一种低温推进剂贮箱在轨排气排液协同系统及方法

1.本发明涉及低温推进剂在轨排气与液体获取技术领域，具体涉及一种低温推进剂贮箱在轨排气排液协同系统及方法。


背景技术：

2.低温推进剂因其比冲高、无毒无污染等优势，已经广泛应用于新一代运载火箭,然而其温度低、沸点低、表面张力小等特殊性也给低温推进剂在轨管理带来诸多挑战,其中低温推进剂在轨安全排气技术及高效液体获取技术直接制约着其长期在轨服务能力。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。常温推进剂系统多采用隔膜式贮箱将气液相进行分隔，从而实现高效的无夹气排液及无夹液排气，以服务于发动机供液需求及贮箱压力安全控制。然而，由于低温推进剂热敏感性强、极易蒸发，隔膜式气液分离方法无法适用于低温推进剂，如果不采取有效的气液分离手段，气相有可能覆盖排液口导致夹气排液，严重影响液体传输效率及发动机工作性能；同时，液相也有可能覆盖排气口导致夹液排气，造成推进剂的浪费甚至航天器姿态失稳。
3.目前，低温上面级发动机在轨重启主要采用主动式正推方法实现气液分离，以满足发动机全液供给的需求，但该方法需要消耗额外能源，并不适用于未来长期、大型的空间任务。因此，研究学者分别提出了热力学排气系统和筛网通道式液体获取装置来满足低温推进剂贮箱在轨排气及液体传输的需求。热力学排气系统(flachbart r,hastings l,hedayat a,et al.thermodynamic vent system performance testing with subcooled liquid methane and gaseous helium pressurant[j].cryogenics,2008,48(5-6):217-222.)的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。网幕通道式液体获取装置(hartwig j w.screen channel liquid acquisition device bubble point tests in liquid nitrogen[j].cryogenics,2016,74:95-105.)的典型结构主要由多根附有金属筛网的集液通道及集液出流器组成，通过金属筛网内大量微米级孔隙依靠表面张力对液体进行获取同时阻隔气体，实现单相液体获取与传输。
[0004]
目前，热力学排气系统和筛网通道式液体获取装置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，国内外研究人员正在积极推进该技术的在轨飞行验证。然而，采用独立的两套装置分别实现在轨排气和排液，势必会造成附加系统质量大、系统兼容控制复杂等问题。同时，热力学排气装置在流体喷注过程中存在扰乱贮箱内气液分布及温度场分布等问题，筛网通道式液体获取装置也存在气液分离能力十分有限、热敏感失效风险高等问题。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，亟需开发一套集成式在轨排气/排液系统，从而提升低温推进系统的可靠性、安全性和经济性。


技术实现要素：

[0005]
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低温推进剂贮箱在轨排气排液协同系统及方法，利用热力学排气系统和筛网通道式液体获取装置实现低温推进剂在轨排气、排液的有效性，通过将热力学排气系统的换热器与液体获取装置的集液通道相结合，在有效降低附加系统质量的同时，将热力学排气系统回收的排气冷量集中应用于传输液体而不影响贮箱内整场的两相与温度分布，集液通道在冷量输入下也能够有效降低因漏热引起的失效风险，从而提升低温推进系统长期在轨的工作性能。
[0006]
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
[0007]
一种低温推进剂贮箱在轨排气排液协同系统，包括低温推进剂贮箱1内左右对称设置的第一集液通道2a、第二集液通道2b，第一集液通道2a与第二集液通道2b通过集液出流器4与排液管5相连，排液管5布置有低温液体流量计6和温度传感器7，排液管5通过三通阀8与第一低温截止阀9、第二低温截止阀10相连接；第一低温截止阀9与发动机供液管路或推进剂传输管路相连接；第二低温截止阀10依次与低温循环泵11、节流阀12、回流口13相连接，回流口13与集液出流器4形成管壳式换热器结构；回流口13和第一集液通道2a、第二集液通道2b内部设置的第一换热管14a、第二换热管14b首端连接，第一换热管14a、第二换热管14b的末端装有第一止回阀15a、第二止回阀15b，并和汇流器16相连接，汇流器16与低温推进剂贮箱1顶部排气阀19相连接；低温推进剂贮箱1顶部设有电磁调节阀17、压力传感器18和安全阀20，电磁调节阀17与增压气源相连接；
[0008]
所述的第一集液通道2a和第二集液通道2b布置于靠近低温推进剂贮箱1壁面位置，第一集液通道2a和第二集液通道2b靠近低温推进剂贮箱1壁面侧安装一层金属筛网3，其余三侧壁面为金属壁面。
[0009]
所述的金属筛网3由微米级直径的金属丝编织而成，具有多孔介质结构特征，内含有微米级流动孔隙，通过表面张力作用实现气液分离与液体获取。
[0010]
所述的第一集液通道2a和第二集液通道2b截面形状为矩形，采用不锈钢、钛合金等材料；通道数量与长度根据任务需求布置。
[0011]
所述的低温推进剂贮箱1应用于液氢、液氧、液甲烷的工质，外壁面包裹有绝热结构，连接管道均采用高真空多层绝热、包裹绝热或堆积绝热的形式进行热防护处理。
[0012]
所述的节流阀12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。
[0013]
所述的第一换热管14a和第二换热管14b采用圆形盘管式结构、异形管或其他布置结构形式，材料采用铝合金或铜。
[0014]
所述的安全阀20为低温安全角阀，当低温推进剂贮箱1内压力超过安全压力上限后，安全阀20开启。
[0015]
利用一种低温推进剂贮箱在轨排气排液协同系统的方法，包括以下三种工作模式：
[0016]
第一种工作模式，不排气/排液的单相液体获取传输模式：第一集液通道2a、第二集液通道2b、集液出流器4组成筛网通道式液体获取装置，结合电磁调节阀17、压力传感器18、排液管5、三通阀8与第一低温截止阀9完成向发动机或推进剂受注箱的全液传输；关闭第二低温截止阀10与排气阀19，监测压力传感器18数据，若低温推进剂贮箱1压力满足排液
压力需求，则打开第一低温截止阀9，若低温推进剂贮箱1压力低于排液压力需求，先打开电磁调节阀17进行增压，待压力传感器18数据达到排液压力需求时，再打开第一低温截止阀9；单相液体沿金属筛网3进入第一集液通道2a和第二集液通道2b，而气体被金属筛网3阻隔，单相液体沿第一集液通道2a和第二集液通道2b流动并汇集于集液出流器4，经排液管5、三通阀8与第一低温截止阀9向发动机或推进剂受注箱进行单相液体推进剂传输，传输液体的流量和温度通过低温液体流量计6和温度传感器7监测；
[0017]
第二种工作模式，排气/不排液的热力学排气模式：第一集液通道2a、第二集液通道2b、集液出流器4、排液管5、三通阀8、第二低温截止阀10、低温液体循环泵11、节流阀12、回流口13、第一换热管14a、第二换热管14b、第一止回阀15a、第二止回阀15b、汇流器16、压力传感器18和排气阀19组成热力学排气装置，实现不依赖于气液分布的单相气体排放控压；当压力传感器18测得的低温推进剂贮箱1压力高于存储压力上限时，关闭第一低温截止阀9、电磁调节阀17，打开第二低温截止阀10和低温液体循环泵11，低温推进剂由第一集液通道2a、第二集液通道2b进入集液出流器4并由排液管5排出，经三通阀8和第二低温截止阀10进入低温液体循环泵11，循环流体经节流阀12转化为低温、低压的气液两相流体，经回流口13返回低温推进剂贮箱1；回流口13内低温流体与集液出流器4内较高温流体进行换热，回流口13分流为第一换热管14a、第二换热管14b，第一换热管14a、第二换热管14b分别与第一集液通道2a、第二集液通道2b组成逆流式套管换热器结构，第一换热管14a、第二换热管14b内低温流体与第一集液通道2a、第二集液通道2b内较高温流体持续换热并逐渐升温气化，在第一换热管14a和第二换热管14b出口处完全气化，以单相气体形式汇集于汇流器16，经排气阀19完成单相气体排放；当压力传感器18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，关闭第二低温截止阀10和低温液体循环泵11，热力学排气装置停止工作；
[0018]
第三种工作模式，排气/排液协同模式：同时按第二种工作模式和第一种工作模式开始热力学排气装置和筛网通道式液体获取装置，实现排气和排液过程的同时进行；在第二种工作模式基础上，同时打开第一低温截止阀9实现向发动机或推进剂受注箱的全液传输，经过第一低温截止阀9的传输流量由低温推进剂贮箱1与受注端之间压差决定，经过第二低温截止阀10的热力学排气装置循环流量由低温液体循环泵11的功率决定；通过调节低温液体循环泵11功率增加热力学排气装置循环流量，降低经过与第一换热管14a、第二换热管14b换热后的第一集液通道2a和第二集液通道2b内流体温度；若低温推进剂贮箱1内压力不满足供液需求，打开电磁调节阀17进行增压。
[0019]
本发明的有益效果为：
[0020]
1、本发明将传统的热力学排气装置和筛网通道式液体获取装置进行结构上的有机结合，显著降低了附加系统质量，也降低了附加系统部件及相应的加工、安装和维护成本；将传统的热力学排气装置中独立的套管式换热器改进为基于液体获取装置集液通道的套管式换热器，一方面，利用集液通道的管路结构作为套管式换热器的外管，减少了原有热力学排气装置的套管式换热器外管结构；另一方面，传统的热力学排气装置循环流量较大，循环主流通过套管式换热器外管降温后经喷雾棒返回低温贮箱。本发明减少了返回贮箱的循环回路，减少了喷雾棒结构，且低温液体循环泵流量需求小，循环泵的尺寸及重量随之减小，相应研制及加工成本也将显著降低。
[0021]
2、本发明将热力学排气装置的内管布置于集液通道内，节流后的低温低压流体通
过内管与集液通道内液体进行换热，能够对集液通道内单相液体进行持续冷却降温，即热力学排气装置通过节流获得的排气冷量可以集中传输给集液通道内待传输的单相液体，而非通过喷雾棒广泛传输至整个低温贮箱空间，提高了冷量利用效率。受到持续冷却的集液通道内液体具有更高的低温推进剂品质，较传统的筛网通道式液体获取装置具有更强的漏热抵御能力，发生气化的失效风险降低，从而可以满足更多变的任务需求。
附图说明
[0022]
图1是本发明实施例系统的结构示意图。
具体实施方式
[0023]
下面结合附图和实施例来进一步说明本发明的技术方案。
[0024]
参照图1，一种低温推进剂贮箱在轨排气排液协同系统，包括低温推进剂贮箱1内左右对称设置的第一集液通道2a、第二集液通道2b，第一集液通道2a与第二集液通道2b通过集液出流器4与排液管5相连，排液管5布置有低温液体流量计6和温度传感器7，排液管5通过三通阀8与第一低温截止阀9、第二低温截止阀10相连接；第一低温截止阀9与发动机供液管路或推进剂传输管路相连接；第二低温截止阀10依次与低温循环泵11、节流阀12、回流口13相连接，循环流体通过回流口13返回低温推进剂贮箱1，回流口13与集液出流器4形成管壳式换热器结构；回流口13和第一集液通道2a、第二集液通道2b内部设置的第一换热管14a、第二换热管14b首端连接，循环流体沿第一换热管14a和第二换热管14b进行流动与换热；第一换热管14a、第二换热管14b的末端装有第一止回阀15a、第二止回阀15b，并和汇流器16相连接，汇流器16与低温推进剂贮箱1顶部排气阀19相连接；低温推进剂贮箱1顶部设有电磁调节阀17、压力传感器18和安全阀20，电磁调节阀17与增压气源相连接。
[0025]
所述的低温推进剂贮箱1应用于液氢、液氧、液甲烷等工质，外壁面包裹有设计合理的绝热结构，连接管道均采用高真空多层绝热、包裹绝热或堆积绝热等形式进行热防护处理。
[0026]
参照图1，所述的第一集液通道2a和第二集液通道2b布置于靠近低温推进剂贮箱1壁面位置，截面形状为矩形，采用不锈钢、钛合金等材料；通道数量与长度可根据任务需求布置，本实施例沿低温推进剂贮箱1高度方向布置2根，以第二集液通道2b为例，第二集液通道2b靠近低温推进剂贮箱1壁面侧安装一层金属筛网3，其余三侧壁面为金属壁面；金属筛网3由微米级直径的金属丝编织而成，具有多孔介质结构特征，内含有大量微米级流动孔隙，能够通过表面张力作用实现气液分离与液体获取。
[0027]
所述节流阀12为焦耳-汤姆逊阀，应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。
[0028]
所述的第一换热管14a和第二换热管14b采用圆形盘管式结构，也可以采用异形管或其他布置结构形式，材料采用铝合金或铜。
[0029]
所述的安全阀20为低温安全角阀，当低温推进剂贮箱1内压力超过安全压力上限后，安全阀20开启。
[0030]
利用一种低温推进剂贮箱在轨排气排液协同系统的方法，包括以下三种工作模式：
[0031]
第一种工作模式，不排气/排液的单相液体获取传输模式：第一集液通道2a、第二集液通道2b、集液出流器4组成筛网通道式液体获取装置，结合电磁调节阀17、压力传感器18、排液管5、三通阀8与第一低温截止阀9完成向发动机或推进剂受注箱的全液传输；关闭第二低温截止阀10与排气阀19，监测压力传感器18数据，若低温推进剂贮箱1压力满足排液压力需求，则打开第一低温截止阀9，若低温推进剂贮箱1压力低于排液压力需求，先打开电磁调节阀17进行增压，待压力传感器18数据达到排液压力需求时，再打开第一低温截止阀9，由于低温推进剂贮箱1与受注端之间存在的压差，单相液体沿金属筛网3进入第一集液通道2a和第二集液通道2b，而气体在表面张力作用下被金属筛网3阻隔；单相液体沿第一集液通道2a和第二集液通道2b流动并汇集于集液出流器4，经排液管5、三通阀8与第一低温截止阀9向发动机或推进剂受注箱进行单相液体推进剂传输，传输液体的流量和温度通过低温液体流量计6和温度传感器7监测；
[0032]
第二种工作模式，排气/不排液的热力学排气模式：第一集液通道2a、第二集液通道2b、集液出流器4、排液管5、三通阀8、第二低温截止阀10、低温液体循环泵11、节流阀12、回流口13、第一换热管14a、第二换热管14b、第一止回阀15a、第二止回阀15b、汇流器16、压力传感器18和排气阀19组成热力学排气装置，实现不依赖于气液分布的单相气体排放控压；当压力传感器18测得的低温推进剂贮箱1压力高于存储压力上限时，关闭第一低温截止阀9、电磁调节阀17，打开第二低温截止阀10和低温液体循环泵11，在低温液体循环泵11的抽吸作用下，低温推进剂由第一集液通道2a、第二集液通道2b进入集液出流器4并由排液管5排出，经三通阀8和第二低温截止阀10进入低温液体循环泵11，循环流体经节流阀12转化为低温、低压的气液两相流体，经回流口13返回低温推进剂贮箱1；回流口13内低温流体与集液出流器4内较高温流体进行换热；回流口13分流为第一换热管14a、第二换热管14b，第一换热管14a、第二换热管14b分别与第一集液通道2a、第二集液通道2b组成逆流式套管换热器结构，第一换热管14a、第二换热管14b内低温流体与第一集液通道2a、第二集液通道2b内较高温流体持续换热并逐渐升温气化，在第一换热管14a和第二换热管14b出口处完全气化，以单相气体形式汇集于汇流器16，经排气阀19完成单相气体排放；第一止回阀15a、第二止回阀15b可以防止多根换热管之间的回流干扰，保障排气过程的顺利进行；当压力传感器18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，关闭第二低温截止阀10和低温液体循环泵11，热力学排气装置停止工作；
[0033]
第三种工作模式，排气/排液协同模式：工作过程近似于第一种工作模式和第二种工作模式的结合，同时按第二种工作模式和第一种模式开始热力学排气装置和筛网通道式液体获取装置，可以实现排气和排液过程的同时进行；在第二种工作模式基础上，同时打开第一低温截止阀9实现向发动机或推进剂受注箱的全液传输，经过第一低温截止阀9的传输流量由低温推进剂贮箱1与受注端之间压差决定，经过第二低温截止阀10的热力学排气装置循环流量由低温液体循环泵11的功率决定；通过调节低温液体循环泵11功率适当增加热力学排气装置循环流量，可以一定程度降低经过与第一换热管14a、第二换热管14b换热后的第一集液通道2a和第二集液通道2b内流体温度；若低温推进剂贮箱1内压力不满足供液需求，可以打开电磁调节阀17进行增压。
[0034]
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。