所述内胆1套装在外壳2内，且通过安装于内胆1两端的两个柱状支撑结构8与外壳2连接，内胆1和外壳2之间设有夹层；所述绝热层位于夹层内，且包覆内胆1；两个柱状支撑结构8分别为柱状支撑结构A和柱状支撑结构B，所述加注及排液管3由柱状支撑结构A进入夹层，并通过柱状支撑结构B与内胆1连通；所述增压及排气管5由柱状支撑结构B进入夹层，并通过柱状支撑结构A与内胆1连通；所述温度及液位计导管4通过柱状支撑结构A与内胆1连通；所述抽真空活门导管7通过柱状支撑结构B与夹层连通；所述安全排气管6通过柱状支撑结构B与内胆1连通。
作为本发明的一种优选方案，所述绝热层包括反射层和间隔层，反射层采用铝箔制成，间隔层选用硅酸盐绝热材料制成。
作为本发明的一种优选方案，所述内胆1为球形结构，外壳2为球锥结合体。
作为本发明的一种优选方案，增压气体通过增压及排气管5对内胆1进行增压，使液氦转化为超临界状态。
作为本发明的一种优选方案，通过抽真空活门导管7对夹层进行抽真空，减小对流漏热。
作为本发明的一种优选方案，所述间隔层为多层缠绕结构，且间隔层设有开孔、印花、褶皱。
作为本发明的一种优选方案，所述柱状支撑结构8包括支撑结构紧固螺栓9、绝热垫块10、外壳体连接环11；所述绝热垫块10通过支撑结构紧固螺栓9固定套装在柱状支撑8上，且绝热垫块10紧贴内胆1。所述绝热垫块10上设有通孔。所述柱状支撑8在靠近内胆1处采用爪状结构。
作为本发明的一种优选方案，所述绝热层上设有开孔，且表面印花、褶皱化。
实施例1：
一种紧凑型高效绝热超临界氦贮罐，如图1所示，紧凑型高效超临界氦贮罐采用双层真空多层绝热的结构形式。贮罐包括内胆1、外壳2、加注及排液管3、温度及液位计导管4、增压及排气管5、安全排气管6、抽真空活门导管7、柱状支撑结构8、绝热层；所述柱状支撑结构8包括支撑结构紧固螺栓9、绝热垫块10、外壳体连接环11。
内胆1、外壳2之间的夹层包覆绝热层，其中绝热层包括反射层和间隔层，反射层材料采用铝箔、间隔层材料选用硅酸盐绝热材料。
如图2～4所示，内胆1两端设置结构紧凑的柱状支撑结构8，柱状支撑结构8内部布置加注、排液、增压、排气管及接头，内胆1、外壳2夹层布置加注、排液、增压、排气导管，同时柱状支撑结构8上设置外壳体连接环11，实现内胆外球连接。
贮罐正式投入使用前，通过抽真空活门导管7对贮罐夹层进行抽真空。液氦通过加注及排液管3注入贮罐内胆1，增压气体通过增压排气管5对贮罐内胆5进行增压，使液氦转化为超临界状态。通过高效绝热，确保在运载火箭待发期间，贮罐因漏热导致的液氦损失较小。
实施例2：
一种紧凑型高效绝热超临界氦贮罐，基于实施例1，更进一步的，超临界氦贮罐采用双层真空多层绝热的形式，内胆1为球形、外壳2采用球锥结合体的形式。两端采用空心柱状支撑结构8，并在柱状支撑结构8内部布置加注、排液、增压、排气管及接头，夹层布置加注、排液、增压、排气导管，同时柱状支撑结构8上设置外壳体连接环11，实现内胆外球连接。结构布局紧凑，贮罐体积得到了有效控制，大大减小了对箭上安装空间的需求。
柱状支撑结构8与内壳体连接部位采用爪状结构，如图5所示，大大减小了漏热面积，柱状支撑结构8通过支撑结构紧固螺栓9与贮罐内壳体连接，同时在连接面上设置绝热垫块10。加注导管对外接口设置在上端支撑结构上，通过上支撑结构、夹层导管、下支撑结构连接至贮罐底部；增压导管对外接口设置在下支撑结构上，通过下支撑结构、夹层导管、上支撑结构连接至贮罐顶部；增大了热阻，大大减小了热传导漏热。
夹层包覆绝热层，绝热层包括反射层和间隔层，大大减小了辐射漏热。
夹层通过设置的抽空导管进行抽真空，大大减小了对流漏热。为保证夹层能够保持所要求真空度，绝热反射层材料采用铝箔、间隔物材料选用硅酸盐绝热层，并预先在多层绝材料上开孔、印花、褶皱化，增大抽真空流导；采用较薄的隔热材料和松软的多层缠绕结构；在使用绝热材料前将材料在高温下烘烤，促进材料的气体脱附出来，降低层间压强；在绝热层内加入吸气剂吸附材料表面释放的气体；采用气体置换等相关措施改善抽真空工艺。
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 (10)

1.一种紧凑型高效绝热超临界氦贮罐，其特征在于，包括内胆(1)、外壳(2)、加注及排液管(3)、温度及液位计导管(4)、增压及排气管(5)、安全排气管(6)、抽真空活门导管(7)、柱状支撑结构(8)、绝热层；
所述内胆(1)套装在外壳(2)内，且通过安装于内胆(1)两端的两个柱状支撑结构(8)与外壳(2)连接，内胆(1)和外壳(2)之间设有夹层；所述绝热层位于夹层内，且包覆内胆(1)；两个柱状支撑结构(8)分别为柱状支撑结构A和柱状支撑结构B，所述加注及排液管(3)由柱状支撑结构A进入夹层，并通过柱状支撑结构B与内胆(1)连通；所述增压及排气管(5)由柱状支撑结构B进入夹层，并通过柱状支撑结构A与内胆(1)连通；所述温度及液位计导管(4)通过柱状支撑结构A与内胆(1)连通；所述抽真空活门导管(7)通过柱状支撑结构B与夹层连通；所述安全排气管(6)通过柱状支撑结构B与内胆(1)连通。
2.根据权利要求1所述的一种紧凑型高效绝热超临界氦贮罐，其特征在于，所述绝热层包括反射层和间隔层，反射层采用铝箔制成，间隔层选用硅酸盐绝热材料制成。
3.根据权利要求1所述的一种紧凑型高效绝热超临界氦贮罐，其特征在于，所述内胆(1)为球形结构，外壳(2)为球锥结合体。
4.根据权利要求1所述的一种紧凑型高效绝热超临界氦贮罐，其特征在于，增压气体通过增压及排气管(5)对内胆(1)进行增压，使液氦转化为超临界状态。
5.根据权利要求1所述的一种紧凑型高效绝热超临界氦贮罐，其特征在于，通过抽真空活门导管(7)对夹层进行抽真空，减小对流漏热。
6.根据权利要求1所述的一种紧凑型高效绝热超临界氦贮罐，其特征在于，所述间隔层为多层缠绕结构，且间隔层设有开孔、印花、褶皱。
7.根据权利要求1所述的一种紧凑型高效绝热超临界氦贮罐，其特征在于，所述柱状支撑结构(8)包括支撑结构紧固螺栓(9)、绝热垫块(10)、外壳体连接环(11)；所述绝热垫块(10)通过支撑结构紧固螺栓(9)固定套装在柱状支撑(8)上，且绝热垫块(10)紧贴内胆(1)。
8.根据权利要求7所述的一种紧凑型高效绝热超临界氦贮罐，其特征在于，所述绝热垫块(10)上设有通孔。
9.根据权利要求7所述的一种紧凑型高效绝热超临界氦贮罐，其特征在于，所述柱状支撑(8)在靠近内胆(1)处采用爪状结构。
10.根据权利要求2～7之一所述的一种紧凑型高效绝热超临界氦贮罐，其特征在于，所述绝热层上设有开孔，且表面印花、褶皱化。
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