CN112665209A - 一种温度精准响应的热力学排气系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种温度精准响应的热力学排气系统及其控制方法，贮箱中布置多组温度传感器，所有喷嘴均安装电磁阀，数据采集器采集温度传感器数据传输给计算机，计算机通过逻辑运算控制喷嘴的通断，当局部区域的当量温度超过临界饱和温度时，对应喷嘴开启，低温流体从喷嘴流出冷却相应区域，实现点对点精准控温控压；通过获取不同位置贮箱内壁面温度，根据温度差异采取不同温度响应策略，控制各喷嘴的通断，从而降低了低温循环泵抽取推进剂所需的功，减少了低温推进剂的循环流量和排气损失，实现了对贮箱内高温区域的精准响应。

Description

一种温度精准响应的热力学排气系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种热力学排气系统，特别涉及一种温度精准响应的热力学排气系统及其控制方法。
背景技术
低温推进剂具有燃料性能高、无毒、比冲大等特点，能很好地满足航天器有效载荷和能量密度的要求。以液氢、液氧、液态甲烷为代表的低温液体仍是未来空间航天器推进剂的首选。然而低温条件对于在轨贮箱的绝热提出了更为严格的要求。即便是绝热良好的低温储存系统，空间热环境的热泄漏小于5W/m2，仍会导致贮箱内低温推进剂局部温度上升，引起液体蒸发甚至沸腾，从而导致贮箱内压力上升，严重威胁航天器的安全。在微重力条件下，贮箱内气泡的位置及形状受航天器飞行姿态以及表面张力等弱力影响，与地面条件下气泡处于贮箱顶部的情形有所不同，除此之外，箱内高温区域也会随着气泡位置的变化而变化，因此航天器在轨运行期间控制贮箱内温度和压力就不同于地面上直接在贮箱顶部开孔泄压，而对在轨航天器的控温和控压提出了新要求。
由Rock International corporation在公开号为US5398515的美国专利中提出的热力学排气系统(Thermodynamic Vent System,TVS)是能够满足上述要求的有效解决方案之一。TVS通过低温循环泵抽出一部分贮箱内的流体，并将其分为两股，其中一小股流经节流阀获得冷量并冷却另一股主流流体后排出，主流流体被冷却后经喷射杆喷射进入贮箱内并与贮箱内流体充分混合，从而实现对贮箱内流体的降温降压。然而，传统TVS系统仍存在以下问题：喷射杆喷射的流体从所有喷嘴流出，但对于高温区域的冷却仅仅只有几个甚至一个喷嘴起主导作用，从而导致泵功效率下降以及排液的增加，造成不必要的能量损耗和推进剂损失。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种温度精准响应的热力学排气系统及其控制方法，能实现对贮箱内不同位置温度的实时监控，有针对性和目的性地降低高温区域的温度，从而以更少的能耗达到控温控压的目的。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种温度精准响应的热力学排气系统，包括贮箱、低温循环泵、节流阀、喷射杆、套管式换热器、数据采集仪和计算机；
所述贮箱用于储存推进剂，贮箱上下壁面分别连接有推进剂排气管和循环管路，排气管上设置有排气口电磁阀，循环管路上设置有用于实现贮箱内推进剂循环的低温循环泵；
喷射杆位于贮箱内部，喷射杆内部为套管式换热器，循环管路一端与贮箱相连、另一端与贮箱内的套管式换热器结壳程相连，排气管与贮箱内的套管式换热器结管程相连，喷射杆外壳上安装有多个喷嘴，每个喷嘴上均安装有喷嘴电磁阀，贮箱外还设置有节流管路一端与循环管路相连、另一端与贮箱内的套管式换热器结管程相连，节流阀安装在节流管路上；
所述贮箱上安装有压力传感器，循环管路和节流管路上分别安装有流量传感器，多组温度传感器安装在贮箱上并与各喷嘴位置一一对应布置；
套管式换热器主流流体流经壳程，节流流体流经管程，节流后流体与主流流体在套管式换热器内进行换热，降温后的主流流体达到不同喷口处，从喷嘴喷射进入贮箱内对贮箱内推进剂降温，节流流体温升后从排气管排出；
所述数据采集仪用于采集各压力传感器、流量传感器和温度传感器的数据并传输给计算机；计算机对接收的传感器数据经逻辑运算后做出逻辑判断，并发出信号控制低温循环泵、节流阀、排气口电磁阀及各喷嘴电磁阀的通断，完成热力学排气系统自动化响应。
进一步，多组温度传感器布置在贮箱内壁面。
进一步，所述贮箱两端为椭圆封头，中间主体为圆筒结构，贮箱上铺设有多层变密度绝热材料。
进一步，所述循环管路上的流量传感器布置在循环泵之前，节流管路上的流量传感器布置在节流阀之前。
进一步，所述套管式换热器内主流流体和节流流体在套管式换热器内顺流流动，主流流体换热后温度降低，再逆向流动达到不同喷口处，从不同喷嘴喷射进入贮箱内。
进一步，所述排气口电磁阀和喷嘴电磁阀为低温电磁阀。
温度精准响应的热力学排气系统的控制方法，计算机通过数据采集器采集各温度传感器的数据后计算每个喷嘴的当量温度并与临界饱和温度进行逻辑判断，当喷嘴的当量温度大于临界饱和温度时发出指令开启相应喷嘴上的电磁阀、低温循环泵、节流阀以及排气口电磁阀，低温推进剂在低温循环泵的作用下进入循环管路，并分为两股流体，一股流体流经节流阀后温度降低，随后与另一股主流流体在喷射杆内的套管式换热器中换热，换热后温度升高通过排气管排出，主流流体换热后温度降低并从喷嘴喷射进入贮箱内，从而实现贮箱内温度和压力的精准响应。
进一步，任意一个喷嘴所对应的当量温度T由下式计算：
Figure BDA0002841698610000031
式中，n为温度传感器的数量，Li为第i个温度传感器与所求喷嘴对应的温度传感器在竖直方向上的距离，Lave为竖直方向上任意两个相邻温度传感器的平均距离，αi为第i个温度传感器与所求喷嘴对应的温度传感器在水平方向上的夹角，Ti为第i个温度传感器的温度。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明的热力学排气系统，贮箱中布置多组温度传感器，所有喷嘴均安装电磁阀，数据采集器采集温度传感器数据传输给计算机，计算机通过逻辑运算控制喷嘴的通断，当局部区域的当量温度超过临界饱和温度时，对应喷嘴开启，低温流体从喷嘴流出冷却相应区域，实现点对点精准控温控压。
本发明通过获取不同位置贮箱内壁面温度，根据温度差异采取不同温度响应策略，控制各喷嘴的通断，从而降低了低温循环泵抽取推进剂所需的功，减少了低温推进剂的循环流量和排气损失，延长了航天器在轨运行时间，同时实现了对贮箱内高温区域的精准响应，使得喷射降温更具针对性和目的性，确保贮箱内高温区域温度高效迅速地下降，为低温推进剂的空间轨道热管理提供了新的思路和技术支持。
本发明充分考虑了整个流场的温度影响，对不同区域采用不同的控制策略，实现精准响应；相比起传统TVS，其能减少低温循环泵2的耗功以及推进剂的排出损失，延长了航天器在轨运行时间，增强温度响应的针对性和准确性，且技术上易于实现，大大提高了TVS的控温控压效率，降低能耗。
附图说明
图1为本发明实施例的系统工作原理示意图；
图2为图1中虚线框I内的具体三维结构示意图；
其中：1-贮箱，2-低温循环泵，3-节流阀，4-喷射杆，5-套管式换热器，6-排气管，7-排气口电磁阀，8-温度传感器，9-流量传感器，10-压力传感器，11-数据采集仪，12-计算机，13-喷嘴，14-喷嘴电磁阀，15-连接法兰。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。
如图1和图2所示，本发明的种温度精准响应的热力学排气系统，包括贮箱1，低温循环泵2，节流阀3，喷射杆4，套管式换热器5，数据采集仪11，计算机12。
所述贮箱1为两端为椭圆封头，中间主体为圆筒的筒体结构，贮箱为低温贮箱，其上铺设多层变密度绝热材料，贮箱1用于储存推进剂，贮箱上下壁面分别连接有推进剂排气管6和循环管路；排气管6上设置有排气口电磁阀7，根据计算机指令完成对排气管路的控制，用于控制排气管的通断；循环管路上设置有低温循环泵2，设置在贮箱外，用于实现贮箱内推进剂的循环。
节流阀3设置在贮箱外，一端与低温循环泵相连，另一端与喷射杆相连，作用是通过焦耳-汤姆孙效应获取冷量；
喷射杆4位于贮箱内部，连接法兰15固定于贮箱1下端封头的内侧底部，用于连接循环管路和喷射杆4；喷射杆一端与循环管路相连，另一端与排气管相连，用于主流流体降温以及温降后流体喷射；喷射杆4内嵌有套管式换热器5，其外布置有多个喷嘴13，喷嘴13上安装有电磁阀14，用于控制各喷嘴13的通断；节流后流体与主流流体在套管式换热器5内进行换热，主流流体降温后从喷嘴13喷射进入贮箱1，节流流体温升后从排气管6排出。
传感器包括监测壁面温度的温度传感器8、贮箱压力的压力传感器10、推进剂循环总流量以及节流流量的流量传感器9；压力传感器10装入贮箱1内部，用于监测贮箱1内部压力；流量传感器9布置在循环泵2之前和节流阀3之前，分别用于采集循环管路推进剂总流量以及流经节流阀3的流量；温度传感器8布置在贮箱1内壁面，贮箱1内壁面布置有多组温度传感器8其与喷嘴13一一对应，用于监测贮箱1内壁面不同点的温度；
数据采集仪11与传感器连接，数据采集仪11采集来自压力传感器10、流量传感器9和温度传感器8的数据并传输给计算机12；计算机12接收来自数据采集仪11的数据，经逻辑运算之后，做出逻辑判断，并发出信号对低温循环泵2、节流阀3以及排气口电磁阀7、喷嘴电磁阀14传输指令，控制其通断，完成热力学排气系统自动化响应。
作为本发明的进一步限定，所述喷射杆包含一个套管式换热器以及多个喷嘴，所述套管式换热器主流流体流经管程，节流流体流经壳程，主流流体和节流流体在套管式换热器内顺流流动，主流流体换热后温度降低，再逆向流动达到不同喷口处，从喷嘴喷射进入贮箱内，所述喷嘴均安装电磁阀。
作为本发明的进一步限定，所述温度传感器均匀布置在贮箱壁面，与所述喷嘴一一对应。排气口电磁阀7和喷嘴电磁阀14为低温电磁阀，且受计算机控制。
本发明的工作原理是：
任意一个喷嘴13所对应的当量温度T由下式计算：
Figure BDA0002841698610000061
式中n为温度传感器8的数量，Li为第i个温度传感器8与所求喷嘴13对应的温度传感器8在竖直方向上的距离，Lave为竖直方向上任意两个相邻温度传感器8的平均距离，αi为第i个温度传感器8与所求喷嘴13对应的温度传感器8在水平方向上的夹角，Ti为第i个温度传感器8的温度。如图2所示，如若需确定b温度传感器8对a温度传感器8对应喷嘴13的影响，则Li应取图中两虚线间距离，αi由于是四等距分布故此时应取90°。
当获取任意一个喷嘴13的当量温度T后，与上限压力所对应的饱和温度Tsat比较，若所求喷嘴13的当量温度T大于Tsat，则计算机12发出指令，开启低温循环泵2、节流阀3、排气口电磁阀7以及所求喷嘴电磁阀14；低温推进剂从贮箱1内流出，流经低温循环泵2，此后分为两股流体，一小股流体流过节流阀3，根据焦耳-汤姆孙效应，高压流体在绝热且不对外做功条件下由于快速膨胀到低压引起温度变化，对于低温液体推进剂，其流经节流阀3温度降低，降温后的流体与另一股主流流体在套管式换热器5内进行热交换，节流流体换热后温度升高，并由排气管6排出，主流流体换热后温度降低，从开启的喷嘴13喷射进入贮箱1内，冷却该区域的流体，实现对贮箱的控温控压管理。
本发明采用计算机12控制喷嘴电磁阀14的模式，通过式(1)可以发现，喷嘴13的当量温度不仅仅受所求喷嘴13对应的温度传感器8的影响，还受到周围区域流体温度的影响，式(1)综合考虑了整个流场的温度对所求喷嘴13的作用；
当所求喷嘴13对应的温度传感器8达到临界饱和温度但周围区域流体未达到临界饱和温度时，所求喷嘴13不一定处于开启状态，此时可利用周围流体冷却该区域流体；
当所求喷嘴13对应的温度传感器8未达到临界状态但周围区域流体温度达到临界饱和温度时，所求喷嘴13可能处于开启状态，可利用所求喷嘴13喷射出的低温流体冷却周围区域，同时避免该区域达到临界饱和温度。
传统TVS喷射模块采用全通或全断模式，当贮箱内温度达到临界饱和温度时，低温循环泵2、节流阀3以及排气口电磁阀7全部开启，所有喷嘴13均向贮箱1内喷射低温流体，在一定流量下，每个喷嘴13喷射流量较小，为保证降温效果，循环流量需要增大，因此低温循环泵2耗功增加；同时，为保证对主流流体的降温效果，节流流体流量增大，则排出贮箱1的流体流量增大，推进剂损失增加。
通过对比可以发现，本发明充分考虑了整个流场的温度影响，对不同区域采用不同的控制策略，实现精准响应；相比起传统TVS，其能减少低温循环泵2的耗功以及推进剂的排出损失，延长了航天器在轨运行时间，增强温度响应的针对性和准确性，且技术上易于实现，大大提高了TVS的控温控压效率。
参照上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种温度精准响应的热力学排气系统，其特征在于：包括贮箱(1)、低温循环泵(2)、喷射杆(4)、套管式换热器(5)、数据采集仪(11)和计算机(12)；
所述贮箱(1)用于储存推进剂，贮箱上下壁面分别连接有推进剂排气管(6)和循环管路，排气管(6)上设置有排气口电磁阀(7)，循环管路上设置有用于实现贮箱内推进剂循环的低温循环泵(2)；
喷射杆(4)位于贮箱内部，喷射杆(4)内部为套管式换热器(5)，循环管路一端与贮箱相连、另一端与贮箱内的套管式换热器结壳程相连，排气管(6)与贮箱内的套管式换热器结管程相连，喷射杆(4)外壳上安装有多个喷嘴(13)，每个喷嘴(13)上均安装有喷嘴电磁阀(14)，贮箱(1)外还设置有节流管路一端与循环管路相连、另一端与贮箱内的套管式换热器结管程相连，节流阀(3)安装在节流管路上；
所述贮箱(1)上安装有压力传感器(10)，循环管路和节流管路上分别安装有流量传感器(9)，多组温度传感器(8)安装在贮箱(1)上并与各喷嘴(13)位置一一对应布置；
套管式换热器(5)主流流体流经壳程，节流流体流经管程，节流后流体与主流流体在套管式换热器5内进行换热，降温后的主流流体达到不同喷口处，从喷嘴喷射进入贮箱内对贮箱内推进剂降温，节流流体温升后从排气管(6)排出；
所述数据采集仪(11)用于采集各压力传感器(10)、流量传感器(9)和温度传感器(8)的数据并传输给计算机(12)；计算机(12)对接收的传感器数据经逻辑运算后做出逻辑判断，并发出信号控制低温循环泵(2)、节流阀(3)、排气口电磁阀(7)及各喷嘴电磁阀(14)的通断，完成热力学排气系统自动化响应。
2.根据权利要求1所述的温度精准响应的热力学排气系统，其特征在于：多组温度传感器(8)布置在贮箱(1)内壁面。
3.根据权利要求1所述的温度精准响应的热力学排气系统，其特征在于：所述贮箱(1)两端为椭圆封头，中间主体为圆筒结构，贮箱上铺设有多层变密度绝热材料。
4.根据权利要求1所述的温度精准响应的热力学排气系统，其特征在于：所述循环管路上的流量传感器(9)布置在循环泵(2)之前，节流管路上的流量传感器(9)布置在节流阀(3)之前。
5.根据权利要求1所述的温度精准响应的热力学排气系统，其特征在于：所述套管式换热器内主流流体和节流流体在套管式换热器内顺流流动，主流流体换热后温度降低，再逆向流动达到不同喷口处，从不同喷嘴喷射进入贮箱内。
6.根据权利要求1所述的温度精准响应的热力学排气系统，其特征在于：所述排气口电磁阀(7)和喷嘴电磁阀(14)为低温电磁阀。
7.如权利要求1-6任一项所述温度精准响应的热力学排气系统的控制方法，其特征在于：计算机(12)通过数据采集器(11)采集各温度传感器(8)的数据后计算每个喷嘴(13)的当量温度并与临界饱和温度进行逻辑判断，当喷嘴(13)的当量温度大于临界饱和温度时发出指令开启相应喷嘴(13)上的电磁阀(14)、低温循环泵(2)、节流阀(3)以及排气口电磁阀(7)，低温推进剂在低温循环泵(2)的作用下进入循环管路，并分为两股流体，一股流体流经节流阀(3)后温度降低，随后与另一股主流流体在喷射杆(4)内的套管式换热器(5)中换热，换热后温度升高通过排气管(6)排出，主流流体换热后温度降低并从喷嘴(13)喷射进入贮箱内，从而实现贮箱内温度和压力的精准响应。
8.根据权利要求7所述温度精准响应的热力学排气系统的控制方法，其特征在于：任意一个喷嘴(13)所对应的当量温度T由下式计算：
Figure FDA0002841698600000021
式中，n为温度传感器(8)的数量，Li为第i个温度传感器(8)与所求喷嘴(13)对应的温度传感器(8)在竖直方向上的距离，Lave为竖直方向上任意两个相邻温度传感器(8)的平均距离，αi为第i个温度传感器(8)与所求喷嘴(13)对应的温度传感器(8)在水平方向上的夹角，Ti为第i个温度传感器(8)的温度。
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