适用于低温推进剂长期在轨贮存的蒸发量主动控制方法与流程

本发明涉及一种适用于低温推进剂长期在轨贮存的主动控制方法，适合应用于航天器低温贮存系统设计，实现低温推进剂长期在轨贮存。

背景技术：

低温推进剂由于其比冲高、无毒无污染、价格相对低廉，在国内外运载火箭和上面级上得到了广泛的应用。低温推进剂被认为是进入空间及轨道转移最经济、效率最高的化学推进剂，也是未来人类月球探测、火星探测及更远距离的深空探测的首选推进剂。低温推进剂虽然性能高，但其沸点低(液氢-253℃，液氧-183℃)，易因受热而蒸发，难于长时间存储，通过采取合理有效的措施解决低温推进剂蒸发量的控制问题，是低温推进剂长时间在轨应用的前提。

低温推进剂的蒸发会使得航天器贮箱压力快速增加，为了保证箱内正常工作压力，必须将蒸发气体不断排出，这又会造成低温推进剂大量的无效损失。与此同时，为保证长时间飞行需求，航天器又必须携带更多的低温推进剂。以15t的液氢计算，如果日蒸发率>2％，仅在轨5天损耗推进剂就将大于1.5t。对于长期在轨应用，采用主动控制的系统重量比被动控制更占优势，在轨时间越长这种优势也越明显。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供适用于低温推进剂长期在轨贮存的蒸发量主动控制方法，该方法能够有效减少低温推进剂在轨应用的蒸发损失，延长航天器在轨任务时间。

本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：

适用于低温推进剂长期在轨贮存的蒸发量主动控制方法，包括如下步骤：

步骤(1)、为推进剂贮箱安装蒸发量主动控制装置，所述蒸发量主动控制装置包括复合绝热层、蒸汽冷却屏、换热器、节流组件、循环泵和蒸汽冷却屏排气阀，安装方法如下：

将复合绝热层包覆在推进剂贮箱外表面，蒸汽冷却屏设置在复合绝热层中间，并与复合绝热层贴合，换热器位于推进剂贮箱内部，循环泵、节流组件和换热器依次连接，且循环泵与推进剂贮箱内部的推进剂连通，蒸汽冷却屏与换热器连通，蒸汽冷却屏排气阀与蒸汽冷却屏连通；

步骤(2)、当推进剂贮箱内部的压力大于或等于设定的排气上限P时，开启循环泵，抽取部分液体推进剂，液体推进剂进入节流组件，在节流组件内液体推进剂变为气体推进剂，产生的制冷量及气体推进剂进入换热器，换热器将产生的制冷量传递至推进剂贮箱内部，同时气体推进剂进入蒸汽冷却屏内部的冷却管路；

步骤(3)、气体推进剂在蒸汽冷却屏内部的冷却管路中运动对推进剂贮箱表面进行降温，当推进剂贮箱表面温度达到设定温度值时，通过蒸汽冷却屏排气阀将气体推进剂向外排出。

适用于低温推进剂长期在轨贮存的蒸发量主动控制方法，包括如下步骤：

步骤(1)、为推进剂贮箱安装蒸发量主动控制装置，所述蒸发量主动控制装置包括复合绝热层、蒸汽冷却屏、换热器、节流组件、循环泵、蒸汽冷却屏排气阀和旁通阀，所述换热器包括进口管路和出口管路，具体安装方法如下：

将复合绝热层包覆在推进剂贮箱外表面，蒸汽冷却屏设置在复合绝热层中间，并与复合绝热层贴合，换热器位于推进剂贮箱内部，循环泵与节流组件连接，且循环泵通过旁通阀与换热器连接，节流组件与换热器连接，循环泵与推进剂贮箱内部的推进剂连通，蒸汽冷却屏与换热器连通，蒸汽冷却屏排气阀与蒸汽冷却屏连通；

步骤(2)、当推进剂贮箱内部的压力大于或等于设定的排气上限P时，打开旁通阀，开启循环泵，抽取部分液体推进剂，液体推进剂通过旁通阀进入换热器的进口管路，并通过换热器的出口管路喷入推进剂贮箱内部，使贮箱内部推进剂混合均匀，降低贮箱内部压力，若贮箱内部压力小于设定的排气上限P，则进入步骤(5)；若贮箱内部压力大于或等于设定的排气上限P，则进入步骤(3)；

步骤(3)、关闭旁通阀，开启循环泵，抽取部分液体推进剂，液体推进剂进入节流组件，在节流组件内液体推进剂变为气体推进剂，产生的制冷量及气体推进剂进入换热器，换热器将产生的制冷量传递至推进剂贮箱内部；同时气体推进剂进入蒸汽冷却屏内部的冷却管路；

步骤(4)、气体推进剂在蒸汽冷却屏内部的冷却管路中运动对推进剂贮箱表面进行降温，当推进剂贮箱表面温度达到设定温度值时，通过蒸汽冷却屏排气阀将气体推进剂向外排出；

步骤(5)、结束。

在上述适用于低温推进剂长期在轨贮存的蒸发量主动控制方法中，所述蒸发量主动控制装置还包括安全排气阀，所述安全排气阀与推进剂贮箱连通，当推进剂贮箱内部压力达到设定上限值时，开启安全排气阀。

在上述适用于低温推进剂长期在轨贮存的蒸发量主动控制方法中，所述复合绝热层包括多个隔热层和1个泡沫层，其中泡沫层紧贴推进剂贮箱外表面包覆，多个隔热层位于泡沫层外表面，且蒸汽冷却屏设置在隔热层之间，不与泡沫层接触。

在上述适用于低温推进剂长期在轨贮存的蒸发量主动控制方法中，所述每个隔热层由双面镀铝聚酰亚胺薄膜反射屏和尼龙织物交替叠合组成。

在上述适用于低温推进剂长期在轨贮存的蒸发量主动控制方法中，所述双面镀铝聚酰亚胺薄膜反射屏的厚度为6～10μm，所述尼龙织物的厚度为20～60μm。

在上述适用于低温推进剂长期在轨贮存的蒸发量主动控制方法中，所述蒸汽冷却屏为真空多层结构，任意相邻两层冷却板之间采用真空设计，且其中的两层冷却板之间设置冷却管路，冷却管路与换热器连通。

在上述适用于低温推进剂长期在轨贮存的蒸发量主动控制方法中，所述任意相邻两层冷却板之间的距离为1～5mm；所述冷却板的厚度为0.5～1mm。

在上述适用于低温推进剂长期在轨贮存的蒸发量主动控制方法中，所述冷却板的材料为铝或不锈钢，或者铝或不锈钢表面增加黑色涂层。

在上述适用于低温推进剂长期在轨贮存的蒸发量主动控制方法中，所述冷却管路采用螺旋式盘管设计，管径为3～5mm。

在上述适用于低温推进剂长期在轨贮存的蒸发量主动控制方法中，所述步骤(2)中抽取的部分液体推进剂为液体推进剂总质量的0.05～0.1％。

在上述适用于低温推进剂长期在轨贮存的蒸发量主动控制方法中，所述步骤(3)中抽取的部分液体推进剂为液体推进剂总质量的0.05～0.1％；所述步骤(2)中抽取的部分液体推进剂为液体推进剂总质量的0.05～0.1％。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)、本发明在蒸发量主动控制装置中增加了旁通阀，通过循环泵和节流组件的交替开启，建立流体混合压力控制模式和节流制冷压力控制模式，首先采取流体混合压力控制模式，该模式在不损失推进剂的前提下降低贮箱内压力，若压力降低不明显，则采取节流制冷压力控制模式，实现贮箱内压力的降低，以最小的低温推进剂代价达到了良好的压力控制和蒸发量控制效果。

(2)、本发明针对低温推进剂长期在轨贮存蒸发量控制的问题，提出了利用少量排放气体节流后的热力学焓对低温贮箱内剩余低温推进剂进行冷却的蒸发量控制方法，解决了低温贮箱内部推进剂蒸发引起的压力控制问题，达到了以少量低温推进剂损失来对低温推进剂蒸发量进行有效控制的目的。

(3)、本发明还通过耦合蒸汽冷却屏有效利用了热力学排气系统排出的低温蒸汽，降低了多层隔热材料中间部位的温度，进一步降低了空间环境还低温贮箱内部的漏热，减少内部低温推进剂的蒸发损失

(4)、本发明对蒸汽冷却屏的结构进行了优化设计，采用真空多层结构，任意相邻两层冷却板之间采用真空设计，且其中的两层冷却板之间设置冷却管路，该结构设计可以显著降低多层隔热层内部的温度，降低了与贮箱表面的温差，从而减少传热。

附图说明

图1为本发明蒸发量主动控制装置结构示意图；

图2为本发明蒸汽冷却屏结构展开示意图；

图3为本发明复合绝热层与蒸汽冷却屏位置关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

本发明适用于低温推进剂长期在轨贮存的蒸发量主动控制方法通过蒸发量主动控制装置实现。如图1所示为本发明蒸发量主动控制装置结构示意图，由图可知本发明蒸发量主动控制装置包括复合绝热层1、蒸汽冷却屏2、换热器5、节流组件4、循环泵8、安全排气阀6、蒸汽冷却屏排气阀7和旁通阀10，其中换热器5包括进口管路和出口管路。

(一)、首先将蒸发量主动控制装置安装在推进剂贮箱3上，具体的安装方法如下：

如图1所示，将复合绝热层1包覆在推进剂贮箱3外表面，蒸汽冷却屏2设置在复合绝热层1中间，并与复合绝热层1贴合，换热器5位于推进剂贮箱3内部，循环泵8与节流组件4连接，且循环泵8通过旁通阀10与换热器5连接，节流组件4与换热器5连接，循环泵8与推进剂贮箱3内部的推进剂连通，蒸汽冷却屏2与换热器5连通，安全排气阀6与推进剂贮箱3连通，蒸汽冷却屏排气阀7与蒸汽冷却屏2连通。

如图3所示为本发明复合绝热层与蒸汽冷却屏位置关系示意图，复合绝热层1包括多个隔热层1-1和1个泡沫层1-2，其中泡沫层1-2紧贴推进剂贮箱3外表面包覆，多个隔热层1-1位于泡沫层1-2外表面，且蒸汽冷却屏2设置在隔热层1-1之间，不与泡沫层1-2接触。本实施例中复合绝热层1包括3个隔热层1-1和1个泡沫层1-2。

每个隔热层1-1由双面镀铝聚酰亚胺薄膜反射屏和尼龙织物交替叠合组成，双面镀铝聚酰亚胺薄膜反射屏的厚度为6～10μm，尼龙织物的厚度为20～60μm。

如图2所示为本发明蒸汽冷却屏结构展开示意图，蒸汽冷却屏2为真空多层结构，由多层冷却板12组成，任意相邻两层冷却板12之间采用真空设计，且在其中的两层冷却板12之间设置冷却管路9，冷却管路9与换热器5连通。冷却板12为环形设计，冷却管路9在冷却板12表面采用螺旋式盘管设计，管径为3～5mm。

任意相邻两层冷却板12之间的距离为1～5mm；冷却板12的厚度为0.5～1mm。且冷却板12的材料为铝或不锈钢，或者铝或不锈钢表面增加黑色涂层。

(二)、当推进剂贮箱3内部的压力大于或等于设定的排气上限P时，打开旁通阀10，开启循环泵8，抽取部分液体推进剂，液体推进剂通过旁通阀10进入换热器5的进口管路，并通过换热器5的出口管路喷入推进剂贮箱3内部，使贮箱3内部推进剂混合均匀，降低贮箱3内部压力，若贮箱内部压力小于设定的排气上限P，则进入步骤(五)；若贮箱内部压力大于或等于设定的排气上限P，则进入步骤(三)；其中抽取的部分液体推进剂为液体推进剂总质量的0.05～0.1％。本实施中设定的的排气上限P为145kPa。

(三)、关闭旁通阀10，开启循环泵8，抽取部分液体推进剂，液体推进剂进入节流组件4，在节流组件4内液体推进剂变为气体推进剂，产生的制冷量及气体推进剂进入换热器5，换热器5将产生的制冷量传递至推进剂贮箱3内部；同时气体推进剂进入蒸汽冷却屏2内部的冷却管路；其中抽取的部分液体推进剂为液体推进剂总质量的0.05～0.1％。

(四)、气体推进剂在蒸汽冷却屏2内部的冷却管路中运动对推进剂贮箱3表面进行降温，当推进剂贮箱3表面温度达到设定温度值时，通过蒸汽冷却屏排气阀7将气体推进剂向外排出；本实施例中设定的温度值为20.345K。

(五)、结束。

其中安全排气阀6与推进剂贮箱3连通，当推进剂贮箱3内部压力达到设定上限值时，开启安全排气阀6。

本发明蒸发量主动控制装置还可以采用另一种形式，包括复合绝热层1、蒸汽冷却屏2、换热器5、节流组件4、循环泵8、安全排气阀6和蒸汽冷却屏排气阀7，即不包括旁通阀10，如图1所示，去除旁通阀10，即为该结构形式。采用该结构形式的蒸发量主动控制装置进行蒸发量主动控制的具体方法如下：

(一)、为推进剂贮箱3安装蒸发量主动控制装置，安装方法如下：

将复合绝热层1包覆在推进剂贮箱3外表面，蒸汽冷却屏2设置在复合绝热层1中间，并与复合绝热层1贴合，换热器5位于推进剂贮箱3内部，循环泵8、节流组件4和换热器5依次连接，且循环泵8与推进剂贮箱3内部的推进剂连通，蒸汽冷却屏2与换热器5连通，安全排气阀6与推进剂贮箱3连通，蒸汽冷却屏排气阀7与蒸汽冷却屏2连通；

(二)、当推进剂贮箱3内部的压力大于或等于设定的排气上限P时，开启循环泵8，抽取部分液体推进剂，液体推进剂进入节流组件4，在节流组件4内液体推进剂变为气体推进剂，产生的制冷量及气体推进剂进入换热器5，换热器5将产生的制冷量传递至推进剂贮箱3内部，同时气体推进剂进入蒸汽冷却屏2内部的冷却管路；其中抽取的部分液体推进剂为液体推进剂总质量的0.05～0.1％。本实施例中设定的的排气上限P为145kPa。

(三)、气体推进剂在蒸汽冷却屏2内部的冷却管路中运动对推进剂贮箱3表面进行降温，当推进剂贮箱3表面温度达到设定温度值时，通过蒸汽冷却屏排气阀7将气体推进剂向外排出。本实施例中设定的温度值为20.345K。

其中安全排气阀6与推进剂贮箱3连通，当推进剂贮箱3内部压力达到设定上限值时，开启安全排气阀6。

采用该结构形式的蒸发量主动控制装置时，复合绝热层1和蒸汽冷却屏2的结构形式分别如图3、图2所示，与上面描述包含旁通阀10的蒸发量主动控制装置中复合绝热层1和蒸汽冷却屏2的结构形式相同，在此不再详细描述。

本发明中低温推进剂包括液氢、液氧和液态甲烷等。

本发明通过建立低温推进剂蒸发量主动控制方案，能够在微重力条件气液位置不确定的情况下实现少量的单纯气态推进剂排放，并且可以充分利用所排放的低温推进剂节流后的热力学焓，在双重作用下有效地实现低温推进剂贮箱的压力控制和低温推进剂蒸发量控制。

本发明的基本工作原理是：一部分贮箱内的低温流体通过节流阀后进行热力学膨胀节流过程，其平衡温度降低；随后，通过在换热器中与贮箱内的流体进行热交换，在换热器出口达到亚临界状态，出口排气进入蒸汽冷却屏用于对多层隔热材料进行冷却；换热器另一侧出口的流体则达到过冷状态；过冷流体与贮箱中的流体继续混合来消除贮箱内部的热分层，并达到控制贮箱内部压力和减少低温流体蒸发量损失的目的。

采用本发明蒸发量主动控制方法能够有效减少低温推进剂在轨应用的蒸发损失，延长航天器在轨任务时间，液氢日蒸发率降低到1％以下，排气压力上限为145kPa，排气压力下限为131kPa。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，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之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。