一种主动冷却与能源综合利用系统及实现方法与流程

本发明涉及一种主动冷却与能源综合利用系统及实现方法，属于航天器/运载器热控系统或热管理。

背景技术：

1、低温贮箱在上升和返回过程中会受到严峻的气动加热影响，国内外传统设计均采用被动隔热方案进行防护，当贮箱内低温推进剂剩余量较少时则难以直接利用对流冷却为贮箱降温将导致热管理代价增大，不利于减重设计。其次，大型航天器传统热控设计主要采用单相流体回路传输热量和辐射器排散热量的设计思想，而面对运载器复杂任务剖面采用辐射器散热则难以全程提供有效热沉，一般采用额外携带消耗式工质进行相变冷却，导致系统重量和体积较大。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种主动冷却与能源综合利用系统及实现方法，主要针对飞行器热管理提出轻质高效解决方案，利用剩余低温推进剂作为冷源，通过在贮箱内喷雾冷却为贮箱结构供冷，降低防热代价，并通过中间换热器将低温推进剂冷源与主动热控回路进行热交换，为仪器设备提供散热途径，从而减小飞行器热管理代价。

2、本发明的上述目的主要通过如下技术方案予以实现的：

3、一种主动冷却与能源综合利用系统，包括：

4、贮箱，用于贮存低温推进剂；

5、喷射冷却系统，设置在贮箱内部，抽取贮箱内低温液态推进剂，通过喷雾形式向外喷射，对贮箱壁面进行冷却；

6、主动热控系统，包括热沉回路、中间换热器和热控流体回路，其中中间换热器用于贮存换热介质；热沉回路抽取贮箱内低温气态推进剂，通过管路流经中间换热器，对换热介质进行冷却；热控流体回路将飞行器舱内仪器设备的热量进行收集，并通过管路带入中间换热器，通过换热介质进行散热。

7、在上述主动冷却与能源综合利用系统中，所述喷射冷却系统包括泵、气动阀、喷雾器管路和喷嘴，其中泵、气动阀设置在喷雾器管路上，靠近入口端，喷嘴设置在喷雾器管路上，与贮箱迎风面的壁面位置对应，泵从喷雾器管路入口端抽取低温推进剂，流经气动阀并通过喷嘴对贮箱壁面进行喷射降温。

8、在上述主动冷却与能源综合利用系统中，所述贮箱包含以下至少一项：所述贮箱迎风面的壁面采用防热层对气动加热热流进行阻隔；所述贮箱的外壁面设置保险阀，用于超压排放。

9、在上述主动冷却与能源综合利用系统中，所述热沉回路包括压气机、第一管路、温度传感器和第二流量计，所述压气机设置在第一管路上，用于抽取贮箱内的低温气态推进剂，通过第一管路流经中间换热器，温度传感器和第二流量计设置在第一管路上，用于测量低温气态推进剂的温度和流量。

10、在上述主动冷却与能源综合利用系统中，所述压气机在主动热控系统启动时始终保持额定转速工作，当第二温度传感器低于-39℃时关闭，当温度回至10℃时开启，确保换热介质处于较低工作温度状态。

11、在上述主动冷却与能源综合利用系统中，还包括节流冷却系统，用于当低温热沉不足，中间换热器受热达到压力上限时，实现热控流体回路的冷却和中间换热器的降压降温。

12、在上述主动冷却与能源综合利用系统中，所述节流冷却系统包括节流换热器、第二管路和电磁阀，其中节流换热器一端通过第二管路连通中间换热器内的换热介质，一端连通电磁阀，利用压差驱动换热介质经第二管路进入节流换热器，用于冷却换热介质，之后经电磁阀向外排出，实现热控流体回路的冷却和中间换热器的降压降温。

13、在上述主动冷却与能源综合利用系统中，所述节流冷却系统还包括第二压力传感器，所述节流换热器为套管式换热器，第二压力传感器达到1.6mpa以上或冷却换热介质温度达到40℃以上时开启电磁阀排气降压，并对热控流体回路进行冷却降温，压力再次回至0.68mpa以下或冷却换热介质温度达到10℃以下时关闭电磁阀，循环往复进行控制。

14、在上述主动冷却与能源综合利用系统中，所述中间换热器包含下列至少一项：所述中间换热器内贮存的换热介质为r22工质；所述中间换热器工作压力不小于3mpa，保证储存温度不低于70℃。

15、在上述主动冷却与能源综合利用系统中，所述热控流体回路包括循环泵、流体管路和冷板组件，循环泵和冷板组件串联在流体管路中，冷板组件用于收集飞行器舱内仪器设备的热量，循环泵驱动流体管路内的工质，循环流经中间换热器和冷板组件，通过中间换热器内的换热介质进行散热。

16、在上述主动冷却与能源综合利用系统中，所述热控流体回路还包括第三压力传感器，第五温度传感器和第三流量计，分别测量流体管路内工质的压力、温度和流量；

17、在上述主动冷却与能源综合利用系统中，所述热控流体回路还包括补偿器，用于平衡热控流体回路因温度升高或降低引起的压力波动。

18、一种主动冷却与能源综合利用方法，应用于上述系统，包括：

19、喷射冷却系统抽取贮箱内低温液态推进剂，通过喷雾形式向外喷射，对贮箱壁面进行冷却；

20、主动热控系统中的热沉回路抽取贮箱内低温气态推进剂，通过管路流经中间换热器，对所述换热介质进行冷却；

21、主动热控系统中的热控流体回路，将飞行器舱内仪器设备的热量进行收集，并通过管路带入中间换热器，通过所述换热介质进行散热；

22、当低温热沉不足，中间换热器受热达到上限时，节流冷却系统实现热控流体回路冷却和中间换热器降压。

23、本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

24、(1)、本发明利用剩余推进剂在贮箱内部喷雾冷却实现贮箱结构的降温，以较小的代价实现贮箱大面积降温效应，从而实现热管理代价的降低和结构效率的提升；

25、(2)、本发明利用中间换热器实现主动热控系统和低温贮箱冷源之间进行换热，达到仪器设备热量排散的目的，解决了深低温介质与热控系统的匹配性和安全性问题，同时避免采用辐射器和额外携带消耗式热沉，简化了热控系统设计，实现系统重量代价的降低。

技术特征：

1.一种主动冷却与能源综合利用系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的主动冷却与能源综合利用系统，其特征在于，所述喷射冷却系统包括泵(9)、气动阀(10)、喷雾器管路(11)和喷嘴(12)，其中泵(9)、气动阀(10)设置在喷雾器管路(11)上，靠近入口端(8)，喷嘴(12)设置在喷雾器管路(11)上，与贮箱(3)迎风面的壁面位置对应，泵(9)从喷雾器管路(11)入口端(8)抽取低温推进剂(5)，流经气动阀(10)并通过喷嘴(12)对贮箱(3)壁面进行喷射降温。

3.根据权利要求1所述的主动冷却与能源综合利用系统，其特征在于，所述贮箱(3)包含以下至少一项：

4.根据权利要求1所述的主动冷却与能源综合利用系统，其特征在于，所述热沉回路包括压气机(20)、第一管路(21)、温度传感器和第二流量计(37)，所述压气机(20)设置在第一管路(21)上，用于抽取贮箱(3)内的低温气态推进剂，通过第一管路(21)流经中间换热器(16)，温度传感器和第二流量计(37)设置在第一管路(21)上，用于测量低温气态推进剂的温度和流量。

5.根据权利要求4所述的主动冷却与能源综合利用系统，其特征在于，所述压气机(20)在主动热控系统启动时始终保持额定转速工作，当第二温度传感器(22)低于-39℃时关闭，当温度回至10℃时开启，确保换热介质(17)处于较低工作温度状态。

6.根据权利要求1所述的主动冷却与能源综合利用系统，其特征在于，还包括节流冷却系统，用于当低温热沉不足，中间换热器(16)受热达到压力上限时，实现热控流体回路的冷却和中间换热器(16)的降压降温。

7.根据权利要求6所述的主动冷却与能源综合利用系统，其特征在于，所述节流冷却系统包括节流换热器(40)、第二管路(39)和电磁阀(41)，其中节流换热器(40)一端通过第二管路(39)连通中间换热器(16)内的换热介质(17)，一端连通电磁阀(41)，利用压差驱动换热介质(17)经第二管路(39)进入节流换热器(40)，用于冷却换热介质(17)，之后经(41)电磁阀向外排出，实现热控流体回路的冷却和中间换热器(16)的降压降温。

8.根据权利要求7所述的主动冷却与能源综合利用系统，其特征在于，所述节流冷却系统还包括第二压力传感器(23)，所述节流换热器(40)为套管式换热器，第二压力传感器(23)达到1.6mpa以上或冷却换热介质(17)温度达到40℃以上时开启电磁阀(41)排气降压，并对热控流体回路进行冷却降温，压力再次回至0.68mpa以下或冷却换热介质(17)温度达到10℃以下时关闭电磁阀(41)，循环往复进行控制。

9.根据权利要求1所述的主动冷却与能源综合利用系统，其特征在于，所述中间换热器(16)包含下列至少一项：

10.根据权利要求1所述的主动冷却与能源综合利用系统，其特征在于，所述热控流体回路包括循环泵(27)、流体管路(29)和冷板组件，循环泵(27)和冷板组件串联在流体管路(29)中，冷板组件用于收集飞行器舱内仪器设备的热量，循环泵(27)驱动流体管路(29)内的工质，循环流经中间换热器(16)和冷板组件，通过中间换热器(16)内的换热介质(17)进行散热。

11.根据权利要求10所述的主动冷却与能源综合利用系统，其特征在于，所述热控流体回路还包括第三压力传感器(33)，第五温度传感器(34)和第三流量计(38)，分别测量流体管路(29)内工质的压力、温度和流量。

12.根据权利要求10所述的主动冷却与能源综合利用系统，其特征在于，所述热控流体回路还包括补偿器(28)，用于平衡热控流体回路因温度升高或降低引起的压力波动。

13.一种主动冷却与能源综合利用方法，其特征在于，应用于权利要求1～12任一项所述的系统，包括：

技术总结
本发明涉及一种主动冷却与能源综合利用系统及实现方法，该系统包括：贮箱、喷射冷却系统和主动热控系统，喷射冷却系统抽取贮箱内低温液态推进剂，通过喷雾形式对贮箱壁面进行冷却；主动热控系统中的热沉回路抽取贮箱内低温气态推进剂，通过管路流经中间换热器对换热介质进行冷却；热控流体回路将飞行器舱内仪器设备的热量进行收集，并通过管路带入中间换热器，通过所述换热介质进行散热，本发明利用剩余低温推进剂作为冷源，通过在贮箱内喷雾冷却为贮箱结构供冷，降低防热代价，并通过中间换热器将低温推进剂冷源与主动热控回路进行热交换，为仪器设备提供散热途径，从而减小飞行器热管理代价。

技术研发人员：张少华,王飞,张化照,吴俊,吕建伟,刘欣,巩萌萌,潘瑶,周振君,张宇辉
受保护的技术使用者：北京宇航系统工程研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/2/25