CN221299327U - 一种推进剂箭上过冷装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种推进剂箭上过冷装置，涉及低温推进剂过冷技术领域，该推进剂箭上过冷装置，包括第一贮箱，还包括：第二贮箱，所述第二贮箱位于第一贮箱内，且第二贮箱用于容纳液甲烷；间隔空间，所述间隔空间由第一贮箱的内壁与第二贮箱的外壁形成，且间隔空间用于容纳液氧。本实用新型，设置了内外嵌套的第二贮箱和第一贮箱，位于外围的液氧一方面与液甲烷传热，对液甲烷进行过冷，另外一方面和外界换热，这两者都通过液氧的气化带走系统热量，外界换热量是固有的，系统仅增加过冷甲烷需要的液氧，增加的过冷用液氧大部分会在加注过程中气化并排出贮箱，不会对火箭整体起飞质量造成过大影响。

Description

一种推进剂箭上过冷装置

技术领域

本实用新型涉及低温推进剂过冷技术领域，具体为一种推进剂箭上过冷装置。

背景技术

由于过冷推进剂带来的密度增大可提高火箭整体性能，现在很多液氧甲烷火箭均采用各种方法对推进剂进行液氧甲烷双过冷或者单独液氧/甲烷过冷，过冷方式大多为地面过冷之后加注到箭上贮箱。

这种方式的缺点是过冷推进剂一旦加注到箭上，火箭需要在短时间内发射，否则在外界的换热情况下难以保持过冷推进剂的品质；推进剂温度一旦升高，箭上不具备再次降温的能力。这个缺点极大限制了过冷推进剂的使用范围。且地面过冷设备的增加会导致地面加注系统控制复杂、可靠性降低、成本增大。

对于推进剂是液氧和甲烷的液体火箭来说，两种推进剂都属于低温推进剂，在加注过程和进入箭上贮箱中后都会有很大的蒸发量，考虑飞行过程中需要蒸发量带来的多余的重量，影响火箭整体起飞质量。

实用新型内容

本实用新型提供了一种推进剂箭上过冷装置，具备不对火箭整体起飞质量造成过大影响的优点，以解决背景技术中提出的问题。

为实现不对火箭整体起飞质量造成过大影响的目的，本实用新型提供如下技术方案：一种推进剂箭上过冷装置，包括第一贮箱，还包括：第二贮箱，所述第二贮箱位于第一贮箱内，且第二贮箱用于容纳液甲烷；间隔空间，所述间隔空间由第一贮箱的内壁与第二贮箱的外壁形成，且间隔空间用于容纳液氧，所述液氧通过第二贮箱的箱壁与液甲烷传热。

作为本实用新型的一种优选技术方案，述第一贮箱上设有气孔，所述气孔用于液氧气化排气。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述第二贮箱的两端重合于第一贮箱的两端，所述间隔空间由第二贮箱的轴向外壁与第一贮箱的内壁形成。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述第二贮箱具有两个单独的端封口，所述间隔空间由第一贮箱的内壁、第二贮箱的两封口端外壁与第二贮箱的轴向外壁形成。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述第二贮箱与第一贮箱的内壁之间固定有第一拉杆，以给予第二贮箱支撑力。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述第二贮箱具有一个单独的封口端，且所述第二贮箱的另一端重合于第一贮箱的一端，所述间隔空间由第一贮箱的内壁、第二贮箱的轴向外壁以及第二贮箱的封口端外壁形成。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述第二贮箱设有一个或多个，且所述第二贮箱均匀的布置于第一贮箱内。

与现有技术相比，本实用新型提供了一种推进剂箭上过冷装置，具备以下有益效果：

该推进剂箭上过冷装置，设置了内外嵌套的第二贮箱和第一贮箱，位于外围的液氧一方面与液甲烷传热，对液甲烷进行过冷，另外一方面和外界换热，这两者都通过液氧的气化带走系统热量，外界换热量是固有的，系统仅增加过冷甲烷需要的液氧，增加的过冷用液氧大部分会在加注过程中气化并排出贮箱，不会对火箭整体起飞质量造成过大影响。

附图说明

图1为本实用新型实施例一中采用单体贮箱的轴向剖开图；

图2为本实用新型实施例二中采用单体贮箱的轴向剖开图；

图3为本实用新型实施例三中采用单体贮箱的轴向剖开图；

图4为本实用新型实施例一中采用分体式贮箱时的径向剖开图；

图5为本实用新型实施例一中采用分体式贮箱的轴向剖开图；

图6为本实用新型实施例二中采用分体式贮箱的的轴向剖开图；

图7为本实用新型实施例三中采用分体式贮箱的的轴向剖开图；

图8为本实用新型图1中加装扰流部件的结构示意图。

图中：100、第一贮箱；210、单体贮箱；220、分体式贮箱；300、间隔空间；400、第一拉杆；500、定位环；600、连接杆；700、扰流部件；800、加注管。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例一：

请参阅图1、图4和图5，本实用新型公开了一种推进剂箭上过冷装置，包括第一贮箱100，还包括：第二贮箱，第二贮箱位于第一贮箱100内，且第二贮箱用于容纳液甲烷；间隔空间300，间隔空间300由第一贮箱100的内壁与第二贮箱的外壁形成，且间隔空间300用于容纳液氧，加注时液氧和液甲烷均处于饱和状态，加注过程中利用第二贮箱的箱壁传热，从而完成液氧对液甲烷的过冷；加注结束后利用第二贮箱的箱壁传热保持液甲烷的过冷状态。

继续参照图1、图4和图5，这里所提到的第二贮箱的两端重合于第一贮箱100的两端，即第二贮箱与第一贮箱100共用两个筒底，从而间隔空间300由第二贮箱的轴向外壁与第一贮箱100的内壁形成。

在一些实施例中，第一贮箱100上设有气孔，气孔用于液氧气化排气；本实施方案中，上述所提到的液氧一方面与液甲烷传热，对液甲烷进行过冷，另外一方面和外界换热，这两者都通过液氧的气化带走系统热量，外界换热量是固有的，系统仅增加过冷甲烷需要的液氧，增加的过冷用液氧大部分会在加注过程中气化并从气孔排出第一贮箱100，不会对火箭整体起飞质量造成太大影响。

事实上，本方案的依据是由于液氧在0.1MPa压力下的饱和温度为90.06K，甲烷在0.1MPa压力下的饱和温度为111.51K，二者存在温差，所以本方案是戈恩据此原理利用液氧对甲烷进行过冷的，甲烷的三相点为90.69K，与液氧的饱和温度90.06相差很小，考虑传热温差以及温度不同引起的流体流动，0.1MPa下的饱和液氧并不容易将甲烷冻结。

并且增加的液氧和需要过冷的甲烷质量之比为0.32，这是由于0.1MPa下饱和液氧的汽化潜热为213kJ/kg，0.1MPa下饱和温度附近甲烷的平均定压比热为3.45kJ/kg-K，甲烷温度由111K下降到91K释放出的热量为69kJ/kg，液氧带走69kJ的热量需要汽化的质量为0.32kg。即1kg甲烷过冷20K需要消耗的液氧为0.32kg。

对于液氧和液甲烷的加注来说，第一贮箱100和第二贮箱上均设有加注管800，加注管800的位置可以为两个端面或贮箱侧面，第二贮箱的加注管800是穿过第一贮箱100到达第一贮箱100外部的，两加注管800是连接地面和箭上贮箱的，加注完成后会在加注管800上设置密封点，以避免加注后的液氧和液甲烷泄漏，对于加注过程来说，可以先加注液氧或者甲烷，也可以液氧甲烷同时加注，但是加注过程需要通过增压系统或者其他系统进行压力控制，使得第二贮箱的筒体壁面不承受过高的外压，防止外压失稳。

如图4-图7所示，在一些实施例中，将第二贮箱设置成一个或多个，且第二贮箱均匀的布置于第一贮箱100，即当第二贮箱为一个时，第二贮箱设置为单体贮箱210，单体贮箱210应当与第一贮箱100共圆心；当第二贮箱为多个时(图示为三个)，第二贮箱为分体式贮箱220，分体式贮箱220应当呈圆形矩阵式排布于第一贮箱100内，相比于单体贮箱210来说，单个分体式贮箱220的容积减小，但是每个分体式贮箱220的箱壁均进行传热，从而增大的传热面积，所以优于采用单体贮箱210的传热效率，从而对过冷有更积极的效果，但是由于多个分体式贮箱220会增加结构重量，实际应用中可以权衡使用(如图7，当采用分体式贮箱220具有两个单独的封口端时，为了加强其稳定性，优选在分体式贮箱220外部嵌套定位环500，在相邻的两个定位环500之间组装连接杆600，以进一步提高分体式贮箱220的稳定性)。

如图8，在一些实施例中，将第二贮箱内设置固定或者临时的扰流部件700，扰流部件700可使液甲烷在移动过程中遇到阻力、流动不稳定等现象，导致流动方向和速度发生变化，形成小涡流，气体的气流动轨迹变得复杂多样，从而进一步增加液甲烷和液氧的换热效率，加速过冷，优选扰流部件700采用螺旋管；也可以在时序中采用鼓泡或者其他方式对液甲烷进行扰流以增强过冷效果。

过冷过程从两种介质均出现开始进行，加注全过程均在进行过冷，加注结束后系统停放时长越长，过冷效果越好。

实施例二：

如图2和图6，相比于实施例一，本实施例的区别在于，第二贮箱具有两个单独的封口端，即第二贮箱由轴向箱壁与两个单独的封口端形成，从而这里的间隔空间300由第一贮箱100的内壁、第二贮箱的两封口端外壁与第二贮箱的轴向外壁形成，这种组装方式由于第二贮箱的两封口端也能够传热，从而可提高换热效率。

并且由于第二贮箱完全架空于第一贮箱100的内部，所以为了将第二贮箱的位置锁定，在第二贮箱与第一贮箱100的内壁之间固定有第一拉杆400，以给予第二贮箱支撑力，满足第二贮箱的位置锁定。

实施例三：

结合图3和图7所示，相比于实施例一和实施例二，本实施例的区别在于，第二贮箱仅具有一个单独的封口端，且第二贮箱的另一端重合于第一贮箱100的一端，即第二贮箱与第一贮箱100共用一个筒底，从而间隔空间300由第一贮箱100的内壁、第二贮箱的轴向外壁以及第二贮箱的封口端外壁形成。

本实用新型的工作原理及使用流程：加注时，第一贮箱100内的液氧和第二贮箱内的液甲烷均处于饱和状态，加注过程中利用第二贮箱的箱壁传热完成液氧对液甲烷的过冷；加注结束后利用间壁传热保持液甲烷的过冷状态，液氧一方面与液甲烷传热，对液甲烷进行过冷，另外一方面和外界换热。这两者都通过液氧的气化(气化后从第一贮箱100上的气孔排出)带走系统热量。外界换热量是固有的，系统仅增加过冷甲烷需要的液氧，加注过程中随着气化的液氧的排出，液甲烷就会达到过冷。过冷之后的液甲烷由于不和外界接触，没有外界传热给液甲烷，过冷状态就可以一直保持下去，这种方式不会对火箭整体起飞质量造成太大影响。

综上所述，该推进剂箭上过冷装置，设置了内外嵌套的用于贮存液甲烷的第二贮箱和用于贮存液氧的第一贮箱100，液氧一方面与液甲烷传热，对液甲烷进行过冷，另外一方面和外界换热，这两者都通过液氧的气化带走系统热量，外界换热量是固有的，系统仅增加过冷甲烷需要的液氧，增加的过冷用液氧大部分会在加注过程中气化并排出贮箱，不会对火箭整体起飞质量造成太大影响。

需要说明的是，在本文中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种推进剂箭上过冷装置，包括第一贮箱(100)，其特征在于，还包括：

第二贮箱，所述第二贮箱位于第一贮箱(100)内，且第二贮箱用于容纳液甲烷；

间隔空间(300)，所述间隔空间(300)由第一贮箱(100)的内壁与第二贮箱的外壁形成，且间隔空间(300)用于容纳液氧，所述液氧通过第二贮箱的箱壁与液甲烷传热。

2.根据权利要求1所述的一种推进剂箭上过冷装置，其特征在于：所述第一贮箱(100)上设有气孔，所述气孔用于液氧气化排气。

3.根据权利要求2所述的一种推进剂箭上过冷装置，其特征在于：所述第二贮箱的两端重合于第一贮箱(100)的两端，所述间隔空间(300)由第二贮箱的轴向外壁与第一贮箱(100)的内壁形成。

4.根据权利要求2所述的一种推进剂箭上过冷装置，其特征在于：所述第二贮箱具有两个单独的端封口，所述间隔空间(300)由第一贮箱(100)的内壁、第二贮箱的两封口端外壁与第二贮箱的轴向外壁形成。

5.根据权利要求4所述的一种推进剂箭上过冷装置，其特征在于：所述第二贮箱与第一贮箱(100)的内壁之间固定有第一拉杆(400)，以给予第二贮箱支撑力。

6.根据权利要求2所述的一种推进剂箭上过冷装置，其特征在于：所述第二贮箱具有一个单独的封口端，且所述第二贮箱的另一端重合于第一贮箱(100)的一端，所述间隔空间(300)由第一贮箱(100)的内壁、第二贮箱的轴向外壁以及第二贮箱的封口端外壁形成。

7.根据权利要求3-6任一项所述的一种推进剂箭上过冷装置，其特征在于：所述第二贮箱设有一个或多个，且所述第二贮箱均匀的布置于第一贮箱(100)内。