一种月球表面低温推进剂无损存储装置的制作方法

本发明属于航天低温推进剂存储技术领域，具体涉及一种月球表面低温推进剂无损存储装置。

背景技术：

月球是距离地球最近的天体，蕴藏着丰富的资源与能源，也是人类走向深空最理想的技术验证基地。月球探测已引起美、俄、欧、日、印及中国航天界的关注与研究，并已规划建设月球基地，服务于各类需求。在可预见的未来，载人地月往返将更加频繁，甚至达到“航班化”。航天器从月球起飞所需推进剂必须满足在月面长期存储的能力。

相较于常规推进剂，低温推进剂包括液氢/液氧、液甲烷/液氧、液氧/煤油等组合，具有推力大、比冲高的性能优势，将在未来的航天探测中发挥更重要作用。相较而言，液甲烷/液氧沸点接近，空间管理与应用可采用统一的技术开展，其管控难度远低于液氢。因此，液甲烷/液氧被认为是支撑下一步天地往返、月球探测的主要动力燃料。

航天用低温液氧、液甲烷沸点远低于常温环境，其中，液氧常压下的沸点为90.1k，液甲烷为111.5k。当低温推进剂处于地面、在轨及月球表面贮存时，环境热侵不可避免会造成液体推进剂的升温与汽化，造成推进剂损失。空间探测飞行器的任务适用性很大程度上取决于可用推进剂总量。因此，降低低温推进剂的蒸发损失量，甚至达到无损存储是支撑未来深空探测的关键。

月球表面无大气，月球自转一圈约等于地球时间28天，其中，月昼14天，月夜14天。月昼期间表面温度高达120℃，而月夜则降至-180℃。当低温推进剂贮存于月昼环境时，高温环境会造成低温推进剂剧烈升温与汽化损失，且高温持续时间较长，汽化损失量远大于地面工况，携带至月球表面的低温推进剂可能过量损失而无法支撑后续航天任务。

现有的月球探测任务时间较短，而人类未来的开发月球活动必将经历较长时间，如经历多个月昼/月夜的交替。如何在月面特殊热环境下实现低温液氧、液甲烷的高效存储就成为必需解决的技术难题之一。目前尚未见相关的文献公开。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提出了一种月球表面低温推进剂无损存储装置，利用液氧、液甲烷推进剂的热力学特性及月球表面的特殊热环境，实现液氧、液甲烷月面零蒸发存储，具有结构简单、设备运行可靠、无需能源供应等优点。

为了达到上述目标，本发明采取的技术方案为：

一种月球表面低温推进剂无损存储装置，包括低温液体贮箱1与气体容器2，低温液体贮箱1通过支撑腿21固定在月面，气体容器2通过低导热连接杆22固定在低温液体贮箱1上；

所述的低温液体贮箱1的顶部设置第一连接管3，气体容器2的底部设置第二连接管4，第一连接管3上设置第一截止阀6，第二连接管4上设置第二截止阀7，第一连接管3与第二连接管4通过低导热管5接通；

所述的低温液体贮箱1的外表面覆盖多层绝热层8，低温液体贮箱1的底部分别设置液体加注阀9与液体泄流阀10，低温液体贮箱1的顶部设置第一增压管11，第一增压管11上设置第一减压阀12与第一止回阀13，低温液体贮箱1的顶部同时设置第一安全阀14与第一泄压阀15；

所述的气体容器2顶部设置第二增压管16，第二增压管16上设置第二减压阀17与第二止回阀18，气体容器2的顶部同时设置第二安全阀19与第二泄压阀20。

所述的低温液体贮箱1为不锈钢或铝合金材质，低温液体贮箱1存储液态甲烷、液氧，液体充注率小于98％，壁厚1～5mm，耐压大于0.5mpa；第一增压管11、第一安全阀14、第一泄压阀15分别接通低温液体贮箱1的气枕区。

所述的气体容器2采用不锈钢、铝合金或铜制造，壁厚1～5mm，耐压大于0.5mpa。

所述的第一连接管3焊接在低温液体贮箱1的顶部，管壁材料与低温液体贮箱1相同；所述的第二连接管4焊接在气体容器2的底部，管壁材料与气体容器2相同。

所述的第一截止阀6、第二截止阀7选用低温球阀。

所述的低导热管5采用s-环氧树脂或石墨环氧树脂加工，低导热管5的两端通过螺纹或法兰分别与第一连接管3、第二连接管4连接，低导热管5长度大于0.2m。

所述的第一连接管3、第二连接管4、低导热管5实现流体在低温液体贮箱1与气体容器2间流通，且第一连接管3、第二连接管4、低导热管5表面均包括多层绝热层8。

所述的多层绝热层8采用金属反射屏与非金属间隔物相间构成，金属反射屏采用铝箔、双面镀铝涤纶薄膜或单面镀铝涤纶薄膜，非金属间隔物采用玻璃纤维或尼龙网。

所述的第一止回阀13流动方向为朝向低温液体贮箱1，所述的第二止回阀18流动方向为朝向气体容器2。

所述的支撑腿21与低导热连接杆22采用殷钢或304不锈钢制造，表面包裹多层绝热层8。

本发明的有益效果：

本发明利用月球表面昼夜原位热环境条件，结合低温液氧、液甲烷的热力学特性，通过低温推进剂存储容器结构的设计，将月昼气化损失的液体推进剂在月夜再次凝结，实现了低温推进剂月面长期无损存储。

相较于传统低温储箱，本发明气体容器2的引入并不会给低温液体贮箱1带来更多热损失，月昼时通过气体导热、管壁导热的漏热损失较小。月夜时由于气体容器2未采用绝热处理，可在较短时间内与月夜冷背景达到热平衡，气体容器2内过热气体与冷壁面接触发生凝结换热，凝结液在月面重力作用下反流回低温液体贮箱1，且冷壁面始终与气体充分接触，可以保证气体充分凝结。

本发明装置对于未来的月球探测具有极佳的适用性，液氧/液甲烷组合为最具潜能的推进剂，而本发明适用对象恰好为液氧、液甲烷的月面存储，液氧也可在月面原位制备。此外，本发明装置无运动部件，结构简单，运行过程中无额外能量的输入，对于未来的月球探测与资源开发具有重要价值。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细描述。

参照图1，一种月球表面低温推进剂无损存储装置，包括低温液体贮箱1与气体容器2，低温液体贮箱1通过支撑腿21固定在月面，气体容器2通过低导热连接杆22固定在低温液体贮箱1上；

所述的低温液体贮箱1的顶部设置第一连接管3，气体容器2的底部设置第二连接管4，第一连接管3上设置第一截止阀6，第二连接管4上设置第二截止阀7，第一连接管3与第二连接管4通过低导热管5接通；

所述的低温液体贮箱1的外表面覆盖多层绝热层8，低温液体贮箱1的底部分别设置液体加注阀9与液体泄流阀10，低温液体贮箱1的顶部设置第一增压管11，第一增压管11上设置第一减压阀12与第一止回阀13，低温液体贮箱1的顶部同时设置第一安全阀14与第一泄压阀15；

所述的气体容器2顶部设置第二增压管16，第二增压管16上设置第二减压阀17与第二止回阀18，气体容器2的顶部同时设置第二安全阀19与第二泄压阀20。

所述的低温液体贮箱1为不锈钢或铝合金材质，低温液体贮箱1存储液态甲烷、液氧，液体充注率小于98％，壁厚1～5mm，耐压大于0.5mpa；第一增压管11、第一安全阀14、第一泄压阀15分别接通低温液体贮箱1的气枕区。

所述的气体容器2采用不锈钢、铝合金或铜制造，壁厚1～5mm，耐压大于0.5mpa，表面无绝热材料包裹。

所述的第一连接管3焊接在低温液体贮箱1的顶部，管壁材料与低温液体贮箱1相同；所述的第二连接管4焊接在气体容器2的底部，管壁材料与气体容器2相同；所述的第一截止阀6、第二截止阀7选用低温球阀。

所述的低导热管5采用s-环氧树脂或石墨环氧树脂加工，低导热管5的两端通过螺纹或法兰分别与第一连接管3、第二连接管4连接，低导热管5长度大于0.2m。

所述的第一连接管3、第二连接管4、低导热管5实现流体在低温液体贮箱1与气体容器2间流通，且第一连接管3、第二连接管4、低导热管5表面均包括多层绝热层8。

所述的多层绝热层8采用金属反射屏与非金属间隔物相间构成，金属反射屏采用铝箔、双面镀铝涤纶薄膜或单面镀铝涤纶薄膜，非金属间隔物采用玻璃纤维或尼龙网。

所述的第一止回阀13流动方向为朝向低温液体贮箱1，所述的第二止回阀18流动方向为朝向气体容器2。

所述的支撑腿21与低导热连接杆22采用殷钢或304不锈钢制造，表面包裹多层绝热层8。

本发明的工作原理如下：

低温液体贮箱1与气体容器2均由地球发射，并在月面表面完成设备的组装；月面组装前，第一截止阀6、第二截止阀7均关闭，携带低温推进剂的低温液体贮箱1由支撑腿21固定在月面，气体容器2通过低导热连接杆22固定在低温液体贮箱1的上方，并确保由第一连接管3、第二连接管4、低导热管5组成的流体管道接通；第一截止阀6、第二截止阀7的作用在于组装前实现低温液体贮箱1、气体容器2的封闭，维持从地面出发至组装前所需的容器密封。

低温液体贮箱1与气体容器2组装完成后，打开第一截止阀6与第二截止阀7，实现低温液体贮箱1与气体容器2的流道接通，即可实现低温液氧、液甲烷月面的长期存储。其中，液体加注阀9用于补加液体推进剂，液体泄流阀10用于液体推进剂的供给或泄流排放。正常供液时，增压气体接通第一增压管11，通过第一减压阀12、第一止回阀13对低温液体贮箱1增压，建立所需供液压力；第一安全阀14用于低温液体贮箱1超压排气，第一泄压阀15用于主动泄压。第二增压管16及第二减压阀17、第二止回阀18用于向气体容器2补加气体，第二安全阀19用于气体容器2紧急排气，第二泄压阀20用于主动泄压。

月昼时，月面温度升高，在月面环境热侵下，低温液体贮箱1内低温推进剂逐渐升温并气化，由于多层绝热层8的热防护，液体推进剂升温与气化作用较慢，低温液体贮箱1压力缓慢升高；气体容器2无绝热保护，因此气体容器2壁面及内部气体升温较快，并在较短时间内与周围热环境达到平衡，随后，气体容器2温度不再明显变化，整个装置达到稳定。此时，由第一连接管3、第二连接管4、低导热管5组成的流体管道两端存在较大的温差，热量由第二连接管4上端向第一连接管3下端传递；由于整个系统已经达到准稳态，流体管道内气流速度较低，通过气体的导热作用极小。此外，低导热管5大幅度抑制了沿管壁的轴向导热，再考虑整个管道系统由多层绝热层8包裹，因此，月昼时通过流体通道的局部漏热较小，并不会造成低温液体贮箱1内推进剂明显的温升或气化损失。随着月昼停放时间的持续，整个装置内压力逐渐升高，低温推进剂蒸发气体主要贮存于气体容器2内。

月夜时，月球表面在较短时间即达到近-180℃的低温环境，并保持基本稳定。由于气体容器2无绝热包裹且为金属材质，金属壁可在较短时间内降温至月面温度，金属壁对气体容器2内气体持续降温冷却。开始阶段，气体容器2内压力较高，内部气体对应冷凝温度也相对较高，金属壁温度低于气体冷凝温度，因此，推进剂蒸气在气体容器2内壁面凝结，凝结液在月面重力作用下回流至低温液体贮箱1，实现了蒸气的回收。此外，在月面重力下，气体容器2内表面可始终保持与蒸气的接触，实现了凝结过程持续进行。随着凝结的持续，整个装置内的压力逐渐降低，最终实现了低温推进剂的长期无损存储。

需要注意的是，月昼时，热量从月面向气体容器2传递，达到热平衡后气体容器2温度不再发生变化。因此，虽然月昼时间较长，但热量并不能持续稳定的向气体容器2传递，整个月昼时间传给气体容器2的热量有限；而在月夜时，气体容器2壁面温度始终维持较低水平，能够持续从内部流体吸收热量，实现流体降温与凝结回收。