低温推进剂“零蒸发”贮存的主动控制系统及控制方法与流程

本发明涉及一种低温推进剂“零蒸发”贮存的主动控制系统及控制方法，属于低温推进剂长期在轨贮存与管理领域。

背景技术：

低温推进剂具有比冲高、无毒无污染的特性。以液氢/液氧为代表的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，在国内外运载火箭和上面级上得到了广泛的应用，是未来开展月球探测、火星探测及更远距离深空探测的首选推进剂。但是，低温推进剂沸点较低，受热易于蒸发，未来深空探测工程中，低温贮箱将在轨运行几天甚至几年，如何有效控制低温推进剂的蒸发，已成为低温推进剂在轨应用的核心技术难题。为了保证低温贮箱的在轨安全运行，必须要将低温贮箱的蒸发量控制在合理的指标之下。引入主动制冷技术，是实现低温推进剂的“零蒸发”在轨贮存的重要途径。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种低温推进剂“零蒸发”贮存的主动控制系统，将主动制冷技术与被动防隔热技术相结合，实现了液氮“零蒸发”贮存，解决了现有低温推进剂贮存必然会因蒸发损失部分质量的技术难题。

本发明的另外一个目的在于提供一种低温推进剂“零蒸发”贮存的主动控制方法。

本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：

低温推进剂“零蒸发”贮存的主动控制系统，包括液氮贮存输运系统、数据采集系统、制冷系统和液氮蒸发量控制平台，其中：

液氮贮存输运系统用于贮存液氮，并将液氮输送至液氮蒸发量控制试验平台；数据采集系统用于监测液氮蒸发量控制平台中压力、温度、液位和流量数据；制冷系统用于产生冷量，并输送至液氮蒸发量控制平台，对液氮蒸发量控制试验平台进行制冷控制；液氮蒸发量控制平台用于接收液氮贮存输运系统输送的液氮和制冷系统输送的冷量，对液氮蒸发量进行主动控制，实现液氮的“零蒸发”贮存。

在上述主动控制系统中，所述液氮贮存输运系统包括液氮贮存压力罐、液氮汽化增压阀门和液氮输运阀门，其中液氮贮存压力罐用于贮存液氮；液氮汽化增压阀门一端与液氮贮存压力罐的液体部分连通，一端与液氮贮存压力罐的气体部分连通，用于对液氮贮存压力罐增压；液氮输运阀门将液氮贮存输运系统与液氮蒸发量控制平台连通。

在上述主动控制系统中，所述制冷系统包括制冷机、热排散系统与冷头换热器，其中制冷机产生冷量输送至冷头换热器，并将制冷机产生的废热输送至热排散系统；热排散系统将制冷机产生的废热向外界环境排散；冷头换热器将制冷机产生的冷量输送至液氮蒸发量控制平台。

在上述主动控制系统中，所述热排散系统包括水冷机组和冷却水贮存罐，外部循环泵抽取冷却水贮存罐中的冷却水，输送进入水冷机组；水冷机组对所述冷却水进行降温后输送至制冷机，制冷机将产生的废热传输至所述降温后的冷却水，所述冷却水返回冷却水贮存罐，完成一个循环，并不断重复所述循环。

在上述主动控制系统中，所述冷头换热器为长度可调节构型，包括换热器、导热棒和冷头，当冷头换热器对液氮蒸发量控制平台内气相区输入冷量时，冷头与换热器直接连接；当冷头换热器对液氮蒸发量控制平台内液相区输入冷量时，冷头与导热棒一端连接，导热棒的另一端与换热器连接。

在上述主动控制系统中，所述换热器的表面积不小于0.1平方米；所述换热器包括底板和垂直与底板的翅片；所述换热器的材料为金属铜。

在上述主动控制系统中，所述液氮蒸发量控制平台包括液氮贮存压力容器、蒸汽冷却装置、温度测量与加热器、液位计、气体质量流量计、压力变送器、上盖、排气阀和蒸汽冷却装置排气阀，其中蒸汽冷却装置用于对液氮贮存压力容器进行冷却，温度测量与加热器用于对液氮贮存压力容器内部的液氮进行加热或温度测量；液位计用于测量液氮贮存压力容器内液氮的液位；排气阀一端与液氮贮存压力容器连通，另一端与气体质量流量计连通，排气阀用于排出氮气；气体质量流量计用于测量氮气的流量；压力变送器用于测量液氮贮存压力容器内的压力；上盖位于液氮贮存压力容器的上部，对液氮贮存压力容器进行密封，蒸汽冷却装置排气阀与蒸汽冷却装置连通，排出蒸汽冷却装置内的氮气。

在上述主动控制系统中，所述液氮蒸发量控制平台还包括进液阀，所述进液阀一端与测量液氮贮存压力容器连通，另一端与液氮贮存输运系统中的液氮输运阀门连通，控制液氮进入测量液氮贮存压力容器内。

在上述主动控制系统中，所述液氮贮存压力容器为夹层结构，所述蒸汽冷却装置设置在所述夹层结构内部，蒸汽冷却装置为螺旋形的冷却管，环绕在液氮贮存压力容器夹层结构的内壁外表面，所述螺旋形的冷却管中为氮气。

在上述主动控制系统中，所述液氮蒸发量控制平台还包括内罐安全阀和抽真空口，其中内罐安全阀与液氮贮存压力容器连通，当液氮贮存压力容器内压力超过安全压力上限时，自动开启进行排气；所述抽真空口设置在液氮贮存压力容器夹层结构的外壁上，用于对所述夹层结构抽真空。

在上述主动控制系统中，所述制冷系统的制冷量大于液氮蒸发量控制平台的总漏热量。

低温推进剂“零蒸发”贮存的主动控制系统的控制方法，包括如下步骤：

步骤(一)、开启液氮贮存输运系统中的液氮汽化增压阀门，放出部分液氮并使所述部分液氮汽化，增加液氮贮存压力罐内的压力，当液氮贮存压力罐内的压力上升到设定值，开启液氮输运阀门和进液阀，将液氮输送至液氮贮存压力容器；

步骤(二)、关闭蒸汽冷却装置排气阀，开启排气阀，通过液位计将液位信号传递至数据采集系统，当数据采集系统显示液氮贮存压力容器内的液位达到设定值v时，依次关闭进液阀、排气阀、液氮输运阀门、和液氮汽化增压阀门；

步骤(三)、开启温度测量与加热器中的加热器，使得液氮贮存压力容器中液氮加速汽化蒸发，通过压力变送器将压力信号传递至数据采集系统，当数据采集系统显示液氮贮存压力容器内的压力上升至设定值pmax时，关闭温度测量与加热器中的加热器；

步骤(四)、开启制冷系统中的制冷机和热排散系统；

步骤(五)、数据采集系统进行监测，当液氮贮存压力容器内的压力降至设定值pmin时，关闭制冷机和热排散系统，液氮贮存压力容器中的压力回升，当压力再次达到设定值pmax时，返回步骤(四)。

在上述主动控制系统的控制方法中，所述步骤(一)中的压力设定值为0.6～0.8mpa。

在上述主动控制系统的控制方法中，所述步骤(二)中的液位设定值v表示液氮贮存压力容器内的液位达到液氮贮存压力容器容积的70％～80％。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)、本发明突破低温推进剂“零蒸发”贮存技术难题，将主动制冷技术与被动防隔热技术结合，提出并验证了一种能够实现液氮工质的“零蒸发”贮存的方法，该方法在原有低温推进剂贮箱基础上，基于制冷机提出了低温工质快速降压及“零蒸发”控制的实现系统和方法，实现了液氮“零蒸发”贮存，解决了现有低温推进剂贮存必然会因蒸发损失部分质量的技术难题；

(2)、本发明通过采用冷头高效换热器设计、加热器功率及布局设计以及正交试验优化设计等，实现了液氮“零蒸发”贮存，并且采取必要的、成本较低的低温制冷系统高效热排散技术，保证了系统的正常运转；

(3)、本发明对制冷系统中的冷头换热器进行创新设计，该冷头换热器为长度可调节构型，可以根据需要进行位置调节，且结构简单可靠，易操作；该构型设计可以用来验证对于低温推进剂气相区输入冷量和液相区输入冷量在实现液氮“零蒸发”贮存的异同点；

(4)、本发明采用的热排散系统结构简单可靠、成本较低，且效果显著，该结构充分利用大容积冷却水的大热容，利用较小功率的水冷机组实现对高功率制冷机的热排散任务，该系统在不更换冷却水条件下可以稳定工作12小时以上；

(5)、本发明方案设计不仅可以实现液氮“零蒸发”贮存，减少推进剂的贮存损失，同时还可以完成包括“通过蒸汽冷装置降低液氮蒸发率实验”、“通过周期排气调控系统压力实验”等多种液氮蒸发率控制试验，在不开启制冷机的情况下仍然可以有效降低液氮蒸发量，实现方式更加灵活多样，满足不同的场景需求。

附图说明

图1为本发明低温推进剂“零蒸发”贮存的主动控制系统组成示意图；

图2为本发明冷头换热器结构示意图；

图3为本发明热排散系统原理示意图。

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：

如图1所示为本发明低温推进剂“零蒸发”贮存的主动控制系统组成示意图，由图可知本发明主动控制系统包括液氮贮存输运系统i、数据采集系统ii、制冷系统iii和液氮蒸发量控制平台iv，其中：液氮贮存输运系统i用于贮存液氮，并将液氮输送至液氮蒸发量控制试验平台iv；数据采集系统ii用于监测液氮蒸发量控制平台iv中压力、温度、液位和流量数据；制冷系统iii用于产生冷量，并输送至液氮蒸发量控制平台iv，对液氮蒸发量控制试验平台iv进行制冷控制；液氮蒸发量控制平台iv用于接收液氮贮存输运系统i输送的液氮和制冷系统输送的冷量，对液氮蒸发量进行主动控制，实现液氮的“零蒸发”贮存。

如图1所示，液氮贮存输运系统i包括液氮贮存压力罐1、液氮汽化增压阀门v4、液氮输运阀门v0以及管路，其中液氮贮存压力罐1用于贮存液氮；液氮汽化增压阀门v4一端与液氮贮存压力罐1的液体部分连通，另一端连接一个汽化室后与液氮贮存压力罐1的气体部分连通，汽化室对液氮汽化增压阀门v4放出的部分液氮汽化，实现对液氮贮存压力罐1的增压；液氮输运阀门v0将液氮贮存输运系统i与液氮蒸发量控制平台iv连通。

制冷系统iii包括制冷机3、热排散系统4与冷头换热器5，其中制冷机3产生冷量输送至冷头换热器5，并将制冷机3产生的废热输送至热排散系统4；热排散系统4将制冷机3产生的废热向外排散；冷头换热器5将制冷机3产生的冷量输送至液氮蒸发量控制平台iv。本发明实施例中制冷剂3采用g-m制冷机。

如图3所示为本发明热排散系统原理示意图，由图可知热排散系统4包括水冷机组13和冷却水贮存罐14，外部循环泵抽取冷却水贮存罐14中的冷却水，输送进入水冷机组13；水冷机组13对冷却水进行降温后输送至制冷机3，制冷机3将产生的废热传输至所述降温后的冷却水，冷却水返回冷却水贮存罐14，完成一个循环，并不断重复所述循环。冷却水贮存罐14中大容量冷却水可稀释掉高温回水，使得再次循环的冷却水温升很低，降低水冷机组13的工作负荷。

如图2所示为本发明冷头换热器结构示意图，由图可知冷头换热器5为长度可调节构型，包括换热器15、导热棒16和冷头17，当冷头换热器5对液氮蒸发量控制平台iv内气相区输入冷量时，冷头17与换热器15直接连接。当冷头换热器5对液氮蒸发量控制平台iv内液相区输入冷量时，冷头17与导热棒16一端连接，导热棒16的另一端与换热器15连接。本发明中导热棒16由金属铝或铜制备。

本发明中换热器15的表面积不小于0.1平方米，如图2所示换热器15包括底板和垂直与底板的若干翅片，翅片均匀或非均匀排布在底板上，并且换热器15的材料为金属铜。

如图1所示，液氮蒸发量控制平台iv包括液氮贮存压力容器6、蒸汽冷却装置7、温度测量与加热器8、液位计9、气体质量流量计10、压力变送器11、上盖12、进液阀v1、排气阀v2、、蒸汽冷却装置排气阀v3、内罐安全阀s和抽真空口z4。

其中液氮贮存压力容器6为夹层结构，蒸汽冷却装置7设置在夹层结构内部，蒸汽冷却装置7为螺旋形上升的冷却管，环绕在液氮贮存压力容器6夹层结构的内壁外表面，且螺旋形的冷却管中为氮气。蒸汽冷却装置7用于对液氮贮存压力容器6进行冷却。

温度测量与加热器8设置在液氮贮存压力容器6的内部，用于对液氮贮存压力容器6内部的液氮进行加热或温度测量，并将温度数据传递至数据采集系统ii。

液位计9用于测量液氮贮存压力容器6内液氮的液位，并将液位数据传递至数据采集系统ii。排气阀v2一端与液氮贮存压力容器6连通，另一端与气体质量流量计10连通，排气阀v2用于排出氮气；气体质量流量计10用于测量氮气的流量，并将流量数据传递至数据采集系统ii。压力变送器11与液氮贮存压力容器6连通，用于测量液氮贮存压力容器6内的压力，并将压力数据传递至数据采集系统ii。上盖12为上法兰盖，位于液氮贮存压力容器6的上部，对液氮贮存压力容器6进行密封，同时作为仪器安装的承载。蒸汽冷却装置排气阀v3与蒸汽冷却装置7连通，排出蒸汽冷却装置7内的氮气。进液阀v1一端与测量液氮贮存压力容器6连通，另一端与液氮贮存输运系统i中的液氮输运阀门v0连通，控制液氮进入测量液氮贮存压力容器6内。

内罐安全阀s与液氮贮存压力容器6连通，当液氮贮存压力容器6内压力超过安全压力上限时，自动开启进行排气。抽真空口z4设置在液氮贮存压力容器6夹层结构的外壁上，用于对夹层结构抽真空。

数据采集系统ii包括多通路数据采集仪、计算机、自动数采软件和直流稳压电源。数据采集系统ii主要用于采集并监测液氮蒸发量控制平台iv中压力、温度、液位和流量数据。

本发明中制冷系统iii的制冷量(即制冷机的制冷量)大于液氮蒸发量控制平台iv的总漏热量。

本发明低温推进剂“零蒸发”贮存的主动控制系统的控制方法，具体包括如下步骤：

步骤(一)、开启液氮贮存输运系统i中的液氮汽化增压阀门v4，放出部分液氮并使之汽化，增加液氮贮存压力罐1内的压力，使液氮贮存压力罐1内的压力上升到设定值，开启液氮输运阀门v0和进液阀v1，将液氮输送至液氮贮存压力容器6。本发明实施例中放出的部分液氮质量小于液氮总质量的0.01％。本发明实施例中压力设定值为0.6～0.8mpa。

步骤(二)、关闭蒸汽冷却装置排气阀v3，开启排气阀v2，通过液位计9将液位信号传递至数据采集系统ii，当数据采集系统ii显示液氮贮存压力容器6内的液位达到设定值v时，依次关闭进液阀v1、排气阀v2、液氮输运阀门v0、和液氮汽化增压阀门v4；本发明实施例中液位设定值v即为液氮贮存压力容器6的液位达到液氮贮存压力容器6容积的70％～80％。

步骤(三)、开启温度测量与加热器8中的加热器，使得液氮贮存压力容器6中液氮加速汽化蒸发，通过压力变送器11将压力信号传递至数据采集系统ii，当数据采集系统ii显示液氮贮存压力容器6内的压力上升至设定值pmax时，关闭温度测量与加热器8中的加热器；本发明实施例中设定值pmax为0.4mpa。

步骤(四)、开启制冷系统iii中的g-m制冷机3和热排散系统4。

步骤(五)、数据采集系统ii进行监测，当液氮贮存压力容器6内的压力降至设定值pmin时，关闭制冷机3和热排散系统4，液氮贮存压力容器6中的压力逐渐回升，当压力再次达到设定值pmax时，重复步骤(四)。本发明实施例中设定值pmin为0.2mpa。本发明方法中，液氮贮存压力容器6中贮存的液氮实现了系统压力不超过设定范围且不排气无损贮存，液氮“零蒸发”贮存目标实现。

本发明不仅可以实现液氮“零蒸发”贮存，减少推进剂的贮存损失，同时还可以完成包括“通过蒸汽冷装置降低液氮蒸发率实验”、“通过周期排气调控系统压力实验”等多种液氮蒸发率控制试验，在不开启制冷机的情况下仍然可以有效降低液氮蒸发量，实现方式更加灵活多样，满足不同的场景需求。

本发明采用的热排散系统结构简单可靠、成本较低，且效果显著，该结构充分利用大容积(1m³)冷却水的大热容，利用较小功率(2000w)的水冷机组实现对高功率(7500w)g-m制冷机的热排散任务。该系统在不更换冷却水条件下可以稳定工作12小时以上。

本发明针对系统的漏热设计步骤如下：

本发明液氮贮存压力容器6容积为0.5m³、设计压力0.6mpa、使用介质为液氮、工作温度77k，主体采用真空多层绝热罐体、顶部采用内外发泡绝热法兰形式，因此低温容器存在一定的漏热损失。低温容器主体采用真空多层绝热罐体、顶部为发泡绝热法兰形式，因此，其漏热主要包括两部分：第一部分是主体真空多层罐体漏热；第二部分是发泡法兰盖漏热。所述系统总漏热量计算公式如下：

q总＝q罐体+q法兰

其中；q罐体为真空多层罐体漏热；q法兰为发泡法兰盖漏热。

真空多层罐体其内部真空度远小于10³pa，气体对流传热可忽略不计，漏热主要包括了残余气体导热、内外壁上的导管导热、辐射热、内罐体上法兰导热等四部分，其传热量计算表达为计算公式如下：

q罐体＝qg+qr+qc+qf

其中qg为真空夹层残余气体漏热热量；qr为罐壁辐射漏热量；qc为接管导热漏热量；qf为上法兰导热漏热量。

液氮贮存压力容器6气腔的气体导热可按自由分子状态下气体分子的导热进行计算，传热量可按下式计算：

式中：α为适应系数，取决于气体种类、壁面温度、内、外壁面积之比；k为气体绝热指数；r为普适气体常数；p为真空夹层气体压力；m为气体分子量；tm为层间平均温度；a为传热表面面积；to，ti分别为外壁和内壁的表面温度；n为绝热层数。

在垂直液氮贮存压力容器6上，设置了进液管、直接排气管和冷屏排气管，分别直接穿过罐体的内外壁，因此热量通过这些导管由外壁传给内壁，传热量计算如下式所示。

式中：λ为导管导热系数；l为热桥长度；to，ti分别为外壁和内壁的表面温度；a为支撑热桥横截面面积。

考虑内、外壁之间的辐射热，为简化计算，将内、外壁简化为两层冷屏进行计算，辐射传热量qr由下式计算

式中：σ为斯蒂芬—波尔兹曼常数；ε—反射屏的发射系数；n为绝热层数；to，ti分别为外壁和内壁的表面温度；ai为内表面积。

低温容器的主罐体为真空多层结构，其内罐体通过上部法兰与外罐体连接，而法兰裸露在环境中，由此一部分热量将通过法兰和内罐体传输到容器内部。热量计算如下式所示

式中：λ为导管导热系数；l为热桥长度；to，ti分别为外壁和内壁的表面温度；a为支撑热桥横截面面积。

在上法兰盖上，设置了制冷机接口管、电容液位计接口管、温度测杆接口管，因此存在着一定的漏热。为了减少漏热损失，上法兰盖下部与内容器间设置了一定厚度的环氧玻璃钢衬垫，避免各设备接口导管与法兰直接接触，且在上法兰外周进行了发泡绝热，上表面部分结构也进行了发泡绝热，仅留出了制冷机安装位置处未进行发泡绝热。其传热量为:

q法兰＝qz+ql+qt+qp

其中qz为制冷机接管导热漏热量；ql为液位计接管导热漏热量；qt为测温杆接管导热漏热量；qp为上法兰盖导热漏热量。

制冷机接管一端固定在上法兰盖内部发泡绝热套下板上，另外一端与环氧玻璃钢接合，减小漏热损失。制冷机安装处的法兰外侧不发泡，直接裸露在外界环境中。热量计算如下式所示:

式中：λ为导管导热系数；l为导管热桥长度；to，ti分别为容器外界环境和内部温度；a为导管横截面面积。

电容液位计接管一端固定在上法兰盖内部发泡绝热套下板上，另外一端与环氧玻璃钢接合，减小漏热损失。热量计算如下式所示:

式中：λ为导管导热系数；l为热桥长度；to，ti分别为外壁和内壁的表面温度；a为支撑热桥横截面面积。

温度测杆接管一端固定在上法兰盖内部发泡绝热套下板上，另外一端与环氧玻璃钢接合，减小漏热损失。热量计算如下式所示:

式中：λ为导管导热系数；l为热桥长度；to，ti分别为外壁和内壁的表面温度；a为支撑热桥横截面面积。

为了降低漏热损失，对上法兰盖进行了内外发泡绝热保温，而对于制冷机的安装位置，法兰的外侧未进行发泡。由此，对于上法兰盖的导热量计算，分为上法兰盖外侧发泡、上法兰盖外侧未发泡两部分。

对于上法兰盖外侧发泡部分，其热传导途径如下：热量分别通过外侧发泡层、上法兰盖、环氧玻璃钢衬垫、内侧发泡层，进入容器内部。

根据热传导计算公式，有：

式中：λ为导管导热系数，λ1、λ2、λ3分别为聚氨酯发泡层、不锈钢法兰、环氧玻璃钢衬垫的导热系数；l为导管热桥长度，l1、l2、l3、l4分别为外侧聚氨酯发泡层、不锈钢法兰盖、环氧玻璃钢衬垫、内侧聚氨酯发泡层的厚度；to，ti分别为容器外界环境和内部温度，t12、t23、t34分别为各层间的计算温度；a为上法兰盖外侧未发泡部分的面积。

对于上法兰盖外侧未发泡部分，外界环境直接与法兰进行热量传递，热量分别通过上法兰盖、环氧玻璃钢衬垫、内侧发泡层，进入容器内部。根据热传导计算公式，有：

式中：λ为导管导热系数，λ1、λ2、λ3分别为聚氨酯发泡层、不锈钢法兰、环氧玻璃钢衬垫的导热系数；l为导管热桥长度，l1、l2、l3、l4分别为不锈钢法兰盖、环氧玻璃钢衬垫、内侧聚氨酯发泡层的厚度；to，ti分别为容器外界环境和内部温度，t12、t23分别为各层间的计算温度；a为上法兰盖外侧未发泡部分的面积。

根据计算，低温容器总漏热量约为40.41w，如表1所示。本发明中选择的g-m制冷机在77k时总制冷量不小于130w，该制冷量大于容器的总漏热量，满足设计使用要求。

表1低温容器漏热量

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公开的技术范围内，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。