CN115371356B - 一种采用斯特林低温冷机的火星表面氧气液化系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用斯特林低温冷机的火星表面氧气液化系统及方法。本发明以斯特林低温冷机作为火星表面氧气液化主要冷源对氧气进行充分预冷，并设计基于火星大气冷却的恒温箱使斯特林低温冷机处于最佳工作温区，恒温箱内设计多级低温冷机的冷却形式，根据斯特林低温冷机制冷量随温度上升而增加的特性，在火星大气温度和氧气气液饱和温度之间进行逐级冷却，最终完成氧气液化。本发明可有效减少低温冷机数量，降低氧气液化所需的能源消耗，特别适用于大流量的氧气液化情况。
Description
技术领域
本发明涉及火星探测技术领域，具体涉及一种采用斯特林低温冷机的火星表面氧气液化系统及方法。
背景技术
火星推进剂原位制备是指勘探、获取和利用火星的天然资源在火星上原地制备运载火箭推进剂，能够简化飞行任务规模，降低任务成本和风险，为火星取样返回任务和载人探测任务提供有利保障。作为重要的氧化剂，液氧推进剂的原位制备是火星推进剂原位制备技术的核心组成部分。火星表面的氧源主要为含水矿物质中的水分，可通过电解等方式将水分解为氢气和氧气，同时配置相应的氧气液化系统，完成火星表面液氧推进剂的原位制备。鉴于火星探测任务对装置体积和重量的特殊要求，地面常用的膨胀制冷循环或基于GM低温冷机的氧气液化方式不再适用。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中火星探测领域难以低成本、高效地实现火星表面液氧推进剂制备的技术问题，并提供一种采用斯特林低温冷机的火星表面氧气液化系统及方法。本发明利用火星大气冷能对氧气进行充分预冷，并结合斯特林低温冷机特征设计多级冷却方式，最大化提升氧气液化效率，减少系统功耗。
本发明所采用的具体技术方案如下：
第一方面，本发明提供了一种采用斯特林低温冷机的火星表面氧气液化系统，其包括氧气液化管路、火星大气管路和预冷器；
所述预冷器中设有构成换热接触的第一通路和第二通路；
所述氧气液化管路的入口端用于通入氧气，出口端连接液氧储罐；氧气液化管路在入口端到出口端之间依次连接纯化器、预冷器的第一通路、内置于恒温箱中的多级冷箱；其中每一级冷箱中分别内置有相互独立的低温冷机；每个冷箱中的低温冷机用于对穿过冷箱的氧气液化管路提供冷量并将产生的废热排出到恒温箱；沿氧气流动方向的多级冷箱中低温冷机的制冷温度逐级降低；
所述的火星大气管路的入口端用于通入火星大气，出口端排空；火星大气管路在入口端到出口端之间依次连接低温变频风机和换热箱；
所述恒温箱的内腔与换热箱的内腔之间通过低温热管构成换热，使恒温箱内的热量能够传输至换热箱中并由火星大气管路输入的火星大气；
所述恒温箱上安装有检测箱内温度的温度传感器，温度传感器与低温变频风机均连接至温度调节器，构成通过调节变频风机功率维持恒温箱内部的温度恒定的反馈控制。
作为上述第一份方面的优选，所述多级冷箱包含3级，沿氧气流动方向分别为第一冷箱、第二冷箱和第三冷箱。
作为上述第一份方面的优选，每一级冷箱的结构相同，均包括热隔绝的制冷腔室和放热腔室，每个冷箱中的低温冷机为由低温冷机冷头和低温冷机主体组成的斯特林低温冷机；低温冷机冷头位于制冷腔室中，与穿过冷箱的氧气液化管路构成换热接触；低温冷机主体安装在放热腔室中，且放热腔室上开设有连通恒温箱内腔的冷箱散热孔，用于将低温冷机主体产生的废热排出到恒温箱。
作为上述第一份方面的优选，所述氧气液化管路穿过每一级冷箱的管段均为盘绕在低温冷机冷头上的换热管段。
作为上述第一份方面的优选，所述火星大气管路和预冷器的火星大气入口端之前还设有用于对进入管路的火星大气进行除尘的除尘设备。
作为上述第一份方面的优选，所述纯化器为用于对氧气进行除杂纯化的物理吸附设备或膜分离设备。
作为上述第一份方面的优选，所述预冷器采用翅片管式换热器.
作为上述第一份方面的优选，所述低温热管可采用一体化低温环路热管，分为顺次相连的蒸发段、绝热段和冷凝段，低温热管的蒸发段位于恒温箱内，低温热管的冷凝段位于换热箱内，暴露于恒温箱和换热箱之间的为低温热管的绝热段。
作为上述第一份方面的优选，所述恒温箱和换热箱外部均包裹绝热材料。
第二方面，本发明提供了一种利用上述第一方面任一方案所述系统的火星表面氧气液化方法，其特征在于，包括：
S1、启动所述多级冷箱中的低温冷机，对冷箱中的斯特林低温冷机设置沿氧气流动方向逐渐降低的工作温度，使低温冷机通过冷头为氧气液化管路中的氧气液化提供冷量，而低温冷机运行过程产生的废热排出到恒温箱中；
S2、待所有低温冷机达到设定工作温度后，启动低温变频风机将待液化的氧气抽入火星大气管路中，随后通过纯化器进行除杂纯化，再进入预冷器的第一通路中，利用第二通路中输入的火星大气完成预冷降温后进入换热箱；
S3、预冷降温后的氧气在恒温箱内依次流经每一级冷箱，并利用各冷箱内的低温冷机通过冷头提供的冷量继续逐级降温，最终在最后一级冷箱中完成液化后输出恒温箱并存储于液氧储罐中；
而每一级冷箱中低温冷机的运行过程产生的废热排出到恒温箱中，通过温度传感器实时测量恒温箱内部的温度，并将温度信号通过信号线传递到温度调节器；若温度调节器检测到当前恒温箱内部的温度高于预设的低温冷机最佳运行温度时，需启动低温变频风机将火星大气通过火星大气管路抽入换热箱中，并根据实时温度信号调节低温变频风机的功率大小，改变进入火星大气管路的风量，使火星大气的冷量经由低温热管传递至恒温箱内，维持恒温箱内部的温度始终处于低温冷机最佳运行温度。
本发明相比现有技术突出且有益的技术效果是：
1)本发明以斯特林低温冷机作为火星表面氧气液化主要冷源，液化系统的体积、质量和可靠性等因素均符合火星探测任务需求。
2)本发明利用火星大气冷能对氧气进行充分预冷，大幅减小功耗；设计基于火星大气冷却的恒温箱，使斯特林低温冷机处于最佳工作温区，提升低温冷机运行效率。
3)本发明根据斯特林低温冷机制冷量随温度上升而增加的特性，在火星大气温度和氧气气液饱和温度之间设计多级冷却形式，可有效减少斯特林低温冷机数量，此效果在大流量的氧气液化情况下更加明显。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果做进一步说明，以充分的了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1为一种采用斯特林低温冷机的火星表面氧气液化系统的结构示意图。
图中：氧气液化管路1、纯化器2、预冷器3、恒温箱4、第一冷箱5、第二冷箱6、第三冷箱7、低温冷机冷头8、低温冷机主体9、冷箱散热孔10、液氧储罐11、火星大气管路12、低温变频风机13、换热箱14、低温热管15、温度传感器16、信号线17、温度调节器18。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。本发明各个实施例中的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，可以是直接连接到另一个元件或者是间接连接即存在中间元件。相反，当元件为称作“直接”与另一元件连接时，不存在中间元件。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于区分描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
如图1所示，在本发明的一个较佳实施例中，提供了一种采用斯特林低温冷机的火星表面氧气液化系统，其组成元件包括氧气液化管路1、纯化器2、预冷器3、恒温箱4、第一冷箱5、第二冷箱6、第三冷箱7、低温冷机冷头8、低温冷机主体9、冷箱散热孔10、液氧储罐11、火星大气管路12、低温变频风机13、换热箱14、低温热管15、温度传感器16、信号线17、温度调节器18。该火星表面氧气液化系统在对氧气进行液化过程中，首先基于火星大气自身的低温特性利用火星大气冷能对氧气进行充分预冷，并结合斯特林低温冷机特征设计多级冷却方式，最大化提升氧气液化效率，减少系统功耗。
其中，预冷环节是通过预冷器3来实现的，冷量来源于火星大气自身的低温。预冷器3中设有构成换热接触的第一通路和第二通路，其中第一通路中通入待降温的氧气，而第二通路则可以通过低温风机等设备引入火星大气。火星大气层很薄，其昼夜温差高达80K，夏季温度变化范围约为185K～244K，冬季温度变化范围约为172K～252K，平均气温约为216K。因此，火星大气对于氧气的降温而言本身是天然的冷源。
上述火星表面氧气液化系统总体是由氧气液化管路1和火星大气管路12来连接主要的组成元件的。下面分别对具体的连接方式和工作原理进行详细描述。
氧气液化管路1的入口端用于通入氧气，出口端连接液氧储罐11；氧气液化管路1在入口端到出口端之间依次连接纯化器2、预冷器3的第一通路、内置于恒温箱4中的第一冷箱5、第二冷箱6和第三冷箱7。其中第一冷箱5、第二冷箱6、第三冷箱7中，每一级冷箱中分别内置有相互独立的低温冷机；每个冷箱中的低温冷机用于对穿过冷箱的氧气液化管路1提供冷量并将产生的废热排出到恒温箱4。沿氧气流动方向的三级冷箱中低温冷机的制冷温度逐级降低，在本实施例中3级冷箱中沿氧气流动方向分别为第一冷箱5、第二冷箱6和第三冷箱7，因此第一冷箱5、第二冷箱6、第三冷箱7中的温度逐级降低，分别是高温冷箱、中温冷箱和低温冷箱。
氧气液化管路1上的各组件在工作时，火星大气进入预冷器3的第二通路，为氧气液化管路1中的氧气预冷提供冷量，而氧气通过氧气液化管路1首先进入纯化器2去除杂质实现氧气纯化，随后进入火星预冷器3的第一通路，吸收火星大气冷量，完成预冷。启动高温冷箱5、中温冷箱6、低温冷箱7，对冷箱中的斯特林低温冷机设置沿氧气流动方向逐渐降低的工作温度，低温冷机冷头8为氧气液化管路1中的氧气液化提供冷量，低温冷机主体9运行过程产生的废热通过冷箱散热孔10排出到恒温箱4中。预冷后的氧气进入恒温箱4，分别与第一冷箱5、第二冷箱6、第三冷箱7换热并完成液化，随后进入液氧储罐11进行储存。
作为本发明实施例的一种优选方式，上述纯化器2可采用用于对氧气进行除杂纯化的物理吸附设备或膜分离设备。由此，纯化器2为用于对氧气进行除杂纯化的物理吸附设备或膜分离设备，去除的杂质主要为氧气中潜在的水汽、二氧化碳等高沸点杂质。
作为本发明实施例的一种优选方式，上述预冷器3可采用翅片管式换热器，以提高氧气与活性大气的换热效率。
作为本发明实施例的一种优选方式，上述所述火星大气管路12和预冷器3的火星大气入口端之前还设有用于对进入管路的火星大气进行除尘的除尘设备。对于火星大气管路12而言，除尘设备可设置在火星大气管路12的最前端，对于预冷器3而言，除尘设备可设置在预冷器3中第二通路的入口前端。除尘设备的形式可以是过滤式除尘设备、离心式除尘设备或者静电式除尘设备，优选为静电式除尘设备，火星大气在进入火星大气管路前采用静电除尘等方式去除灰尘等杂质。
本发明中第一冷箱5、第二冷箱6、第三冷箱7的具体结构形式不限，内部需要根据低温冷机的安装形式进行合理调整。在本实施例中，每一级冷箱的结构相同，均包括热隔绝的制冷腔室和放热腔室，每个冷箱中的低温冷机为由低温冷机冷头8和低温冷机主体9组成的斯特林低温冷机。低温冷机冷头8位于制冷腔室中，与穿过冷箱的氧气液化管路1构成换热接触。低温冷机主体9安装在放热腔室中，且放热腔室上靠近低温冷机主体9散热位置的壳体上开设有连通恒温箱4内腔的冷箱散热孔10，用于将低温冷机主体9产生的废热排出到恒温箱4。
需要说明的是，本发明中第一冷箱5、第二冷箱6、第三冷箱7中具体的制冷温度需要根据实际进行优化，可将预冷器3预冷后的氧气温度与氧气的气液饱和温度之间的温度区间等分或者非等分式地划分为三段，然后分别通过三个冷箱进行降温。而且每一个冷箱中可以安装一台或多台斯特林低温冷机，以满足氧气经过该冷箱后能够降温至所要达到的温度为准。一般而言，低温冷箱配置数量大于中温冷箱和高温冷箱的斯特林低温冷机，以达到整体冷量平衡。
另外，为了提高氧气液化管路1与低温冷机冷头8之间的换热效率，氧气液化管路1穿过每一级冷箱的管段均可以采用盘绕在低温冷机冷头8上的换热管段。
另外，火星大气管路12的入口端用于通入火星大气，出口端排空。火星大气管路12在入口端到出口端之间依次连接低温变频风机13和换热箱14。而恒温箱4的内腔与换热箱14的内腔之间通过低温热管15构成换热，使恒温箱4内的热量能够传输至换热箱14中并由火星大气管路12输入的火星大气。
为了避免火星大气的低温影响上述恒温箱4和换热箱14的工作，上述恒温箱4和换热箱14应当是绝热的。作为本发明实施例的一种优选方式，上述恒温箱4和换热箱14外部均包裹绝热材料。
火星大气管路12上的低温变频风机13的作用是将火星大气引入火星大气管路12并进入换热箱14中，与换热箱14内部的低温热管15换热，随后直接放空。换热箱14用于为低温热管15的安装和换热提供空间。低温变频风机13的功率是可调整的，其功率越大引入换热箱14的火星大气流量越大，所提供的冷量也越多，反之亦然。因此可通过低温变频风机13的功率调整，来调整对恒温箱4所提供的冷量，进而调节恒温箱4中的温度。调节恒温箱4中温度的目的是保证斯特林低温冷机能够处于最佳工作温区，提升低温冷机运行效率。
为了实现对恒温箱4中温度的自动调节，本发明在恒温箱4上安装有检测箱内温度的温度传感器16，温度传感器16与低温变频风机13均连接至温度调节器18，构成通过调节变频风机13功率维持恒温箱4内部的温度恒定的反馈控制。在工作过程中，低温冷机冷头8为氧气液化管路1中的氧气液化提供冷量，低温冷机主体9运行过程产生的废热通过冷箱散热孔10排出到恒温箱4中。此过程中，温度传感器16实时监测恒温箱4内部的温度，并将温度信号通过信号线17传递到温度调节器18，温度调节器18根据温度信号调节低温变频风机13的功率大小，改变进入火星大气管路12的风量，使恒温箱4内部的温度维持在高温冷箱5、中温冷箱6、低温冷箱7中斯特林低温冷机最佳的运行温度。
需要说明的是，温度调节器18的具体形式不限，可采用任意能够实现反馈控制的自控设备，例如单片机、PLC、微电脑等。
需要说明的是，所谓“低温风机”，是指不论是用于为预冷器3提供火星大气输入动力的低温风机，还是为火星大气管路12提供火星大气输入动力的低温变频风机13，都应当是能够在火星大气的低温环境下正常工作的风机，其具体型号不限。
本发明中，低温热管15的具体形式不限，只要能够实现冷量的高效传递即可。作为本发明实施例的一种优选方式，上述低温热管15可采用一体化低温环路热管，分为顺次相连的蒸发段、绝热段和冷凝段，低温热管15的蒸发段位于恒温箱4内，低温热管15的冷凝段位于换热箱14内，暴露于恒温箱4和换热箱14之间的为低温热管15的绝热段，可避免与火星大气直接换热。
另外，基于上述采用斯特林低温冷机的火星表面氧气液化系统，本发明还可以进一步提供一种采用斯特林低温冷机的火星表面氧气液化方法，其具体做法如下：
S1、启动所述多级冷箱中的低温冷机，对冷箱中的斯特林低温冷机设置沿氧气流动方向逐渐降低的工作温度，使低温冷机通过冷头为氧气液化管路1中的氧气液化提供冷量，而低温冷机运行过程产生的废热排出到恒温箱4中。
S2、待所有低温冷机达到设定工作温度后，启动低温变频风机13将待液化的氧气抽入火星大气管路12中，随后通过纯化器2进行除杂纯化，再进入预冷器3的第一通路中，利用第二通路中输入的火星大气完成预冷降温后进入换热箱14。
S3、预冷降温后的氧气在恒温箱4内依次流经每一级冷箱，并利用各冷箱内的低温冷机通过冷头提供的冷量继续逐级降温，最终在最后一级冷箱中完成液化后输出恒温箱4并存储于液氧储罐11中。
而每一级冷箱中低温冷机的运行过程产生的废热排出到恒温箱4中，通过温度传感器16实时测量恒温箱4内部的温度，并将温度信号通过信号线17传递到温度调节器18；若温度调节器18检测到当前恒温箱4内部的温度高于预设的低温冷机最佳运行温度时，需启动低温变频风机13将火星大气通过火星大气管路12抽入换热箱14中，并根据实时温度信号调节低温变频风机13的功率大小，改变进入火星大气管路12的风量，使火星大气的冷量经由低温热管15传递至恒温箱4内，维持恒温箱4内部的温度始终处于低温冷机最佳运行温度。
作为本发明实施例的一种较佳实现方式，在上述S2步骤执行预冷降温操作时，可将氧气尽量预冷至接近火星大气的当前温度，从而减少后续斯特林低温冷机的功耗。
另外需要说明的是，虽然上述系统中恒温箱中的低温冷机采用了三级冷却，但实际上也可以设置为大于三级的多级形式，即串联更多的冷箱，冷箱内依然设置低温冷机对穿过冷箱的氧气液化管路1提供冷量并将产生的废热排出到恒温箱4。只要保证沿氧气流动方向的多级冷箱中低温冷机的制冷温度逐级降低即可，由此可进一步提升系统制冷效率。但这种做法也会增加整体功耗，因此需要合理设计总的多级冷却级数，一般三级可以满足要求。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种采用斯特林低温冷机的火星表面氧气液化系统，其特征在于，包括氧气液化管路（1）、火星大气管路（12）和预冷器（3）；
所述预冷器（3）中设有构成换热接触的第一通路和第二通路；
所述氧气液化管路（1）的入口端用于通入氧气，出口端连接液氧储罐（11）；氧气液化管路（1）在入口端到出口端之间依次连接纯化器（2）、预冷器（3）的第一通路、内置于恒温箱（4）中的多级冷箱；其中每一级冷箱中分别内置有相互独立的低温冷机；每个冷箱中的低温冷机用于对穿过冷箱的氧气液化管路（1）提供冷量并将产生的废热排出到恒温箱（4）；沿氧气流动方向的多级冷箱中低温冷机的制冷温度逐级降低；
所述的火星大气管路（12）的入口端用于通入火星大气，出口端排空；火星大气管路（12）在入口端到出口端之间依次连接低温变频风机（13）和换热箱（14）；
所述恒温箱（4）的内腔与换热箱（14）的内腔之间通过低温热管（15）构成换热，使恒温箱（4）内的热量能够传输至换热箱（14）中并由火星大气管路（12）输入的火星大气；
所述恒温箱（4）上安装有检测箱内温度的温度传感器（16），温度传感器（16）与低温变频风机（13）均连接至温度调节器（18），构成通过调节变频风机（13）功率维持恒温箱（4）内部的温度恒定的反馈控制；
每一级冷箱的结构相同，均包括热隔绝的制冷腔室和放热腔室，每个冷箱中的低温冷机为由低温冷机冷头（8）和低温冷机主体（9）组成的斯特林低温冷机；低温冷机冷头（8）位于制冷腔室中，与穿过冷箱的氧气液化管路（1）构成换热接触；低温冷机主体（9）安装在放热腔室中，且放热腔室上开设有连通恒温箱（4）内腔的冷箱散热孔（10），用于将低温冷机主体（9）产生的废热排出到恒温箱（4）。
2.如权利要求1所述的采用斯特林低温冷机的火星表面氧气液化系统，其特征在于，所述多级冷箱包含3级，沿氧气流动方向分别为第一冷箱（5）、第二冷箱（6）和第三冷箱（7）。
3.如权利要求1所述的采用斯特林低温冷机的火星表面氧气液化系统，其特征在于，所述氧气液化管路（1）穿过每一级冷箱的管段均为盘绕在低温冷机冷头（8）上的换热管段。
4.如权利要求1所述的采用斯特林低温冷机的火星表面氧气液化系统，其特征在于，所述火星大气管路（12）和预冷器（3）的火星大气入口端之前还设有用于对进入管路的火星大气进行除尘的除尘设备。
5.如权利要求1所述的采用斯特林低温冷机的火星表面氧气液化系统，其特征在于，所述纯化器（2）为用于对氧气进行除杂纯化的物理吸附设备或膜分离设备。
6.如权利要求1所述的采用斯特林低温冷机的火星表面氧气液化系统，其特征在于，所述预冷器（3）采用翅片管式换热器。
7.如权利要求1所述的采用斯特林低温冷机的火星表面氧气液化系统，其特征在于，所述低温热管（15）可采用一体化低温环路热管，分为顺次相连的蒸发段、绝热段和冷凝段，低温热管（15）的蒸发段位于恒温箱（4）内，低温热管（15）的冷凝段位于换热箱（14）内，暴露于恒温箱（4）和换热箱（14）之间的为低温热管（15）的绝热段。
8.如权利要求1所述的采用斯特林低温冷机的火星表面氧气液化系统，其特征在于，所述恒温箱（4）和换热箱（14）外部均包裹绝热材料。
9.一种利用权利要求1~8任一所述系统的火星表面氧气液化方法，其特征在于，包括：
S1、启动所述多级冷箱中的低温冷机，对冷箱中的斯特林低温冷机设置沿氧气流动方向逐渐降低的工作温度，使低温冷机通过冷头为氧气液化管路（1）中的氧气液化提供冷量，而低温冷机运行过程产生的废热排出到恒温箱（4）中；
S2、待所有低温冷机达到设定工作温度后，启动低温变频风机（13）将待液化的氧气抽入火星大气管路（12）中，随后通过纯化器（2）进行除杂纯化，再进入预冷器（3）的第一通路中，利用第二通路中输入的火星大气完成预冷降温后进入换热箱（14）；
S3、预冷降温后的氧气在恒温箱（4）内依次流经每一级冷箱，并利用各冷箱内的低温冷机通过冷头提供的冷量继续逐级降温，最终在最后一级冷箱中完成液化后输出恒温箱（4）并存储于液氧储罐（11）中；
而每一级冷箱中低温冷机的运行过程产生的废热排出到恒温箱（4）中，通过温度传感器（16）实时测量恒温箱（4）内部的温度，并将温度信号通过信号线（17）传递到温度调节器（18）；若温度调节器（18）检测到当前恒温箱（4）内部的温度高于预设的低温冷机最佳运行温度时，需启动低温变频风机（13）将火星大气通过火星大气管路（12）抽入换热箱（14）中，并根据实时温度信号调节低温变频风机（13）的功率大小，改变进入火星大气管路（12）的风量，使火星大气的冷量经由低温热管（15）传递至恒温箱（4）内，维持恒温箱（4）内部的温度始终处于低温冷机最佳运行温度。
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