CN115751755B - 一种多组合低温推进剂深度过冷一体化系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多组合低温推进剂深度过冷一体化系统及其方法，属于低温设备领域。本发明通过设置串联双级氦膨胀机来构建特定的梯级温区，以氦工质作为闭式循环介质，最终实现多种低温推进剂组合的高效深度过冷。本发明采用串联设置的两级氦膨胀机，可通过设定氦膨胀机出口压力实现液氧、液氢的高效快速致密化，并可减少由于高膨胀比对一级膨胀机设备性能提出的高要求。同时本发明利用价格低廉、安全性高的液氮介质预冷压缩后的高温氦工质以及液氧推进剂，可有效降低氦气压缩机、氦膨胀机等部件的功率、加快液氧推进剂降温速率，提升一体化系统整体运行效率。本发明整体结构符合航天发射场的致密化低温推进剂加注系统要求。

Description

一种多组合低温推进剂深度过冷一体化系统及其方法

技术领域

本发明涉及低温设备领域，特别涉及一种多组合低温推进剂深度过冷一体化系统。

背景技术

低温推进剂组合主要包括液氧/煤油、液氧/甲烷和液氢液氧等，具有比冲高且无污染等优势。然而，低温推进剂在使用时多处于常压饱和态，其突出缺点是密度和单位体积显冷量小。当低温推进剂质量一定时，密度小会导致低温推进剂贮箱体积尺寸增大，使运载火箭总起飞质量增加，而单位体积显冷量小会导致低温推进剂汽化损失增加，两者综合影响下会削弱高比冲带来的优势。

若通过深度过冷等方式对低温推进剂致密化，使常规煤油、液态甲烷、液氧和液氢的温度进一步降低，甚至部分产生固化，形成浆体，将获得具有更高密度及更大热容的致密化低温推进剂，可显著提升加注量，减小运载火箭的箭体尺寸和结构重量，延长存储时间。例如，液氢从标准沸点20.37K过冷至三相点温度13.96K后，密度会增加8.8％，单位体积显冷量将增加20％，若从三相点状态继续降温，直到出现60％的固氢，密度将增加16.8％，单位体积显冷量增加34％。

然而，现有的低温推进剂致密化装置通常仅针对单一推进剂，若实现低温推进剂组合的同步过冷将导致系统复杂、体积庞大且运行效率低下。同时，由于液氧推进剂和液氢推进剂自身热物性限制，若采用常规的抽空减压法或液氦直接冷却法将液氧过冷至63.2K以下或将液氢过冷至三相点状态，则系统的运行效率和经济成本难以满足低温推进剂大规模致密化的需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种多组合低温推进剂深度过冷一体化系统，通过设置串联双级氦膨胀机来构建特定的梯级温区，以氦工质作为闭式循环介质，最终实现多种低温推进剂组合的高效深度过冷。

本发明拟采用如下技术方案实现本发明的目的：

第一方面，本发明提供了一种多组合低温推进剂深度过冷一体化系统，其包括液氮预冷器、第一回热器、第二回热器、液氢冷却器、液氧冷却器、烃类燃料冷却器、氦循环管路、液氮管路、烃类燃料管路、液氧管路和液氢管路；

所述液氮预冷器和第二回热器中均设有第一通路、第二通路和第三通路；且液氮预冷器中的第一通路分别与第三通路和第二通路构成换热接触，第二回热器中的第三通路分别与第一通路和第二通路构成换热接触；

所述第一回热器、液氢冷却器、液氧冷却器和烃类燃料冷却器中各自设有构成换热接触的第一通路和第二通路；

所述氦循环管路中充满氦工质，氦循环管路依次连接氦气压缩机、液氮预冷器的第一通路、第一回热器的第一通路、第一氦膨胀机、第二回热器的第一通路、第二氦膨胀机、液氢冷却器的第一通路、第二回热器的第二通路、液氧冷却器的第一通路、第一回热器的第二通路、液氮预冷器的第二通路后重新循环至氦气压缩机，氦循环管路内部的氦工质在管路内不断循环；

所述液氮管路的入口端连接液氮供应源，液氮管路依次经过液氮预冷器的第三通路和烃类燃料冷却器的第一通路后出口端排空；烃类燃料管路的入口端连接烃类燃料供应源，烃类燃料管路依次连接烃类燃料泵、烃类燃料冷却器的第二通路后接入致密化烃类燃料贮罐中，烃类燃料供应源输送的烃类燃料推进剂经过烃类燃料冷却器中的液氮深度过冷后存储于致密化烃类燃料贮罐中；所述烃类燃料推进剂为甲烷或煤油；

所述液氧管路的入口端连接液氧供应源，液氧管路依次连接液氧泵、液氮浴换热器、液氧冷却器的第二通路、第二回热器的第三通路后接入致密化液氧贮罐中，液氧供应源输送的液氧推进剂先经过液氮浴换热器中的液氮进行冷却，再经过液氧冷却器和第二回热器中氦工质的双级过冷后存储于致密化液氧贮罐中；

所述液氢管路的入口端连接液氢供应源，液氢管路依次连接液氢泵、液氢冷却器的第二通路后接入致密化液氢贮罐中，液氢供应源输送的液氢推进剂经过液氢冷却器中氦工质的过冷后存储于致密化液氢贮罐中。

作为上述第一方面的优选，所述第一氦膨胀机和第二氦膨胀机的出口均设置有温度计和压力计。

作为上述第一方面的优选，所述一体化系统中的换热器、管路、氦膨胀机均与环境做绝热处理。

作为上述第一方面的优选，所述第一回热器采用气气式换热器。

作为上述第一方面的优选，所述液氮预冷器、第二回热器、液氢冷却器、液氧冷却器、烃类燃料冷却器均采用气液式换热器。

作为上述第一方面的优选，所述液氮预冷器、第一回热器、第二回热器、液氢冷却器、液氧冷却器、烃类燃料冷却器中构成换热的通路均按逆流方式布置。

作为上述第一方面的优选，所述液氮浴换热器采用开式液氮浴换热器，液氧管路连通换热器中浸没于液氮浴中的换热管道，液氮对液氧管路中的液氧进行冷却后产生氮气并直接排空，且开式液氮浴换热器连接液氮源用于补充消耗的液氮。

作为上述第一方面的优选，所述液氢冷却器与致密化液氢贮罐耦合为一体，直接在致密化液氢贮罐内部制备固氢。

作为上述第一方面的优选，所述第一氦膨胀机的氦工质出口温度控制为54.4K以下，所述第二氦膨胀机的氦工质出口温度控制为13.86K以下。

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一体化系统的多组合低温推进剂深度过冷制备方法，其具体步骤包括：

S1、将液氮介质通过自增压方法输入液氮管路，依次流经液氮预冷器的第三通路和烃类燃料冷却器的第一通路并释放冷量，随后排空；

S2、保持液氮介质的不断输入液氮管路，启动氦气压缩机、第一氦膨胀机和第二氦膨胀机，氦循环管路中的氦工质首先经过氦气压缩机压缩后升温升压，再流经液氮预冷器的第一通路和第一回热器的第一通路进行两级冷却降温，随后进入第一氦膨胀机通过等熵膨胀降温降压，出口温度降低至液氧三相点温度以下后继续进入第二回热器的第一通路释放冷量；氦工质自第二回热器流出后，继续进入第二氦膨胀机通过等熵膨胀降温降压，出口温度降低至液氢三相点温度以下后进入液氢冷却器的第一通路释放冷量；氦工质自液氢冷却器流出后，依次流经第二回热器的第二通路、液氧冷却器的第一通路、第一回热器的第二通路和液氮预冷器的第二通路连续释放冷量；最终氦循环管路中的氦工质再次进入氦气压缩机进行压缩，往复循环为各低温推进剂的深度过冷提供冷量；

S3、保持氦循环管路中的氦工质不断往复循环提供冷量，启动烃类燃料泵，通过烃类燃料管路将烃类燃料推进剂首先输入烃类燃料冷却器的第二通路吸收冷量降温，当其温度临近烃类燃料对应的三相点温度时流出烃类燃料冷却器，完成烃类燃料致密化并存储至致密化烃类燃料贮罐中；

S4、保持氦循环管路中的氦工质不断往复循环提供冷量，启动液氧泵，不断向液氮浴换热器中通入液氮，通过液氧管路将液氧推进剂首先输入液氮浴换热器中，吸收液氮冷量完成第一级过冷，液氮浴换热器中液氮介质汽化直接排空；随后液氧推进剂进入液氧冷却器的第二通路，吸收液氧冷却器的第一通路中氦工质冷量完成第二级过冷；最后进入第二回热器的第三通路，吸收第二回热器的第一通路和第二通路中氦工质冷量完成第三级过冷，第三级过冷后的液氧出口温度临近三相点温度，完成液氧致密化并存储至致密化液氧贮罐中；

S5、保持氦循环管路中的氦工质不断往复循环提供冷量，启动液氢泵，通过液氢管路将液氢推进剂首先输入液氢冷却器的第二通路，吸收液氢冷却器的第一通路中氦工质冷量进行过冷，形成三相点液氢、浆氢或固态氢，完成液氢致密化并存储至致密化液氢贮罐中。

本发明相比现有技术突出且有益的技术效果是：可实现液氧/甲烷、液氧/煤油、液氧/液氢等多种低温推进剂组合的高效一体化过冷，整体结构符合航天发射场的致密化低温推进剂加注系统要求。低温推进剂规模化过冷温度远超现有实验装置，液氧过冷温度可趋近于三相点温度54.4K，液氢过冷温度可趋近于三相点温度13.96K且可形成浆氢及固氢。系统中的两级氦膨胀机串联设置，可根据液氧过冷和液氢过冷需求设定一级氦膨胀机出口压力，实现液氧、液氢的高效快速致密化，并可减少由于高膨胀比对一级膨胀机设备性能提出的高要求，保证系统稳定运行。利用价格低廉、安全性高的液氮介质预冷压缩后的高温氦工质以及液氧推进剂，可有效降低氦气压缩机、氦膨胀机等部件的功率、加快液氧推进剂降温速率，提升一体化系统整体运行效率。

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是本发明一种多组合低温推进剂深度过冷一体化系统的结构示意图。

图中：氦气压缩机1、液氮预冷器2、第一回热器3、第一氦膨胀机4、第二回热器5、第二氦膨胀机6、液氢冷却器7、液氧冷却器8、烃类燃料泵9、烃类燃料冷却器10、致密化烃类燃料贮罐11、液氧泵12、液氮浴换热器13、致密化液氧贮罐14、液氢泵15、致密化液氢贮罐16、氦循环管路17、液氮管路18、烃类燃料管路19、液氧管路20、液氢管路21。

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。

参见图1所示，在本发明的一个较佳实施例中，提供了一种多组合低温推进剂深度过冷一体化系统，组成该系统的组件包括：氦气压缩机1、液氮预冷器2、第一回热器3、第一氦膨胀机4、第二回热器5、第二氦膨胀机6、液氢冷却器7、液氧冷却器8、烃类燃料泵9、烃类燃料冷却器10、致密化烃类燃料贮罐11、液氧泵12、液氮浴换热器13、致密化液氧贮罐14、液氢泵15、致密化液氢贮罐16、氦循环管路17、液氮管路18、烃类燃料管路19、液氧管路20和液氢管路21。该一体化系统的设计，是为了满足航天发射场对于不同的低温推进剂的致密化加注要求，通过该系统可以氦工质为核心一体化制备致密化液氢、致密化液氧、致密化甲烷(或致密化煤油)，实现液氧/甲烷、液氧/煤油、液氧/液氢等多种低温推进剂组合的高效一体化过冷。

需要特别说明的是，由于甲烷和煤油的过冷技术路线相同，本发明中将其统称为烃类燃料，可通过烃类燃料管路19所在的分支按需进行制备。当然，烃类燃料管路19在运行时仅过冷单一的甲烷或单一的煤油，两者过冷不能同时进行。具体需要煤油还是甲烷，需要根据航天发射场的实际需求情况进行选择，对此不作限制。

下面分别对多组合低温推进剂深度过冷一体化系统中各组件的具体连接形式和工作原理进行详细描述。

在该一体化系统中，各组件是通过氦循环管路17、液氮管路18、烃类燃料管路19、液氧管路20和液氢管路21连接配合的，其中氦循环管路17主要用于对氦工质进行循环，氦工质压缩后通过液氮先进行预冷，再结合串联设置的两级氦膨胀机来提供满足液氧过冷和液氢过冷需求的冷量。而液氮管路18则一方面用于为氦工质的预冷提供液氮工质，另一方面也为类燃料推进剂提供了致密化所需的冷量。烃类燃料管路19、液氧管路20和液氢管路21则分别用于实现甲烷/煤油、液氧和液氢的致密化和存储。

上述各种工质和推进剂的换热需要依赖于液氮预冷器2、第一回热器3、第二回热器5、液氢冷却器7、液氧冷却器8、烃类燃料冷却器10、液氮浴换热器13等换热器来实现。为了满足换热需求，各换热器中需要设置不同的换热通路来对不同工质进行换热，具体如下

液氮预冷器2中设有第一通路、第二通路和第三通路，且液氮预冷器2中的第一通路分别与第三通路和第二通路构成换热接触。液氮预冷器2中的第一通路作为热工质侧，而第二通路和第三通路均作为冷工质侧。

第二回热器5中设有第一通路、第二通路和第三通路，且第二回热器5中的第三通路分别与第一通路和第二通路构成换热接触。第二回热器5中的第三通路作为热工质侧，而第一通路和第二通路均作为冷工质侧。

第一回热器3中设有构成换热接触的第一通路和第二通路，第一通路作为热工质侧，而第二通路作为冷工质侧。

液氢冷却器7中设有构成换热接触的第一通路和第二通路，第一通路作为冷工质侧，而第二通路作为热工质侧。

液氧冷却器8中设有构成换热接触的第一通路和第二通路，第一通路作为冷工质侧，而第二通路作为热工质侧。

烃类燃料冷却器10中各自设有构成换热接触的第一通路和第二通路，第一通路作为冷工质侧，而第二通路作为热工质侧。

在本发明实施例中，上述第一回热器3采用气气式换热器，而液氮预冷器2、第二回热器5、液氢冷却器7、液氧冷却器8、烃类燃料冷却器10均采用气液式换热器。

由于烃类燃料煤油和甲烷的三相点较高，通过液氮基本可以实现其致密化，因此烃类燃料的冷量由液氮提供即可。但液氢和液氧的三相点较低，仅通过液氮无法实现致密化，因此需要结合液氮以及氦工质的两级膨胀来分别提供相应的冷量。

上述氦循环管路17中充满氦工质，氦循环管路17依次连接氦气压缩机1、液氮预冷器2的第一通路、第一回热器3的第一通路、第一氦膨胀机4、第二回热器5的第一通路、第二氦膨胀机6、液氢冷却器7的第一通路、第二回热器5的第二通路、液氧冷却器8的第一通路、第一回热器3的第二通路、液氮预冷器2的第二通路后重新循环至氦气压缩机1，氦循环管路17内部的氦工质在氦循环管路17内不断循环。在氦工质循环过程中，先经过氦气压缩机1压缩由低压常温态转变高压高温状态，再由液氮预冷器2中的液氮进行第一级降温，再由第一回热器3中的返回氦工质进行第二级降温，再由第一氦膨胀机4进行等熵膨胀使氦工质由高压态转变为中高压态，出口温度降低至液氧三相点温度54.4K以下，进而在第二回热器5中为液氧提供致密化所需冷量，经过第二回热器5吸热后的氦工质重新进入第二氦膨胀机6进行等熵膨胀使氦工质由中高压态转变为低压态，温度再次大幅降低，出口温度降低至液氢三相点温度13.86K以下，进而在液氢冷却器7中为液氢提供致密化所需冷量。而从液氢冷却器7中排出的氦工质处于依然具有大量冷量的低压低温态，因此可以重新流经第二回热器5、液氧冷却器8、第一回热器3、液氮预冷器2来梯级提供冷量，最终复温复压成为低压常温态，此时可进入氦气压缩机1重新进行循环。

另外，液氮管路18用于向氦气压缩机1压缩后的氦工质提供液氮作为冷量，同时考虑甲烷和煤油较高的三相点，对氦工质进行冷却后的液氮亦可继续为烃类燃料甲烷或煤油提供冷量。因此，本发明中的液氮管路18的入口端连接液氮供应源，液氮管路18依次经过液氮预冷器2的第三通路和烃类燃料冷却器10的第一通路后出口端排空。液氮供应源的具体形式不限，只要能够通过液氮管路18供应液氮即可，液氮管路18内部的液氮介质首先在液氮预冷器2吸收氦工质的热量后由液态变成低温气态，随后继续在烃类燃料冷却器10中冷却甲烷或煤油，最终排空。液氮供应源中优选采用自增压的方式将液氮输入液氮管路18内，即液氮置于容器中，而液氮管路18入口端伸入容器内的液氮液面以下，部分液氮在容器中通过吸热形成气态，进而增加容器中的压力，并将其余液氮压入液氮管路18中。

基于上述氦循环管路17和液氮管路18所提供的冷量，即可实现甲烷/煤油、液氧和液氢的同步液化，三者分别通过烃类燃料管路19、液氧管路20和液氢管路21来实现。

本发明中的烃类燃料管路19的入口端连接烃类燃料供应源，烃类燃料管路19依次连接烃类燃料泵9、烃类燃料冷却器10的第二通路后接入致密化烃类燃料贮罐11中。烃类燃料供应源的具体形式不限，以能够供应甲烷或者煤油等烃类燃料推进剂为准。烃类燃料供应源在烃类燃料泵9所提供的动力作用下，将烃类燃料推进剂沿烃类燃料管路19进行输送，经过烃类燃料冷却器10中第一通路内的液氮深度过冷后存储于致密化烃类燃料贮罐11中。

本发明中的液氧管路20的入口端连接液氧供应源，液氧管路20依次连接液氧泵12、液氮浴换热器13、液氧冷却器8的第二通路、第二回热器5的第三通路后接入致密化液氧贮罐14中。液氧供应源的具体形式不限，以能够供应液氧推进剂为准。液氧供应源在液氧泵12所提供的动力作用下，将液氧推进剂沿液氧管路20进行输送，液氧推进剂先经过液氮浴换热器13，吸收液氮汽化产生的冷量进行第一级过冷，再经过液氧冷却器8中的返回氦工质的冷量进行第二级过冷，最后经过第二回热器5中由第一氦膨胀机4一级膨胀后的氦工质冷量后进行第三级过冷，最后以临近液氧三相点的温度存储于致密化液氧贮罐14中。

在本发明的实施例中，上述液氮浴换热器13可采用开式液氮浴换热器。开式液氮浴换热器以液氮作为冷源，换热器中盛放液氮的换热腔室敞口且内部布置换热管道从而形成液氮浴环境。液氧管路20连通换热器中浸没于液氮浴中的换热管道，换热腔室中的液氮对液氧管路20中的液氧进行冷却后产生氮气并直接排空。且开式液氮浴换热器连接液氮源，当因冷却液氧而产生液氮消耗后，液氮源可直接向开式液氮浴换热器补充液氮。

本发明中的液氢管路21的入口端连接液氢供应源，液氢管路21依次连接液氢泵15、液氢冷却器7的第二通路后接入致密化液氢贮罐16中。液氢供应源的具体形式不限，以能够供应液氢推进剂为准。液氢供应源在液氢泵15所提供的动力作用下，将液氢推进剂沿液氢管路21进行输送，吸收液氢冷却器7中由第二氦膨胀机6二级膨胀后的氦工质冷量进行过冷后，存储于致密化液氢贮罐16中。考虑到致密化液氢的特点，存储于致密化液氢贮罐16中的氢形式可以是三相点液氢、浆氢或固态氢中的任意一种。但需要注意的是，如果液氢致密化的最终形态为固氢时，那么液氢冷却器7与致密化液氢贮罐16耦合为一体，即直接在致密化液氢贮罐16内部制备固氢，减少固氢的输送环节。

由于液氧和液氢的致密化所需冷量是依赖于两级氦膨胀机对氦工质的等熵膨胀来实现的，因此为了保证液氧和液氢的致密化过程可靠实现，上述第一氦膨胀机4和第二氦膨胀机6的出口均可以设置有温度计和压力计，可根据液氧过冷和液氢过冷需求设定一级氦膨胀机出口压力，实现液氧、液氢的高效快速致密化。一般而言，第一氦膨胀机4的氦工质出口温度需要控制为54.4K以下，所述第二氦膨胀机6的氦工质出口温度需要控制为13.86K以下。本发明中，这种两级氦膨胀机串联设置的做法，可以减少由于高膨胀比对一级膨胀机设备性能提出的高要求，保证系统稳定运行。

另外，由于上述一体化系统中的工质均处于低温或超低温状态，因此系统中的各种换热器、管路、氦膨胀机均需要与外部环境做绝热处理，即系统中的各种换热器、管路、氦膨胀机等均需要采用高性能真空绝热材料进行包裹，避免与外部环境直接发生换热。

另外，为了提升换热效率，上述液氮预冷器2、第一回热器3、第二回热器5、液氢冷却器7、液氧冷却器8、烃类燃料冷却器10中构成换热的通路均按逆流方式布置，使换热的冷、热流体按逆流方式进行换热。

在本发明的另一较佳实施例中，利用上述图1所示的一体化系统，提供了一种多组合低温推进剂深度过冷制备方法，其包括以下步骤：

S1、将液氮介质通过自增压方法输入液氮管路18，依次流经液氮预冷器2的第三通路和烃类燃料冷却器10的第一通路并释放冷量汽化，随后从出口端排空。

S2、保持液氮介质的不断输入液氮管路18，启动氦气压缩机1、第一氦膨胀机4和第二氦膨胀机6，氦循环管路17中的氦工质首先经过氦气压缩机1压缩后升温升压，由低压常温态转变高压高温状态，再流经液氮预冷器2的第一通路和第一回热器3的第一通路进行两级冷却降温，随后进入第一氦膨胀机4通过等熵膨胀降温降压，氦工质由高压态转变为中高压态，出口温度降低至液氧三相点温度(54.4K)以下后，继续进入第二回热器5的第一通路释放冷量；氦工质自第二回热器5流出后，继续进入第二氦膨胀机6通过等熵膨胀降温降压，氦工质由中高压态转变为低压低温态，出口温度降低至液氢三相点温度(13.86K)以下后，继续进入液氢冷却器7的第一通路释放冷量；氦工质自液氢冷却器7流出后，依次流经第二回热器5的第二通路、液氧冷却器8的第一通路、第一回热器3的第二通路和液氮预冷器2的第二通路连续释放冷量，氦工质由低压低温态转变为低压常温态。最终氦循环管路17中的氦工质再次进入氦气压缩机1进行压缩，往复循环为各低温推进剂的深度过冷提供冷量。

需要注意的是，在后续的烃类燃料、液氧、液氢进行低温致密化的过程中，上述S1和S2步骤需要始终运行。

S3、保持氦循环管路17中的氦工质不断往复循环提供冷量，启动烃类燃料泵9，通过烃类燃料管路19将烃类燃料推进剂首先输入烃类燃料冷却器10的第二通路吸收冷量降温，当其温度临近烃类燃料对应的三相点温度(根据当前的烃类燃料为甲烷还是煤油进行确定)时流出烃类燃料冷却器10，完成烃类燃料致密化并存储至致密化烃类燃料贮罐11中。

S4、保持氦循环管路17中的氦工质不断往复循环提供冷量，启动液氧泵12，不断向液氮浴换热器13中通入液氮，通过液氧管路20将液氧推进剂首先输入液氮浴换热器13中，吸收液氮冷量完成第一级过冷，液氮浴换热器13中液氮介质汽化直接排空；随后液氧推进剂进入液氧冷却器8的第二通路，吸收液氧冷却器8的第一通路中氦工质冷量完成第二级过冷；最后进入第二回热器5的第三通路，吸收第二回热器5的第一通路和第二通路中氦工质冷量完成第三级过冷，第三级过冷后的液氧出口温度临近三相点温度，完成液氧致密化并存储至致密化液氧贮罐14中。

S5、保持氦循环管路17中的氦工质不断往复循环提供冷量，启动液氢泵15，通过液氢管路21将液氢推进剂首先输入液氢冷却器7的第二通路，吸收液氢冷却器7的第一通路中氦工质冷量进行过冷，形成三相点液氢、浆氢或固态氢，完成液氢致密化并存储至致密化液氢贮罐16中。

需要特别说明的是，上述烃类燃料推进剂、液氧推进剂、液氢推进剂进行致密化的过程中，其最终存储到贮罐中的推进剂温度需要接近各自的三相点温度，具体终点温度需要根据所需的致密化程度进行确定。不同的终点温度对应于不同的推进剂密度，例如液氢从标准沸点(20.37K)过冷至三相点温度(13.96K)后，密度会增加8.8％，单位体积显冷量将增加20％，若从三相点状态继续降温，直到出现60％的固氢，密度将增加16.8％，单位体积显冷量增加34％。

综上，本发明可通过一体化的深度过冷方式对多组低温推进剂进行同步致密化，使常规煤油、液态甲烷、液氧和液氢的温度进一步降低，获得具有更高密度及更大热容的致密化低温推进剂，可显著提升加注量，减小运载火箭的箭体尺寸和结构重量，延长存储时间。对于需要不同低温推进剂的航天发射场而言，本发明能够解决不同低温推进剂需要分开制备、效率低下的问题，大大提高航天发射场的低温推进剂供应能力和供应质量。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种多组合低温推进剂深度过冷一体化系统，其特征在于，包括液氮预冷器(2)、第一回热器(3)、第二回热器(5)、液氢冷却器(7)、液氧冷却器(8)、烃类燃料冷却器(10)、氦循环管路(17)、液氮管路(18)、烃类燃料管路(19)、液氧管路(20)和液氢管路(21)；

所述液氮预冷器(2)和第二回热器(5)中均设有第一通路、第二通路和第三通路；且液氮预冷器(2)中的第一通路分别与第三通路和第二通路构成换热接触，第二回热器(5)中的第三通路分别与第一通路和第二通路构成换热接触；

所述第一回热器(3)、液氢冷却器(7)、液氧冷却器(8)和烃类燃料冷却器(10)中各自设有构成换热接触的第一通路和第二通路；

所述氦循环管路(17)中充满氦工质，氦循环管路(17)依次连接氦气压缩机(1)、液氮预冷器(2)的第一通路、第一回热器(3)的第一通路、第一氦膨胀机(4)、第二回热器(5)的第一通路、第二氦膨胀机(6)、液氢冷却器(7)的第一通路、第二回热器(5)的第二通路、液氧冷却器(8)的第一通路、第一回热器(3)的第二通路、液氮预冷器(2)的第二通路后重新循环至氦气压缩机(1)，氦循环管路(17)内部的氦工质在管路内不断循环；

所述液氮管路(18)的入口端连接液氮供应源，液氮管路(18)依次经过液氮预冷器(2)的第三通路和烃类燃料冷却器(10)的第一通路后出口端排空；

所述烃类燃料管路(19)的入口端连接烃类燃料供应源，烃类燃料管路(19)依次连接烃类燃料泵(9)、烃类燃料冷却器(10)的第二通路后接入致密化烃类燃料贮罐(11)中，烃类燃料供应源输送的烃类燃料推进剂经过烃类燃料冷却器(10)中的液氮深度过冷后存储于致密化烃类燃料贮罐(11)中；所述烃类燃料推进剂为甲烷或煤油；

所述液氧管路(20)的入口端连接液氧供应源，液氧管路(20)依次连接液氧泵(12)、液氮浴换热器(13)、液氧冷却器(8)的第二通路、第二回热器(5)的第三通路后接入致密化液氧贮罐(14)中，液氧供应源输送的液氧推进剂先经过液氮浴换热器(13)中的液氮进行冷却，再经过液氧冷却器(8)和第二回热器(5)中氦工质的双级过冷后存储于致密化液氧贮罐(14)中；

所述液氢管路(21)的入口端连接液氢供应源，液氢管路(21)依次连接液氢泵(15)、液氢冷却器(7)的第二通路后接入致密化液氢贮罐(16)中，液氢供应源输送的液氢推进剂经过液氢冷却器(7)中氦工质的过冷后存储于致密化液氢贮罐(16)中。

2.如权利要求1所述的多组合低温推进剂深度过冷一体化系统，其特征在于，所述第一氦膨胀机(4)和第二氦膨胀机(6)的出口均设有温度计和压力计。

3.如权利要求1所述的多组合低温推进剂深度过冷一体化系统，其特征在于，所述一体化系统中的换热器、管路、氦膨胀机均与环境做绝热处理。

4.如权利要求1所述的多组合低温推进剂深度过冷一体化系统，其特征在于，所述第一回热器(3)采用气气式换热器。

5.如权利要求1所述的多组合低温推进剂深度过冷一体化系统，其特征在于，所述液氮预冷器(2)、第二回热器(5)、液氢冷却器(7)、液氧冷却器(8)、烃类燃料冷却器(10)均采用气液式换热器。

6.如权利要求1所述的多组合低温推进剂深度过冷一体化系统，其特征在于，所述液氮预冷器(2)、第一回热器(3)、第二回热器(5)、液氢冷却器(7)、液氧冷却器(8)、烃类燃料冷却器(10)中构成换热的通路均按逆流方式布置。

7.如权利要求1所述的多组合低温推进剂深度过冷一体化系统，其特征在于，所述液氮浴换热器(13)采用开式液氮浴换热器，液氧管路(20)连通换热器中浸没于液氮浴中的换热管道，液氮对液氧管路(20)中的液氧进行冷却后产生氮气并直接排空，且开式液氮浴换热器连接液氮源用于补充消耗的液氮。

8.如权利要求1所述的多组合低温推进剂深度过冷一体化系统，其特征在于，所述液氢冷却器(7)与致密化液氢贮罐(16)耦合为一体，直接在致密化液氢贮罐(16)内部制备固氢。

9.如权利要求1所述的多组合低温推进剂深度过冷一体化系统，其特征在于，所述第一氦膨胀机(4)的氦工质出口温度控制为54.4K以下，所述第二氦膨胀机(6)的氦工质出口温度控制为13.86K以下。

10.一种利用权利要求1～9任一所述一体化系统的多组合低温推进剂深度过冷制备方法，其特征在于，包括：

S1、将液氮介质通过自增压方法输入液氮管路(18)，依次流经液氮预冷器(2)的第三通路和烃类燃料冷却器(10)的第一通路并释放冷量，随后排空；

S2、保持液氮介质的不断输入液氮管路(18)，启动氦气压缩机(1)、第一氦膨胀机(4)和第二氦膨胀机(6)，氦循环管路(17)中的氦工质首先经过氦气压缩机(1)压缩后升温升压，再流经液氮预冷器(2)的第一通路和第一回热器(3)的第一通路进行两级冷却降温，随后进入第一氦膨胀机(4)通过等熵膨胀降温降压，出口温度降低至液氧三相点温度以下后继续进入第二回热器(5)的第一通路释放冷量；氦工质自第二回热器(5)流出后，继续进入第二氦膨胀机(6)通过等熵膨胀降温降压，出口温度降低至液氢三相点温度以下后进入液氢冷却器(7)的第一通路释放冷量；氦工质自液氢冷却器(7)流出后，依次流经第二回热器(5)的第二通路、液氧冷却器(8)的第一通路、第一回热器(3)的第二通路和液氮预冷器(2)的第二通路连续释放冷量；最终氦循环管路(17)中的氦工质再次进入氦气压缩机(1)进行压缩，往复循环为各低温推进剂的深度过冷提供冷量；

S3、保持氦循环管路(17)中的氦工质不断往复循环提供冷量，启动烃类燃料泵(9)，通过烃类燃料管路(19)将烃类燃料推进剂首先输入烃类燃料冷却器(10)的第二通路吸收冷量降温，当其温度临近烃类燃料对应的三相点温度时流出烃类燃料冷却器(10)，完成烃类燃料致密化并存储至致密化烃类燃料贮罐(11)中；

S4、保持氦循环管路(17)中的氦工质不断往复循环提供冷量，启动液氧泵(12)，不断向液氮浴换热器(13)中通入液氮，通过液氧管路(20)将液氧推进剂首先输入液氮浴换热器(13)中，吸收液氮冷量完成第一级过冷，液氮浴换热器(13)中液氮介质汽化直接排空；随后液氧推进剂进入液氧冷却器(8)的第二通路，吸收液氧冷却器(8)的第一通路中氦工质冷量完成第二级过冷；最后进入第二回热器(5)的第三通路，吸收第二回热器(5)的第一通路和第二通路中氦工质冷量完成第三级过冷，第三级过冷后的液氧出口温度临近三相点温度，完成液氧致密化并存储至致密化液氧贮罐(14)中；

S5、保持氦循环管路(17)中的氦工质不断往复循环提供冷量，启动液氢泵(15)，通过液氢管路(21)将液氢推进剂首先输入液氢冷却器(7)的第二通路，吸收液氢冷却器(7)的第一通路中氦工质冷量进行过冷，形成三相点液氢、浆氢或固态氢，完成液氢致密化并存储至致密化液氢贮罐(16)中。