一种基于深度过冷低温推进剂的综合热管理系统及方法与流程

1.本发明涉及一种基于深度过冷低温推进剂的综合热管理系统及方法，属于航天低温运载器技术领域。


背景技术：

2.低温推进剂往往因沸点低，极易蒸发，难于存储，因此限制了高能低温推进剂长时间在轨使用的进程。在复杂的空间热环境下，为了解决低温推进剂长时间在轨工作的难题，增强在载人登月、火星探测及星际探索领域空间运输系统的性能和运载能力，现有技术中提出了两种贮箱冷却方案，一种是蒸气冷却屏技术，是指将低温贮箱排放的推进剂蒸汽流经包围贮箱的热交换器，降低贮箱表面温度，进而降低贮箱热漏率，排放的推进剂蒸汽在冷却屏中被加热，热量随气体排放被转移出系统，此方法是利用了排气余冷来减少进入贮箱的热量，但可利用冷量有限，难以满足长期在轨要求。另一种是通过空间低温制冷机为冷屏供冷，实现贮箱漏热降低，但制冷机的重量及功率代价远超出被动隔热措施。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种基于深度过冷低温推进剂的综合热管理系统和方法，解决了现有推进剂管理可利用冷量有限、制冷机的重量及功率代价高的技术问题，本发明能够为仪器设备提供散热途径，从而减小飞行器热管理代价。
4.为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：
5.一种基于深度过冷低温推进剂的综合热管理系统，包括内冷却回路系统、外冷却回路系统和排气再利用回路系统；
6.内冷却回路子系统包括通过内冷却管路依次循环连接的隔热机构、循环泵和管式换热器，隔热机构设于液氢贮箱外表面，管式换热器设于过冷液氧贮箱外表面并焊接为一体化结构，循环泵驱动工质在内冷却管路中循环流动，实现液氢贮箱外表面的冷却；
7.外冷却回路子系统包括经过仪器设备的外冷却管路，外冷却管路第一端与隔热机构连通，第二端与循环泵连通，工质从隔热机构中流出后进入外冷却管路对仪器设备进行冷却，后从外冷却管路流出进入循环泵；
8.排气再利用回路包括经过仪器设备的排气管路，排气管路第一端与液氢贮箱内部连通，第二端与外部空间连通，液氢进入排气管路对仪器设备(7)进行冷却后，排入外部空间。
9.进一步的，外冷却管路的第一端和第二端均连接至内冷却管路设于隔热机构与循环泵之间的部分，将外冷却管路的第一端和第二端与内冷却管路的连接点分别记为第一连接点和第二连接点；
10.将内冷却管路中，位于隔热机构与第一连接点之间的部分记为第一管路，位于第一连接点与第二连接点之间的部分记为第二管路，位于第二连接点与循环泵之间的部分记为第三管路；
11.排气再利用回路还包括套管式换热器，排气管路中的液氢通过套管式换热器与第一管路进行热交换，排气管路中的液氢为从隔热机构中流出的工质提供冷量。
12.进一步的，内冷却管路的第二管路上设有第二温控阀，外冷却管路设有第一温控阀和第一温度传感器；
13.智能控温仪用于采集第一温度传感器的温度信息，根据温度信息与期望温度的差值实时控制第一温控阀和第二温控阀的开度。
14.进一步的，第一温控阀和第二温控阀的开度之和为100％；
15.内冷却管路的第二管路上还设有用于补充工质的补偿器。
16.进一步的，所述工质为2mpa～5mpa的氦气；
17.所述过冷液氧贮箱中的过冷液氧的加注温度为65k以下。
18.进一步的，隔热机构包括第一复合泡沫隔热材料、复合多层隔热组件和冷却屏；
19.第一复合泡沫隔热材料喷涂于液氢贮箱外表面；
20.复合多层隔热组件包覆于第一复合泡沫隔热材料外表面，复合多层隔热组件包括30单元～80单元，每单元由1层反射屏和1层间隔层组成，冷却屏设于复合多层隔热组件内部，且位于30单元～80单元的中间位置处；
21.冷却屏包括多根并联的铝合金管路和用于传导铝合金管路之间热量的铝箔，冷却屏对液氢贮箱外表面全面包裹，工质由管式换热器流入铝合金管路。
22.进一步的，铝合金管路入口处设有分流器，管式换热器流出的一路工质经分流器均匀分为多路工质，多路工质进入多路路合金管路，流经液氢贮箱外表面后，在铝合金管路出口汇聚为一路工质。
23.进一步的，过冷液氧贮箱外表面还喷涂有第二复合泡沫隔热材料；
24.第一复合泡沫隔热材料的制备方法为：
25.先在液氢贮箱外表面喷涂第一层复合泡沫，使第一层复合泡沫进行发泡后，在第一层复合泡沫表面喷涂第二层复合泡沫，使第二层复合泡沫进行发泡；
26.第二复合泡沫隔热材料的制备方法为：
27.先在管式换热器和过冷液氧贮箱焊接形成的一体化结构外表面喷涂第一层复合泡沫，使第一层复合泡沫进行发泡和固化后，在第一层复合泡沫表面喷涂第二层复合泡沫，使第二层复合泡沫进行发泡；
28.第一层复合泡沫为玻璃小球掺杂的聚氨酯泡沫，第二层泡沫为碎片化热反射薄膜掺杂的聚氨酯泡沫。
29.进一步的，所述碎片化热反射薄膜为当量直径1～5mm的碎片化双面镀铝聚酰亚胺薄膜，玻璃小球为二氧化碳玻璃小球。
30.一种基于深度过冷低温推进剂的综合热管理方法，采用上述综合热管理系统实现，包括：
31.循环泵驱动工质在内冷却管路中循环流动，实现液氢贮箱外表面的冷却；
32.工质从隔热机构中流出后进入外冷却管路对仪器设备进行冷却，后从外冷却管路流出进入循环泵；
33.液氢贮箱中的液氢进入排气管路对仪器设备进行冷却后，排入外部空间。
34.本发明提供一种基于深度过冷低温推进剂的综合热管理系统及方法，主要针对我
国未来液氢液氧空间运输系统长期在轨推进剂蒸发量控制和飞行器热管理提出一种解决方案。该方法主要是利用深度过冷液氧(《65k)富裕冷源，为液氢隔热层、连接支撑结构、仪器设备、结构组件等供冷，减少液氢蒸发，并为仪器设备提供散热途径，从而减小飞行器热管理代价，提供一种液氢液氧空间运输系统30天以内长期在轨的最小代价控制策略。
35.本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
36.(1)本发明创造性的提供一种基于深度过冷低温推进剂的综合热管理系统，利用了深度过冷液氧富裕的冷量资源，由于大规模深度过冷液氧的制备在地面上完成后再加注至飞行器，极大降低了飞行器重量及能源成本；
37.(2)本发明以高压氦气作为冷却介质通过循环泵驱动工质流经深度过冷液氧贮箱，再循环冷却液氢贮箱隔热层，从而极大降低液氢贮箱漏热，并通过旁路为运载器上仪器提供热沉，实现热管理代价降低与系统优化设计，通过本发明可以实现液氢液氧空间运输系统30天以内长期在轨的最小代价控制；
38.(3)本发明氢箱隔热层采用掺杂co2氛围的胶囊或微球、热反射材料构成的多功能复合泡沫，以及多层隔热组件，显著提升了贮箱的隔热能力，有利于减少低温推进剂的蒸发。
附图说明
39.图1为本发明基于深度过冷低温推进剂的综合热管理系统示意图；
40.图中，1-液氢贮箱，2-第一复合泡沫隔热材料，3-复合多层隔热组件，4-冷却屏，5-第一温控阀，6-第二温控阀，7-仪器设备，8-第一电磁阀，9-补偿器，10-循环泵，11-绕管式换热器，12-过冷液氧贮箱，13-第二复合泡沫隔热材料，14-分流器，15-集液器，16-智能控温仪，17-第一温度传感器，18-第一流量计，19-第二温度传感器，20-第二流量计，21-第一压力传感器，22-第二压力传感器，23-第三温度传感器，24-第四温度传感器，25-排气管路，26-套管式换热器，27-第二电磁阀。
具体实施方式
41.下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
42.在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
43.本发明提供一种基于深度过冷低温推进剂的综合热管理系统及方法，能够同时实现低温推进剂低蒸发和仪器设备散热。本发明的优势在于利用了深度过冷液氧富裕的冷量资源，由于大规模深度过冷液氧(将90k饱和液氧降至65k以下的过冷液氧)的制备在地面上完成后再加注至飞行器，则极大降低了飞行器重量及能源成本。本发明以高压氦气作为冷却介质通过循环泵驱动工质流经深度过冷液氧贮箱，再循环冷却液氢贮箱隔热层，从而极大降低液氢贮箱漏热，并通过旁路为运载器上仪器提供热沉，实现热管理代价降低与系统优化设计，通过本发明可以实现液氢液氧空间运输系统30天以内长期在轨的最小代价控制。氢箱隔热层采用掺杂co2氛围的胶囊或微球、热反射材料构成的多功能复合泡沫，以及
多层隔热组件，显著提升了贮箱的隔热能力，有利于减少低温推进剂的蒸发。
44.如图1所示，在一种优选的实施方式中，本发明一种基于深度过冷低温推进剂的综合热管理系统包括：液氢贮箱1，第一复合泡沫隔热材料2，复合多层隔热组件3，冷却屏4，第一温控阀5，第二温控阀6，仪器设备7，第一电磁阀8，补偿器9，循环泵10，绕管式换热器11，过冷液氧贮箱12，第二复合泡沫隔热材料13，分流器14，集液器15，智能控温仪16，第一温度传感器17，第一流量计18，第二温度传感器19，第二流量计20，第一压力传感器21，第二压力传感器22，第三温度传感器23，第四温度传感器24，排气管路25，套管式换热器26，第二电磁阀27。复合泡沫隔热材料和复合多层隔热组件分别用于解决发射前和入轨后低温贮箱的隔热，为进一步减小液氢蒸发量，采用泵驱高压氦气工质将过冷氧富裕冷量资源循环至液氢贮箱复合多层隔热组件内，从而降低液氢贮箱漏热，延长液氢在轨寿命。
45.本发明基于深度过冷低温推进剂的综合热管理系统，包括内冷却回路子系统、外冷却回路子系统、排气再利用回路子系统三部分。
46.内冷却回路子系统，是一个由过冷液氧贮箱12、绕管式换热器11、液氢贮箱1、冷却屏4、第二温控阀6、补偿器9、第一电磁阀8、循环泵10以及连接管路构成一个闭式循环冷却回路，用于将过冷液氧贮箱12的富裕冷量资源循环至冷却屏4以降低漏热及液氢蒸发量。冷却屏4设于复合多层隔热组件3的中间位置，复合多层隔热组件3约为30单元～80单元，以60单元复合多层隔热组件为例，冷却屏4效率最佳位置位于由内而外第30单元处，冷却屏4温度约90k～100k，在轨状态下相比无冷屏液氢贮箱能够减少70％以上漏热。补偿器9内充满高压氦气，回路内氦气压力约2mpa～5mpa，较高的氦气压能够提升工质密度和载冷能力，从而提升综合热管理系统效率。
47.外冷却回路子系统，是一个在内冷却回路子系统基础上增加由第一温控阀5、仪器设备7及换热管路构成的旁路，用于冷却仪器设备及温度控制。
48.排气再利用回路子系统，是一个由排气管路25、套管式换热器26、仪器设备7、第二电磁阀27组成的开式冷却回路，用于将液氢贮箱1排气余冷再利用，以冷却内回路子系统内工质和仪器设备，从而实现液氢贮箱排气余冷的回收利用。
49.液氢贮箱1外壁面喷涂第一复合泡沫隔热材料2，在第一复合泡沫隔热材料2外表面包覆复合多层隔热组件3，在复合多层隔热组件3中间层嵌入由多根管路并联形成的冷却屏4，冷却屏由铝合金管路和0.15mm～0.25mm厚的铝箔组成，每根管路带有两片翅片，铝箔通过高导热低温胶粘剂粘贴至管路及其翅片上，管路及铝箔组成的冷却屏4将液氢贮箱1全部包裹，从而将管路内的冷量扩散至整个铝箔表面，实现液氢贮箱1高效保冷作用。
50.液氧贮箱12外壁面安装了绕管式换热器11，并将二者焊接为一体化结构，并在液氧贮箱12外壁面喷涂第二复合泡沫隔热材料13。液氧贮箱12内含有深度过冷的液氧，加注温度小于65k(常压下饱和温度约90k)。
51.第一复合泡沫隔热材料2和第二复合泡沫隔热材料13在传统聚氨酯泡沫中掺杂了热反射材料和二氧化碳玻璃小球，热反射材料为碎片化双面镀铝聚酰亚胺薄膜，位于多功能复合泡沫隔热材料的热侧，其中热侧区域占多功能复合泡沫隔热材料厚度的50％～70％，单个碎片化双面镀铝聚酰亚胺薄膜当量直径约1～5mm，然后均匀掺杂至聚氨酯泡沫原料中。二氧化碳玻璃小球位于多功能复合泡沫隔热材料的冷侧，复合泡沫是利用传统聚氨酯泡沫原料和二氧化碳氛围的中空玻璃微珠采用原料掺杂方式形成均质混合物。喷涂过
程中，先在贮箱表面喷涂一层掺杂二氧化碳玻璃小球的复合泡沫并发泡，经固化及修形后再喷涂一层掺杂热反射材料的复合泡沫并发泡。其中，碎片化双面镀铝聚酰亚胺薄膜发射率不大于0.06，能够有效削弱辐射传热。二氧化碳冰点显著高于液氢液氧温度，二氧化碳玻璃小球在低温下可形成近似于真空的一个隔热层，用于低温贮箱隔热。二氧化碳玻璃小球的制备方法是在传统玻璃粉末法基础上将其温度为1100℃～1500℃的火焰替换为1100℃～1500℃的二氧化碳高温气体，进而形成二氧化碳氛围的空心玻璃小球。
52.本发明一种基于深度过冷低温推进剂的综合热管理方法，通过智能控温仪16采集第一温度传感器17的温度，使其与tc控温点之间的误差小于预设阈值，tc一般为0℃～20℃，智能控温仪16通过pid算法反馈调节第一温控阀5的开度k1和第二温控阀6的开度k2，实现对仪器设备7的温度控制。其中，k1+k2＝100％。
53.通过循环泵10驱动高压氦气分别在内冷却回路子系统、外冷却回路子系统循环，将过冷液氧贮箱12的冷量分别输运至液氢贮箱1隔热层中和仪器设备7，被加热后的氦气再回到绕管式换热器11中与液氧贮箱12进行换热，如此循环，实现液氢蒸发量的减少和仪器设备温度的联合控制，实现低温运载器长期在轨高效运行。
54.实施例：
55.如图1所示，一种基于深度过冷低温推进剂的综合热管理系统包括：液氢贮箱1，第一复合泡沫隔热材料2，复合多层隔热组件3，冷却屏4，第一温控阀5，第二温控阀6，仪器设备7，第一电磁阀8，补偿器9，循环泵10，绕管式换热器11，过冷液氧贮箱12，第二复合泡沫隔热材料13，分流器14，集液器15，智能控温仪16，第一温度传感器17，第一流量计18，第二温度传感器19，第二流量计20，第一压力传感器21，第二压力传感器22，第三温度传感器23，第四温度传感器24，液氢排气管路25，套管式换热器26，第二电磁阀27。
56.上述综合热管理系统，包括内冷却回路子系统、外冷却回路子系统、排气再利用回路子系统。
57.内冷却回路子系统，是一个由过冷液氧贮箱12、绕管式换热器11、液氢贮箱1、冷却屏4、第二温控阀6、补偿器9、第一电磁阀8、循环泵10以及连接管路构成一个闭式循环冷却回路，用于将过冷液氧贮箱12的富裕冷量资源循环至液氢贮箱1隔热层中以降低漏热及液氢蒸发量。补偿器9内充满高压氦气。
58.外冷却回路子系统，是一个在内冷却回路子系统基础上增加由第一温控阀5、仪器设备(7及换热管路构成的旁路，用于冷却仪器设备及温度控制。
59.排气再利用回路子系统，是一个由排气管路25、套管式换热器26、仪器设备7、第二电磁阀27组成的开式冷却回路，用于将液氢贮箱1排气余冷再利用，以冷却内回路子系统内工质和仪器设备。
60.液氢贮箱1外壁面喷涂第一复合泡沫隔热材料2，在第一复合泡沫隔热材料2外表面包覆复合多层隔热组件3，在复合多层隔热组件3中间层嵌入由多根管路并联形成的大面积冷却屏4。
61.液氧贮箱12外壁面安装了绕管式换热器11，并喷涂第二复合泡沫隔热材料13。
62.第一复合泡沫隔热材料2和第二复合泡沫隔热材料13，为在传统聚氨酯泡沫中掺杂了热反射材料和二氧化碳玻璃小球，其中由碎片化双面镀铝聚酰亚胺薄膜组成的热反射材料位于多功能复合泡沫隔热材料的热侧，二氧化碳玻璃小球位于多功能复合泡沫隔热材
料的冷侧，碎片化双面镀铝聚酰亚胺薄膜具有发射率不大于0.06的特征，二氧化碳玻璃小球在低温下可形成近似于真空的一个隔热层，用于低温贮箱隔热。
63.一种基于深度过冷低温推进剂的综合热管理方法，通过智能控温仪16根据第一温度传感器17反馈控制第一温控阀5和第二温控阀6，实现对仪器设备7的温度控制。通过循环泵10驱动高压氦气分别在内冷却回路子系统、外冷却回路子系统循环，将过冷液氧贮箱12的冷量分别输运至液氢贮箱1隔热层中和仪器设备7，被加热后的氦气再回到绕管式换热器11中与液氧贮箱12进行换热，如此循环，实现液氢蒸发量的减少和仪器设备温度的联合控制，实现低温运载器长期在轨高效运行。
64.以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
65.本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。