CN117628397A - 一种基于回热式集液器的轻量化推进剂贮箱在轨排气装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于回热式集液器的轻量化推进剂贮箱在轨排气装置，包括低温推进剂贮箱，低温推进剂贮箱顶部设有电磁调节阀和压力传感器，电磁调节阀与增压气源相连接；低温推进剂贮箱内部设有管壳式换热器和与之连接的集液器；集液器出口通过输液管与低温截止阀入口相连接；低温截止阀出口与循环泵入口相连接，循环泵出口连接分流器入口，分流器的主流出口和管壳式换热器的壳侧连接，分流器的支流出口经节流阀、集液器内第一排气盘管和管壳式换热器内的第二排气盘管连接，第二排气盘管出口连接排气阀；管壳式换热器顶端布置有喷雾棒；本发明实现排气盘管与集液器的有机结合，显著降低排气系统质量的同时提高其运行可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及低温推进剂贮箱在轨排气技术领域，具体涉及一种基于回热式集液器的轻量化推进剂贮箱在轨排气装置。
背景技术
低温推进剂已经广泛应用于新一代运载火箭,也是未来新型上面级的必然选择，将支撑未来登月、探火等大型航天工程。然而，其温度低、沸点低、易蒸发、贮存困难的问题，使得低温推进剂贮箱在轨期间需要进行贮箱压力控制,排气控压是最有效的方案之一。在空间微重力条件下，气液分布不再受到重力作用的显著约束，呈现出分布杂乱、极易受到弱力扰动的特征，液相有可能覆盖排气口，若直接排气可能导致液相排出，造成推进剂的浪费甚至航天器姿态失稳。研究人员提出了热力学排气系统(Flachbart RH,Hastings LJ,Hedayat A,et al.Testing of a spray-bar thermodynamic vent systemin liquidnitrogen[J].AIP conference proceedings,2006,823(1):240-247.)，其典型结构主要由循环泵、节流阀、换热器、排气管及喷雾棒组成，通过将一小部分流体(液体或气液两相)节流，经换热器被完全气化后再排出，实现可不依赖气液相重定位的安全排气。
目前热力学排气系统仍处于地面实验阶段，并未形成具备工程应用能力的成熟方案，主要限制在于该系统的循环泵工作仍然需要单相液体的稳定供给，也就是说，需要结合稳定可靠的液体获取装置才能保障热力学排气系统的在轨稳定运行。然而，低温流体在轨气液分离技术同样是亟待解决的关键瓶颈之一，目前最为可行的集液篮、蓄流阱、筛网通道等液体获取装置(Hartwig J W.ADetailed Historical Review of PropellantManagement Devices for Low Gravity Propellant Acquisition[C]//52nd AIAA/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference.July 25-27,2016,Salt Lake City,UT)，都存在结构复杂、尺寸大、质量重、热敏感失效风险高等问题，不具备满足载荷经济性的工程应用性。为了加快推动冷低温推进系统在未来大型空间任务中的应用，提高低温推进剂在轨管理技术成熟度，亟需开发一套轻量化推进剂贮箱在轨排气装置，从而提升低温推进系统的可靠性、安全性和经济性。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于回热式集液器的轻量化推进剂贮箱在轨排气装置，通过将热力学排气系统的排气管与筛网式液体获取装置相结合，在有效降低取液装置附加质量的同时，进一步利用热力学排气系统的排气冷量对循环泵入流液体进行回热过冷，降低低温热力学排气系统的热敏感性，从而提升低温推进系统长期在轨的工作性能，提升低温推进系统的可靠性、安全性和经济性。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于回热式集液器的轻量化推进剂贮箱在轨排气装置，包括低温推进剂贮箱1，低温推进剂贮箱1顶部设有电磁调节阀16和压力传感器17，电磁调节阀16与增压气源18相连接；低温推进剂贮箱1内部设有管壳式换热器11和与之连接的集液器2。
所述的集液器2出口通过输液管5与低温截止阀6入口相连接；低温截止阀6出口与循环泵7入口相连接，循环泵7出口连接分流器8入口，分流器8的主流出口8a和管壳式换热器11的壳侧连接，分流器8的支流出口8b经节流阀9、集液器2内第一排气盘管10和管壳式换热器11内的第二排气盘管12连接，第二排气盘管12出口连接排气阀15；管壳式换热器11顶端布置有喷雾棒13，喷雾棒13上打有射流孔14。
所述的集液器2布置于低温推进剂贮箱1底部位置，具有圆柱形结构，集液器2的上封板2a和下封板2b均为实体壁面，上封板2a布置有第一排气盘管10的出口管路10b，下封板2b安装有输液管5，输液管5内布置有第一排气盘管10的入口管路10a；集液器2侧壁面安装一层具有多孔介质结构特征的金属筛网3；集液器2容积需根据实际任务中循环泵7流量设计所需要的金属筛网3面积后确定。
所述的集液器2内部布置有温度传感器4，结合压力传感器17，监测并判断集液器2内气液相分布状态；当温度传感器4测得的流体温度高于压力传感器17测得的低温推进剂贮箱1压力对应的低温推进剂饱和温度时，开启电磁调节阀16进行预增压排气循环，实现集液器2内气相的消除及全液填充。
所述的第一排气盘管10为螺旋盘管结构，外径与集液器2内径相同，支撑集液器2中间段布置的金属筛网3。
所述的分流器8为三通结构，主流出口8a侧与支流出口8b侧流量比例为(40～60):1。
所述的节流阀9为焦耳-汤姆逊阀，结合转化温度与转化曲线进行节流工况设计，确保低温推进剂节流过程始终具有制冷效应。
所述的喷雾棒13的尺寸和数量，射流孔14的孔径、孔数与间距的参数需根据实际任务中贮箱尺寸、射流流量、贮箱压力的具体条件确定。
和现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明有效利用了热力学排气系统的排气管结构，相较于传统热力学排气系统的套管式排气管，第一排气盘管采用螺旋管式排气管可以作为集液器金属筛网的结构支撑。基于螺旋式排气盘管的集液器结构，一方面，相较于传统的液体获取装置，无需独立的金属壁面作为金属筛网的结构支撑，只需要增加筛网面及上下封板等装配结构，显著降低了集液器系统附加质量，进而有利于排气装置总体设计的减重；圆柱体结构的金属筛网布置相较于平面布置在密封结构上也具有密封面更小的优势，综合提高所设计的排气系统的工程应用可行性。
另一方面，内置第一排气盘管的集液器相当于循环泵前的回热式换热器，节流后的低温低压流体进入第一排气盘管，能够对集液器内单相液体进行持续冷却降温，降低了集液器内受漏热风险产生两相流体的风险，从而提高了循环泵单相液体输入的可靠性，进而提高了排气装置的稳定性和安全性。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例来进一步说明本发明的技术方案。
参照图1，一种基于回热式集液器的轻量化推进剂贮箱在轨排气装置，包括低温推进剂贮箱1，低温推进剂贮箱1顶部设有电磁调节阀16和压力传感器17，电磁调节阀16与增压气源18相连接；低温推进剂贮箱1内部设有管壳式换热器11和与之连接的集液器2。
所述的集液器2出口通过输液管5与低温截止阀6入口相连接；低温截止阀6出口与循环泵7入口相连接，循环泵7出口连接分流器8入口，分流器8的主流出口8a和管壳式换热器11的壳侧连接，流经主流出口8a侧主流液体进入管壳式换热器11的壳侧；分流器8的支流出口8b经节流阀9、集液器2内第一排气盘管10和管壳式换热器11内的第二排气盘管12连接，流经第二出口8b侧支流液体经过节流阀9先进入集液器2内第一排气盘管10，再进入管壳式换热器11内的第二排气盘管12；第二排气盘管12出口连接排气阀15；管壳式换热器11顶端布置有喷雾棒13，喷雾棒13上打有射流孔14。
所述的集液器2布置于低温推进剂贮箱1底部位置，具有圆柱形结构，集液器2的上封板2a和下封板2b均为实体壁面，上封板2a布置有第一排气盘管10的出口管路10b，下封板2b安装有输液管5，输液管5内布置有第一排气盘管10的入口管路10a；集液器2侧壁面安装一层具有多孔介质结构特征的金属筛网3；集液器2容积需根据实际任务中循环泵7流量设计所需要的金属筛网3面积后确定。
所述的集液器2内部布置有温度传感器4，结合低温推进剂贮箱1顶部布置的压力传感器17，监测并判断集液器2内气液相分布状态；当温度传感器4测得的流体温度高于压力传感器17测得的低温推进剂贮箱1压力对应的低温推进剂饱和温度时，开启电磁调节阀16进行预增压排气循环，实现集液器2内气相的消除及全液填充。
所述的第一排气盘管10为螺旋盘管结构，外径与集液器2内径相同，支撑集液器2中间段布置的金属筛网3。
所述的分流器8为三通结构，主流出口8a侧与支流出口8b侧流量比例为(40～60):1。
所述的节流阀9为焦耳-汤姆逊阀，结合转化温度与转化曲线进行节流工况设计，确保低温推进剂节流过程始终具有制冷效应。
所述的喷雾棒13的尺寸和数量，射流孔14的孔径、孔数与间距等参数需根据实际任务中贮箱尺寸、射流流量、贮箱压力等具体条件确定，可以采用现有孔排出流模型进行计算设计。
本发明的工作原理是：
低温推进剂贮箱1长期在轨工作过程中，受持续漏热影响，低温推进剂不断升温气化导致贮箱压力持续升高。当压力传感器17监测得到的低温推进剂贮箱1内压力达到压力控制上限，且温度传感器4测得的流体温度始终低于压力传感器17测得压力对应的低温推进剂饱和温度时，开启低温截止阀6和排气阀15，开启循环泵7。在循环泵7的抽吸作用下，低温推进剂贮箱1内液体在润湿作用下将穿透金属筛网3进入集液器2内，并沿输液管5流向循环泵7。被液体浸润的金属筛网3，其内部微尺度孔隙能够依靠表面张力在一定压差范围内对气相进行阻隔，实现气液分离，从而保证向循环泵7提供单相液体。由循环泵7泵送的液体在分流器8内分流为两股流体。主流出口8a侧的主流液体进入管壳式换热器11的壳侧，支流出口8b侧的另一股分流经过节流阀9。节流后的低温低压支流进入第一排气盘管10与集液器2内高温流体换热，在回热冷却作用下集液器2能够持续向循环泵7提供更低温的单相液体。吸收热量后的支流流体接着进入第二排气盘管12，在管壳式换热器11内与主流高温液体换热，完全气化后经排气阀15完成单相气体的排放。主流流体在管壳式换热器11内进行热交换后温度逐渐降低，最终以较低温度进入喷雾棒13，并通过射流孔14喷射至低温推进剂贮箱1气枕区和液相区，低温射流与低温推进剂贮箱1内温度较高的流体发生混合与热交换，通过消除热分层、提高液体过冷度、促进气枕温度冷凝等方式降低贮箱压力。当压力传感器17测得的低温推进剂贮箱1压力降低至安全存储压力范围时，关闭低温截止阀6、循环泵7和排气阀15，排气装置停止工作。
在低温推进剂贮箱1长期在轨工作过程中，当温度传感器4测得的集液器2内流体温度高于压力传感器17测得的低温推进剂贮箱1压力对应的低温推进剂饱和温度时，说明集液器2内液体存在气化，无法向循环泵7提供单相液体。此时，开启电磁调节阀16，通过增压气源18对低温推进剂贮箱1进行增压，在压力上限范围内将低温推进剂贮箱1压力增加至超过温度传感器4测得温度对应的饱和压力，使集液器2内存在的气体在高压条件下过冷液化，再开启低温截止阀6、循环泵7和排气阀15，即可实现向循环泵7的单相液体供给。在排气系统运行过程中，集液器2内流体也将循环更新，并在第一排气盘管10的回热预冷作用下维持低温状态，保证排气装置的安全稳定运行。
以上实施例只是阐述了本发明的基本原理和特性，本发明不受上述事例限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改变，本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于回热式集液器的轻量化推进剂贮箱在轨排气装置，包括低温推进剂贮箱(1)，其特征在于：低温推进剂贮箱(1)顶部设有电磁调节阀(16)和压力传感器(17)，电磁调节阀(16)与增压气源(18)相连接；低温推进剂贮箱(1)内部设有管壳式换热器(11)和与之连接的集液器(2)。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的集液器(2)出口通过输液管(5)与低温截止阀(6)入口相连接；低温截止阀(6)出口与循环泵(7)入口相连接，循环泵(7)出口连接分流器(8)入口，分流器(8)的主流出口(8a)和管壳式换热器(11)的壳侧连接，分流器(8)的支流出口(8b)经节流阀(9)、集液器(2)内第一排气盘管(10)和管壳式换热器(11)内的第二排气盘管(12)连接，第二排气盘管(12)出口连接排气阀(15)；管壳式换热器(11)顶端布置有喷雾棒(13)，喷雾棒(13)上打有射流孔(14)。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述的集液器(2)布置于低温推进剂贮箱(1)底部位置，具有圆柱形结构，集液器(2)的上封板(2a)和下封板(2b)均为实体壁面，上封板(2a)布置有第一排气盘管(10)的出口管路(10b)，下封板(2b)安装有输液管(5)，输液管(5)内布置有第一排气盘管(10)的入口管路(10a)；集液器(2)侧壁面安装一层具有多孔介质结构特征的金属筛网(3)；集液器(2)容积需根据实际任务中循环泵(7)流量设计所需要的金属筛网(3)面积后确定。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述的集液器(2)内部布置有温度传感器(4)，结合压力传感器(17)，监测并判断集液器(2)内气液相分布状态；当温度传感器(4)测得的流体温度高于压力传感器(17)测得的低温推进剂贮箱(1)压力对应的低温推进剂饱和温度时，开启电磁调节阀(16)进行预增压排气循环，实现集液器(2)内气相的消除及全液填充。
5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述的第一排气盘管(10)为螺旋盘管结构，外径与集液器(2)内径相同，支撑集液器(2)中间段布置的金属筛网(3)。
6.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述的分流器(8)为三通结构，主流出口(8a)侧与支流出口(8b)侧流量比例为(40～60):1。
7.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述的节流阀(9)为焦耳-汤姆逊阀，结合转化温度与转化曲线进行节流工况设计，确保低温推进剂节流过程始终具有制冷效应。
8.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述的喷雾棒(13)的尺寸和数量，射流孔(14)的孔径、孔数与间距的参数需根据实际任务中贮箱尺寸、射流流量、贮箱压力的具体条件确定。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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