CN112696287B - 姿控发动机真空热环境试验用推进剂供应系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及液体火箭发动机环境模拟试验技术，具体涉及一种姿控发动机真空热环境试验用推进剂供应系统及方法，以解决现有姿控发动机真空热环境推进剂供应中，推进剂在高低温环境下性能极不稳定的问题。本发明所采用的技术方案包括入口阀、供应管路、穿舱法兰、抽真空系统和充填放液系统；供应管路包括依次连通的舱外管路、穿舱管路和发动机入口管路，舱外管路包括由内至外依次设置的舱外中心管和舱外真空夹层；穿舱管路包括由内至外依次设置的穿舱中心管、穿舱真空夹层、穿舱包覆层；发动机入口管路包括由内至外依次设置的入口中心管、入口真空夹层和入口防热包覆层；本发明还提供一种姿控发动机真空热环境试验用推进剂供应方法。
Description
技术领域
本发明涉及液体火箭发动机环境模拟试验技术，具体涉及一种姿控发动机真空热环境试验用推进剂供应系统及方法。
背景技术
在进行2000N量级的液体姿控发动机真空热环境点火试验时，发动机推进剂供应需穿舱供应，由于真空舱壁上设置低温冷却系统，推进剂供应管路中的推进剂需要经过舱壁低于-100℃的低温环境和舱内液体姿控发动机推进剂入口处超过100℃的高温环境。目前液体火箭发动机采用的推进剂为氧化剂绿色四氧化二氮(MON-3)和燃料甲基肼，其中绿色四氧化二氮沸点21.15℃，冰点-11.23℃；甲基肼沸点87.5℃，冰点-52.35℃，进而推进剂在高低温环境下性能极不稳定，存在以下问题：
1、推进剂供应管路在穿舱管路段由于舱壁温度低于-100℃，推进剂在该位置容易发生凝结现象，推进剂供应会堵塞供应管路，推进剂供应时流量供应起伏大，使得姿控发动机不能安全平稳启动；
2、在姿控发动机340kW/m2大热流加载环境中，推进剂供应管路在发动机推进剂入口管路温度超过100℃，推进剂在该位置容易发生热分解，使推进剂燃烧不充分，不能向发动机提供充足的动力支持。
发明内容
本发明在于解决现有姿控发动机真空热环境推进剂供应中，推进剂在高低温环境下性能极不稳定，易发生凝结和热分解，不能可靠稳定的向姿控发动机供应推进剂的问题，而提供一种姿控发动机真空热环境试验用推进剂供应系统方法。
本发明所采用的技术方案为：一种姿控发动机真空热环境试验用推进剂供应系统，包括供应管路、设置在供应管路上的入口阀、穿舱法兰，所述穿舱法兰设置在真空舱壁上，所述供应管路穿过穿舱法兰，
其特殊之处在于：
还包括抽真空系统和充填放液系统；
所述供应管路包括依次连通的舱外管路、穿舱管路和发动机入口管路，所述舱外管路与充填放液系统连通；相邻两个管路之间、舱外管路和充填放液系统出口之间、以及发动机入口管路和发动机推进剂入口之间均通过球头外套接管嘴连接；
所述舱外管路包括由内至外依次设置的舱外中心管和舱外真空夹层，所述舱外中心管与抽真空系统连接；
所述穿舱管路包括由内至外依次设置的穿舱中心管、穿舱真空夹层、穿舱包覆层；
所述发动机入口管路包括由内至外依次设置的入口中心管、入口真空夹层和入口防热包覆层；所述舱外真空夹层、穿舱真空夹层和入口真空夹层上均设置有真空接管嘴，分别通过真空接管嘴与抽真空系统连接；
所述穿舱包覆层由内至外依次包括两层第一无碱玻璃纤维带层、第一单面镀铝聚酰亚胺单面压敏胶带层、两层第一保温棉层；
所述入口防热包覆层由内至外依次包括两层第二无碱玻璃纤维带层、第二单面镀铝聚酰亚胺单面压敏胶带层、两层第二保温棉层、铝箔纸层；
所述抽真空系统用于对舱外真空夹层、穿舱真空夹层、入口真空夹层以及各管路的中心管抽真空；
所述充填放液系统与舱外中心管入口连通，用于将推进剂高压充填至发动机推进剂入口。
进一步地，所述穿舱法兰上包敷有保温棉。
进一步地，所述舱外真空夹层、穿舱真空夹层和入口真空夹层的真空度均小于2Pa。
进一步地，所述入口防热包覆层的铝箔纸层外部还捆扎有直径为0.5±0.1mm的保险固定丝，所述保险固定丝为铁丝。
进一步地，所述供应管路可设置有两条，用于分别向发动机供应燃料和氧化剂。
本发明还提供了一种姿控发动机真空热环境试验用推进剂供应方法，采用上述的所述姿控发动机真空热环境试验用推进剂供应系统，包括以下步骤：
1)将供应管路依次分为舱外管路、穿舱管路和发动机入口管路，相邻管路间通过球头外套接管嘴连接；同时在各管路外设置真空夹层，在穿舱管路和发动机入口管路的真空夹层上分别设置穿舱包覆层和入口防热包覆层；其中的穿舱管路通过穿舱法兰穿过真空舱壁；
2)试验前对各管路的中心管进行抽真空排气，确保充填过程中无夹气现象；
3)打开供应管路的入口阀，高压推进剂依次经过常温的舱外管路、低温的穿舱管路、及高温发动机入口管路后填充至发动机推进剂入口。
进一步地，步骤3)中，所述高压推进剂的压力为正常推进剂压力的1.4-1.5倍，所述正常推进剂压力为0.5±0.1Mpa。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果。
一、本发明采用的姿控发动机真空热环境试验用推进剂供应系统，通过试验前对发动机推进剂供应系统采用抽真空排气、高压充填，并对穿舱管路和发动机入口管路采用隔热设计和防护，将推进剂供应温度控制在常温范围内，实现了340kW/m2大热流加载环境中推进剂低温穿舱供应以及发动机入口高温推进剂的可靠供应，确保了试验过程中推进剂供应系统的稳定性和安全性。
二、本发明采用的姿控发动机真空热环境试验用推进剂供应系统，在舱外管路上设置真空夹层，真空夹层实现了真空绝热，降低了推进剂与外部常温环境的换热，使推进剂稳定输送至真空舱；
在穿舱管路上设置穿舱真空夹层和穿舱包覆层可保证在舱壁温度低于-100℃的情况下，穿舱管路内推进剂温度大于0℃，防止推进剂在该处发生凝固；其中设置的穿舱包覆层，不仅减少了管路与舱壁的接触面积，实现局部低温防护，达到了推进剂在穿舱管路保温输送的目的，还能防止与发动机入口管路连接处的热量传递；
在发动机入口管路上入口真空夹层和入口防热包覆层，可保证外界环境温度超过100℃(短暂)的情况下，管路内推进剂温度低于20℃；实现了推进剂在发动机推进剂入口高温环境下的有效隔热，提高了推进剂供应的可靠性和稳定性。
三、本发明采用的姿控发动机真空热环境试验用推进剂供应系统，设置的充填放液系统将高压推进剂高压充填至姿控发动机，提高了推进剂的饱和蒸汽压，降低了热加载导致推进剂热分解风险。
四、本发明采用的姿控发动机真空热环境试验用推进剂供应系统，在入口防热包覆层中设置的铝箔纸层，可将热量反射至真空舱内，避免了舱内热流环境的热辐射和高温传递至发动机入口管路上。
五、本发明采用的姿控发动机真空热环境试验用推进剂供应系统，试验前对发动机各管路的中心管进行抽真空排气，一方面提高了推进剂充填密度，另一方面确保推进剂充填过程中无夹气现象，避免了燃料与空气混合反应导致的试验火灾危险。
附图说明
图1为本发明姿控发动机真空热环境试验用推进剂供应系统的结构示意图。
图2为本发明姿控发动机真空热环境试验用推进剂供应系统穿舱管路的剖视图。
图3为本发明姿控发动机真空热环境试验用推进剂供应系统发动机入口管路的剖视图。
图4为本发明姿控发动机真空热环境试验用推进剂供应系统穿舱管路结构示意图。
图5为本发明中充填放液系统的原理图。
图6为本发明中抽真空系统的原理图。
图中：
1-入口阀，2-供应管路，21-舱外管路，22-穿舱管路，221-第一无碱玻璃纤维带层，222-第一单面镀铝聚酰亚胺单面压敏胶带层，223-第一保温棉层，23-发动机入口管路，231-第二无碱玻璃纤维带层，232-第二单面镀铝聚酰亚胺单面压敏胶带层，233-第二保温棉层，234-铝箔纸层，24-球头外套接管嘴，25-燃料供应管路，251-燃料吹除管路，252-燃料放液管路，26-氧化剂供应管路，261-氧化剂吹除管路，262-氧化剂放液管路，3-穿舱法兰，4-真空舱壁，5-抽真空系统，51-加注操作台，6-充填放液系统，7-真空接管嘴。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例和附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例并非对本发明的限制。
如图1至图4所示，本实施例中的姿控发动机真空热环境试验用推进剂供应系统，包括供应管路2、设置在供应管路2上的入口阀1、穿舱法兰3，所述穿舱法兰3设置在真空舱壁4上，所述供应管路2穿过穿舱法兰3，
还包括抽真空系统5和充填放液系统6；
所述供应管路2包括依次连通的舱外管路21、穿舱管路22和发动机入口管路23，所述舱外管路21与充填放液系统6连通；相邻两个管路之间、舱外管路21和充填放液系统6出口之间、以及发动机入口管路23和发动机推进剂入口之间均通过球头外套接管嘴24连接；
所述舱外管路21包括由内至外依次设置的舱外中心管和舱外真空夹层，所述舱外中心管与抽真空系统5连接；
所述穿舱管路22包括由内至外依次设置的穿舱中心管、穿舱真空夹层、穿舱包覆层；
所述发动机入口管路23包括由内至外依次设置的入口中心管、入口真空夹层和入口防热包覆层；所述舱外真空夹层、穿舱真空夹层和入口真空夹层上均设置有真空接管嘴7，分别通过真空接管嘴7与抽真空系统5连接；
所述穿舱包覆层由内至外依次包括两层第一无碱玻璃纤维带层221、第一单面镀铝聚酰亚胺单面压敏胶带层222、两层第一保温棉层223；
所述入口防热包覆层由内至外依次包括两层第二无碱玻璃纤维带层231、第二单面镀铝聚酰亚胺单面压敏胶带层232、两层第二保温棉层233、铝箔纸层234；
所述抽真空系统5用于对舱外真空夹层、穿舱真空夹层、入口真空夹层以及各管路的中心管抽真空，如图6所示，抽真空系统5主要由加注操作台51、相关管路等组成。其中加注操作台51主要包括操作台、加注控制器、真空泵、真空测量显示装置、压力变送器、电磁阀K1、截止阀V0、真空变送器PZ、电磁阀K3、截止阀V2、真空泵、单向阀D1、电磁阀K5、压力表P2、减压阀J01、减压阀J02、截止阀V3、截止阀V4、单向阀D2、电磁阀K4、压力表P3、过滤器F1、压力表P1、安全阀AF1、截止阀V1等组成。
所述充填放液系统6与舱外中心管入口连通，用于将推进剂高压充填至发动机推进剂入口。
所述穿舱法兰3上包敷有保温棉。
所述舱外真空夹层、穿舱真空夹层和入口真空夹层的真空度均小于2Pa。
所述入口防热包覆层的铝箔纸层234外部还捆扎有直径为0.5mm的保险固定丝，所述保险固定丝为铁丝。
如图5所示，所述供应管路2可设置有两条，两条供应管路2包括燃料供应管路25和氧化剂供应管路26，分别用于向发动机供应燃料和氧化剂，燃料供应管路25上还连接有燃料吹除管路251和燃料放液管路252，氧化剂供应管路26上还连接有氧化剂吹除管路261和氧化剂放液管路262，所述燃料放液管路和氧化剂放液管路均设置在真空舱顶部，进行高点放液。
本实施例还提供一种姿控发动机真空热环境试验用推进剂供应方法，采用上述的所述姿控发动机真空热环境试验用推进剂供应系统，包括以下步骤：
1)将供应管路依次分为舱外管路21、穿舱管路22和发动机入口管路23，相邻管路间通过球头外套接管嘴24连接；同时在各管路外设置真空夹层，在穿舱管路22和发动机入口管路23的真空夹层上分别设置穿舱包覆层和入口防热包覆层；其中的穿舱管路22通过穿舱法兰3穿过真空舱壁4；
2)为了避免热环境引起的管路推进剂夹气，试验前对各管路的中心管进行抽真空排气，确保充填过程中无夹气现象；
3)打开供应管路2的入口阀1，高压推进剂依次经过常温的舱外管路21、高温的穿舱管路22、及发动机入口管路23后填充至发动机推进剂入口；
4)当发动机推进剂供应试验完成后，可通过燃料吹除管路、燃料放液管路、氧化剂吹除管路和氧化剂放液管路，将推进剂排出供应管路2。
步骤3)中，通过对推进剂进行高压充填放液，提高其饱和蒸汽压，降低热分解风险，所述高压推进剂的充填压力为正常推进剂压力的1.4-1.5倍，所述正常推进剂压力为0.5Mpa。
以上所述仅为本发明的实施例，并非对本发明保护范围的限制，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (8)
1.一种姿控发动机真空热环境试验用推进剂供应系统，包括供应管路(2)、设置在供应管路(2)上的入口阀(1)、穿舱法兰(3)，所述穿舱法兰(3)设置在真空舱壁(4)上，所述供应管路(2)穿过穿舱法兰(3)；
其特征在于：
还包括抽真空系统(5)和充填放液系统(6)；
所述供应管路(2)包括依次连通的舱外管路(21)、穿舱管路(22)和发动机入口管路(23)，所述舱外管路(21)与充填放液系统(6)连通；相邻两个管路之间、舱外管路(21)和充填放液系统(6)出口之间、以及发动机入口管路(23)和发动机推进剂入口之间均通过球头外套接管嘴(24)连接；
所述舱外管路(21)包括由内至外依次设置的舱外中心管和舱外真空夹层，所述舱外中心管与抽真空系统(5)连接；
所述穿舱管路(22)包括由内至外依次设置的穿舱中心管、穿舱真空夹层、穿舱包覆层；
所述发动机入口管路(23)包括由内至外依次设置的入口中心管、入口真空夹层和入口防热包覆层；所述舱外真空夹层、穿舱真空夹层和入口真空夹层上均设置有真空接管嘴(7)，分别通过真空接管嘴(7)与抽真空系统(5)连接；
所述穿舱包覆层由内至外依次包括第一无碱玻璃纤维带层(221)、第一单面镀铝聚酰亚胺单面压敏胶带层(222)、第一保温棉层(223)；
所述入口防热包覆层由内至外依次包括第二无碱玻璃纤维带层(231)、第二单面镀铝聚酰亚胺单面压敏胶带层(232)、第二保温棉层(233)、铝箔纸层(234)；
所述抽真空系统(5)用于对舱外真空夹层、穿舱真空夹层、入口真空夹层以及各管路的中心管抽真空；
所述充填放液系统(6)与舱外中心管入口连通，用于将推进剂高压充填至发动机推进剂入口。
2.根据权利要求1所述的姿控发动机真空热环境试验用推进剂供应系统，其特征在于：所述第一无碱玻璃纤维带层(221)、第一保温棉层(223)、第二无碱玻璃纤维带层(231)和第二保温棉层(233)均设置有两层。
3.根据权利要求2所述的姿控发动机真空热环境试验用推进剂供应系统，其特征在于：所述穿舱法兰(3)上包敷有保温棉。
4.根据权利要求3所述的姿控发动机真空热环境试验用推进剂供应系统，其特征在于：所述舱外真空夹层、穿舱真空夹层和入口真空夹层的真空度均小于2Pa。
5.根据权利要求1-4任一所述的姿控发动机真空热环境试验用推进剂供应系统，其特征在于：所述入口防热包覆层的铝箔纸层(234)外部还捆扎有直径为0.5±0.1mm的保险固定丝，所述保险固定丝为铁丝。
6.根据权利要求5所述的姿控发动机真空热环境试验用推进剂供应系统，其特征在于：所述供应管路(2)设置有两条，用于分别向发动机供应燃料和氧化剂。
7.一种姿控发动机真空热环境试验用推进剂供应方法，其特征在于，采用如权利要求1-6任一所述姿控发动机真空热环境试验用推进剂供应系统，包括以下步骤：
1)将供应管路依次分为舱外管路(21)、穿舱管路(22)和发动机入口管路(23)，相邻管路间通过球头外套接管嘴(24)连接；同时在各管路外设置真空夹层，在穿舱管路(22)和发动机入口管路(23)的真空夹层上分别设置穿舱包覆层和防热包覆层；其中的穿舱管路(22)通过穿舱法兰(3)穿过真空舱壁(4)；
2)试验前对各管路的中心管进行抽真空排气，确保充填过程中无夹气现象；
3)打开供应管路(2)的入口阀(1)，高压推进剂依次经过常温的舱外管路(21)、低温的穿舱管路(22)及高温的发动机入口管路(23)后填充至发动机推进剂入口。
8.根据权利要求7所述的一种姿控发动机真空热环境试验用推进剂供应方法，其特征在于：步骤3)中，所述高压推进剂的压力为正常推进剂压力的1.4-1.5倍，所述正常推进剂压力为0.5±0.1Mpa。
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