CN116576399A - 一种航天器热试验用气液混合工质快速排出系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种航天器热试验用气液混合工质快速排出系统，包括容器内恒温管路、容器外管路、气体排空管路、液体回收管路、应急系统管路等。其中，容器内恒温管路通过电加热器控制为恒温状态，容器外管路用于将工质输送、分离，气体排空管路用于将工质中的气体成分安全排放至建筑外的大气空间，液体回收管路用于将工质中的液体成分进行回收、测量，应急系统用于对管路冰堵等故障进行应急处理。本系统可在航天器热试验中对环控生保系统运行产生的工质进行快速排出，包括氢气、水、二氧化碳、甲烷等成分，可在不影响热试验容器真空度的前提下实现对载人航天器环控、生保系统的全面考核。
Description
技术领域
本发明属于载人航天领域，具体涉及一种在地面试验中对载人航天器环控生保系统产生的氢气、甲烷、水、二氧化碳等工质进行快速排出的系统。
背景技术
为了维持航天员的生命安全，空间站等大型载人航天器具有复杂的环控生保系统，其中制氧子系统一般通过电解水方式生成氧气，而副产物氢气则通过管路直接排出舱外，二氧化碳消除子系统则会定期进行解析，将二氧化碳、甲烷等气体排出舱外。
在航天器热试验中，为了对大型载人航天器关键系统的性能进行验证，一般需要在试验中使所有的系统进入工作状态，而环控生保系统启动时，排出的工质会严重影响空间环境模拟设备的运行，氢气小分子的特点使其很难被低温泵吸附，而导致容器内压力迅速升高，而水蒸汽、二氧化碳等易凝结气体则会迅速在低温泵冷头上凝结，导致低温泵失效，此外氢气、甲烷均为易燃易爆气体，试验中的安全性也是需要考虑的重要问题之一。综上所述，在空间站舱段级热试验中，需要一套地面设备对空间站排出的气、液混合工质进行收集，并安全排放至室外。
因此，设计和发明一种在航天器热试验中对生保系统排放工质进行快速输运、排出的系统具有积极的现实意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是在航天器热试验中对环控生保系统产生的氢气、甲烷、水、二氧化碳等工质进行安全的输运和排出，为空间站舱段环境试验提供支撑。
为解决上述问题，本发明采用的技术方案如下：
一种航天器热试验用气液混合工质快速排出系统，包括容器内恒温管路、容器外管路；其中，所述容器内恒温管路设置于空间环境模拟容器内，其入口接于航天器排放口，其上设置有电加热器，所述容器外管路与所述容器内恒温管路的出口连接，设置于所述空间环境模拟容器外，用于输送、分离并排出混合工质。
进一步地，还包括气体排空管路、液体回收管路、应急系统管路，容器外管路用于将工质输送、分离，其为一进三出结构，包括气路出口、液路出口和排故出口三路，其进口与所述容器内恒温管路的出口连接，三个出口分别与所述气体排空管路、液体回收管路、应急系统管路连接，所述气体排空管路用于将工质中的气体成分安全排放至建筑外的大气空间，所述液体回收管路用于将工质中的液体成分进行回收、测量，所述应急系统管路用于对管路冰堵等故障进行应急处理。
进一步地，所述容器内恒温管路被设置为沿重力方向高度降低，即载人航天器排放口高于容器内恒温管路与所述容器外管路的接口。
进一步地，所述容器内恒温管路是在空间环境模拟容器内将气液混合工质进行输送的管路，为长度6～10m的铝制管路，内径为8-12mm。
进一步地，所述电加热器为PTC恒温加热器，所述容器内恒温管路沿程安装有多个PTC恒温加热器，间距为0.8-1.2m，PTC恒温加热器工作温度首选为恒温40～80℃，管路上还安装有多个温度传感器进行辅助温度测量。
进一步地，所述容器内恒温管路的所有支架等固定点均采用绝热安装，在所述固定点附近安装有额外的PTC恒温加热器用于防止热量流失。
进一步地，容器内恒温管路外侧还包覆有多层隔热组件进行隔热，用于阻挡管路与低温背景间的辐射换热。
进一步地，所述气体排空管路安装有流量计、阻火器、风帽，用于将危险气体快速排出有限空间。
进一步地，所述液体回收管路包括管路、容器、在线式电子秤等，可对航天器环控生保系统排出液体水进行测量。
进一步地，所述应急系统管路包括应急阀门、聚四氟乙烯软管、热风机，在冰堵发生时可通过聚四氟乙烯软管将热风机产生的热风直接送入管路内部。
有益效果：本发明通过提供一种航天器热试验用气液混合工质快速排出系统，经过内部管路恒温控制和外部管路分路排放的方式，能够解决现有技术中气液混合工质不能很好排出，从而影响试验进行和危害试验安全的技术问题，并通过设置应急系统，防止冰堵等现象对试验造成影响，提高系统可靠性。
附图说明
图1为本发明实施例中一种航天器热试验用气液混合工质快速排出系统的示意图；
图2为本发明实施例中一种航天器热试验用气液混合工质快速排出系统中的应急系统示意图；
图3为本发明实施例中PTC加热器示意图；
图中，101为空间环境模拟容器，102为空间站舱段，103为法兰，201为金属管路，202为PTC加热器，203为多层隔热组件，204为温度传感器，205-1、205-2分别为容器内测温线缆、容器外测温电缆，206-1、206-2分别为容器内加热电缆、容器外加热电缆，207为开关电源，208为温度测量设备，301为容器外金属管路，302为气液分离四通，401为排气管路，402为流量计，403为阻火器，404为风帽，501为排液管路，502为出液口，503为收集容器，504为在线式电子秤，601为安全阀，701为测量记录计算机，602为热风机，603为聚四氟软管，202-1为恒温铝块，202-2为PTC加热片，202-3为铝块盖板，202-4为螺栓。
具体实施方式
以下参照附图对本发明的用于航天服的大小便排出系统进行详细说明，但该描述仅仅示例性的，并不旨在对本发明的保护范围进行任何限制。
图1为本发明的一种航天器热试验用气液混合工质快速排出系统的示意图，其中101为空间环境模拟容器，为空间站舱段热试验用大型空间环境容器，一般直径在10m以上，内部具有热沉等结构；102为空间站舱段，在热试验中安装于空间环境模拟容器101内部；103为法兰，安装于空间环境模拟容器上，可在保证密封的前提下将电路、管路引出空间环境模拟容器101外部。
201-208组成了容器内恒温管路，其中201为金属管路，为铝、不锈钢等金属材料的管路，内径10mm左右，中途需要绕过试验支架、加热器等工装结构，一般经过多次转弯，长度可达6～10m左右，管路与地面成一定下坡角度，即载人航天器排放口高于容器内恒温管路与法兰的连接口，可利用重力对液体工质进行输运，防止冰堵；202为PTC加热器，为环形结构，套于金属管路201外侧，利用了PTC加热器自恒温的特性，通过多组PTC加热器使金属管路201达到恒定温度，一般沿管路间隔布置，间距在1m左右，控制温度一般为40～80℃。此外为了防止金属管路201安装漏热，在金属管路201与固定工装接触的部位也安装有额外的PTC加热器202。203为多层隔热组件，为多层镀铝聚酯膜结构，一般为5～10层，可隔绝金属管路201与空间环境模拟容器101内热沉的换热，使金属管路201的温度更为均匀。204为温度传感器，用于对金属管路201的温度进行测量，一般布置于PTC加热器202的间隔部分。205-1、205-2分别为容器内测温线缆、容器外测温电缆，用于对温度信号进行传输，在容器外对温度进行测量。206-1、206-2分别为容器内加热电缆、容器外加热电缆，用于在容器外对PTC加热器202进行加热。207为开关电源，用于对PTC加热器202进行供电。208为温度测量设备，用于对温度传感器204的温度进行测量。
301为容器外金属管路，沿重力方向为下坡布置，以方便液体流动，通过法兰103与金属管路201相连。302为气液分离四通，为一进三出设计，气路与排气管路401连接，液路与排液管路501连接，另有一路应急安全阀601，用于进行应急操作。
401～404构成了气体排空管路，其中401为排气管路，为不锈钢、铝等金属管路，用空间站舱段排出的气体引至室外，排放至大气。402为流量计，用于对排气流量进行直接测量。403为阻火器，安装于室外，用于防止氢气、甲烷等返火，保证管路的安全性。404为风帽，安装于室外，可在排放管路上防明火，防雨水反流。
501～504为液体回收管路，其中501为排液管路，用于对空间站舱段排出的水进行输送。502为出液口，一般为关闭状态，在试验中有液体积累后，通过远程自动或手动方式打开阀门使使空间站排出的水依靠重力流出。503为收集容器，用于对排水进行收集。504为在线式电子秤，用于对空间站间歇排水的水量进行实时监测。
601～603为应急系统，其中601为安全阀，正常使用中为关闭状态，当内部发生冰堵时可打开。
701为测量记录计算机，用于测量温度传感器204的温度、在线式电子秤504的承重、以及流量计402的流量数据，并对相应的数据进行记录。
图2为本发明一种航天器热试验用气液混合工质快速排出系统中的应急系统示意图，602为热风机，603为聚四氟软管。在内部发生冰堵时，可打开安全阀601，将聚四氟管路603沿容器外金属管路301伸入，抵达金属管路201内部，将热风机602吹出的热风直接送至管路内部，使干冰、水冰等冰堵融化，其中热风机工作温度为200℃左右。
图3为本发明中PTC加热器的示意图，其中202-1为恒温铝块，用于将PTC加热片202-2固定于金属管路201上，并将PTC加热片202-2的发热功率传输至金属管路201。202-2为PTC加热片，为陶瓷PTC加热器，恒温温度一般选择40～80℃，通过硅橡胶粘贴于恒温铝块202-1上。202-3为铝块盖板，与恒温铝块202-1通过螺栓202-4连接，使恒温铝块202-1与金属管路201不会发生相对移动。202-4为螺栓，一般选择2.5mm～4mm的金属螺栓。
尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种航天器热试验用气液混合工质快速排出系统，其特征在于，包括容器内恒温管路、容器外管路；其中，所述容器内恒温管路设置于空间环境模拟容器内，其入口接于航天器排放口，其上设置有电加热器，所述容器外管路与所述容器内恒温管路的出口连接，设置于所述空间环境模拟容器外，用于输送、分离并排出混合工质。
2.如权利要求1所述的快速排出系统，其特征在于，还包括气体排空管路、液体回收管路、应急系统管路，容器外管路用于将工质输送、分离，其为一进三出结构，包括气路出口、液路出口和排故出口三路，其进口与所述容器内恒温管路的出口连接，三个出口分别与所述气体排空管路、液体回收管路、应急系统管路连接，所述气体排空管路用于将工质中的气体成分安全排放至建筑外的大气空间，所述液体回收管路用于将工质中的液体成分进行回收、测量，所述应急系统管路用于对管路冰堵等故障进行应急处理。
3.如权利要求1所述的快速排出系统，其特征在于，所述容器内恒温管路被设置为沿重力方向高度降低，即载人航天器排放口高于容器内恒温管路与所述容器外管路的接口。
4.如权利要求1所述的快速排出系统，其特征在于，所述容器内恒温管路是在空间环境模拟容器内将气液混合工质进行输送的管路，为长度6~10m的铝制管路，内径为8-12mm。
5.如权利要求1所述的快速排出系统，其特征在于，所述电加热器为PTC恒温加热器，所述容器内恒温管路沿程安装有多个PTC恒温加热器，间距为0.8-1.2m，PTC恒温加热器工作温度为恒温40~80℃，管路上还安装有多个温度传感器进行辅助温度测量。
6.如权利要求1所述的快速排出系统，其特征在于，所述容器内恒温管路的所有支架等固定点均采用绝热安装，在所述固定点附近安装有额外的PTC恒温加热器用于防止热量流失。
7.如权利要求1所述的快速排出系统，其特征在于，容器内恒温管路外侧还包覆有多层隔热组件进行隔热，用于阻挡管路与低温背景间的辐射换热。
8.如权利要求2所述的快速排出系统，其特征在于，所述气体排空管路安装有流量计、阻火器、风帽，用于将危险气体快速排出有限空间。
9.如权利要求2所述的快速排出系统，其特征在于，所述液体回收管路包括管路、容器、在线式电子秤等，可对航天器环控生保系统排出液体水进行测量。
10.如权利要求2所述的快速排出系统，其特征在于，所述应急系统管路包括应急阀门、聚四氟乙烯软管、热风机，在冰堵发生时可通过聚四氟乙烯软管将热风机产生的热风直接送入管路内部。
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