适用于低温推进剂长期在轨贮存的蒸发量主动控制方法技术

本发明专利技术涉及适用于低温推进剂长期在轨贮存的蒸发量主动控制方法，该方法为推进剂贮箱安装蒸发量主动控制装置，蒸发量主动控制装置包括复合绝热层、蒸汽冷却屏、换热器、节流组件、循环泵、旁通阀和蒸汽冷却屏排气阀，本发明专利技术通过建立低温推进剂蒸发量主动控制方法，能够在微重力条件气液位置不确定的情况下实现少量的单纯气态推进剂排放，并且可以充分利用所排放的低温推进剂节流后的热力学焓，在双重作用下有效地实现低温推进剂贮箱的压力控制和低温推进剂蒸发量控制，该方法能够有效减少低温推进剂在轨应用的蒸发损失，延长航天器在轨任务时间。

Active evaporation control method for low temperature propellant on long term storage in orbit

The present invention relates to application of evaporation in cryogenic propellant storage long-term on orbit active control method, the method of active control device for propellant tank installation evaporation device includes a composite insulation layer, steam cooling screen, heat exchanger, throttling component, circulating pump, bypass valve and steam cooling screen exhaust valve active control of evaporation, the the invention through the establishment of cryogenic propellant evaporation active control method, a small amount of pure gaseous propellant to achieve emission can not sure in microgravity gas-liquid position, and can make full use of enthalpy of cryogenic propellant discharged after throttling, pressure control and cryogenic propellant evaporation effectively in cryogenic propellant tank in the dual role of the control, this method can effectively reduce the evaporation loss of cryogenic propellant in orbit spacecraft was extended application. Service time.

【技术实现步骤摘要】
适用于低温推进剂长期在轨贮存的蒸发量主动控制方法
本专利技术涉及一种适用于低温推进剂长期在轨贮存的主动控制方法，适合应用于航天器低温贮存系统设计，实现低温推进剂长期在轨贮存。
技术介绍
低温推进剂由于其比冲高、无毒无污染、价格相对低廉，在国内外运载火箭和上面级上得到了广泛的应用。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，也是未来人类月球探测、火星探测及更远距离的深空探测的首选推进剂。低温推进剂虽然性能高，但其沸点低(液氢-253℃，液氧-183℃)，易因受热而蒸发，难于长时间存储，通过采取合理有效的措施解决低温推进剂蒸发量的控制问题，是低温推进剂长时间在轨应用的前提。低温推进剂的蒸发会使得航天器贮箱压力快速增加，为了保证箱内正常工作压力，必须将蒸发气体不断排出，这又会造成低温推进剂大量的无效损失。与此同时，为保证长时间飞行需求，航天器又必须携带更多的低温推进剂。以15t的液氢计算，如果日蒸发率>2％，仅在轨5天损耗推进剂就将大于1.5t。对于长期在轨应用，采用主动控制的系统重量比被动控制更占优势，在轨时间越长这种优势也越明显。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的上述不足，提供适用于低温推进剂长期在轨贮存的蒸发量主动控制方法，该方法能够有效减少低温推进剂在轨应用的蒸发损失，延长航天器在轨任务时间。本专利技术的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：适用于低温推进剂长期在轨贮存的蒸发量主动控制方法，包括如下步骤：步骤(1)、为推进剂贮箱安装蒸发量主动控制装置，所述蒸发量主动控制装置包括复合绝热层、蒸汽冷却屏、换热器、节流组件、循环泵和蒸汽冷却屏排气阀，安装方法如下：将复合绝热层包覆在推进剂贮箱外表面，蒸汽冷却屏设置在复合绝热层中间，并与复合绝热层贴合，换热器位于推进剂贮箱内部，循环泵、节流组件和换热器依次连接，且循环泵与推进剂贮箱内部的推进剂连通，蒸汽冷却屏与换热器连通，蒸汽冷却屏排气阀与蒸汽冷却屏连通；步骤(2)、当推进剂贮箱内部的压力大于或等于设定的排气上限P时，开启循环泵，抽取部分液体推进剂，液体推进剂进入节流组件，在节流组件内液体推进剂变为气体推进剂，产生的制冷量及气体推进剂进入换热器，换热器将产生的制冷量传递至推进剂贮箱内部，同时气体推进剂进入蒸汽冷却屏内部的冷却管路；步骤(3)、气体推进剂在蒸汽冷却屏内部的冷却管路中运动对推进剂贮箱表面进行降温，当推进剂贮箱表面温度达到设定温度值时，通过蒸汽冷却屏排气阀将气体推进剂向外排出。适用于低温推进剂长期在轨贮存的蒸发量主动控制方法，包括如下步骤：步骤(1)、为推进剂贮箱安装蒸发量主动控制装置，所述蒸发量主动控制装置包括复合绝热层、蒸汽冷却屏、换热器、节流组件、循环泵、蒸汽冷却屏排气阀和旁通阀，所述换热器包括进口管路和出口管路，具体安装方法如下：将复合绝热层包覆在推进剂贮箱外表面，蒸汽冷却屏设置在复合绝热层中间，并与复合绝热层贴合，换热器位于推进剂贮箱内部，循环泵与节流组件连接，且循环泵通过旁通阀与换热器连接，节流组件与换热器连接，循环泵与推进剂贮箱内部的推进剂连通，蒸汽冷却屏与换热器连通，蒸汽冷却屏排气阀与蒸汽冷却屏连通；步骤(2)、当推进剂贮箱内部的压力大于或等于设定的排气上限P时，打开旁通阀，开启循环泵，抽取部分液体推进剂，液体推进剂通过旁通阀进入换热器的进口管路，并通过换热器的出口管路喷入推进剂贮箱内部，使贮箱内部推进剂混合均匀，降低贮箱内部压力，若贮箱内部压力小于设定的排气上限P，则进入步骤(5)；若贮箱内部压力大于或等于设定的排气上限P，则进入步骤(3)；步骤(3)、关闭旁通阀，开启循环泵，抽取部分液体推进剂，液体推进剂进入节流组件，在节流组件内液体推进剂变为气体推进剂，产生的制冷量及气体推进剂进入换热器，换热器将产生的制冷量传递至推进剂贮箱内部；同时气体推进剂进入蒸汽冷却屏内部的冷却管路；步骤(4)、气体推进剂在蒸汽冷却屏内部的冷却管路中运动对推进剂贮箱表面进行降温，当推进剂贮箱表面温度达到设定温度值时，通过蒸汽冷却屏排气阀将气体推进剂向外排出；步骤(5)、结束。在上述适用于低温推进剂长期在轨贮存的蒸发量主动控制方法中，所述蒸发量主动控制装置还包括安全排气阀，所述安全排气阀与推进剂贮箱连通，当推进剂贮箱内部压力达到设定上限值时，开启安全排气阀。在上述适用于低温推进剂长期在轨贮存的蒸发量主动控制方法中，所述复合绝热层包括多个隔热层和1个泡沫层，其中泡沫层紧贴推进剂贮箱外表面包覆，多个隔热层位于泡沫层外表面，且蒸汽冷却屏设置在隔热层之间，不与泡沫层接触。在上述适用于低温推进剂长期在轨贮存的蒸发量主动控制方法中，所述每个隔热层由双面镀铝聚酰亚胺薄膜反射屏和尼龙织物交替叠合组成。在上述适用于低温推进剂长期在轨贮存的蒸发量主动控制方法中，所述双面镀铝聚酰亚胺薄膜反射屏的厚度为6～10μm，所述尼龙织物的厚度为20～60μm。在上述适用于低温推进剂长期在轨贮存的蒸发量主动控制方法中，所述蒸汽冷却屏为真空多层结构，任意相邻两层冷却板之间采用真空设计，且其中的两层冷却板之间设置冷却管路，冷却管路与换热器连通。在上述适用于低温推进剂长期在轨贮存的蒸发量主动控制方法中，所述任意相邻两层冷却板之间的距离为1～5mm；所述冷却板的厚度为0.5～1mm。在上述适用于低温推进剂长期在轨贮存的蒸发量主动控制方法中，所述冷却板的材料为铝或不锈钢，或者铝或不锈钢表面增加黑色涂层。在上述适用于低温推进剂长期在轨贮存的蒸发量主动控制方法中，所述冷却管路采用螺旋式盘管设计，管径为3～5mm。在上述适用于低温推进剂长期在轨贮存的蒸发量主动控制方法中，所述步骤(2)中抽取的部分液体推进剂为液体推进剂总质量的0.05～0.1％。在上述适用于低温推进剂长期在轨贮存的蒸发量主动控制方法中，所述步骤(3)中抽取的部分液体推进剂为液体推进剂总质量的0.05～0.1％；所述步骤(2)中抽取的部分液体推进剂为液体推进剂总质量的0.05～0.1％。本专利技术与现有技术相比有益效果为：(1)、本专利技术在蒸发量主动控制装置中增加了旁通阀，通过循环泵和节流组件的交替开启，建立流体混合压力控制模式和节流制冷压力控制模式，首先采取流体混合压力控制模式，该模式在不损失推进剂的前提下降低贮箱内压力，若压力降低不明显，则采取节流制冷压力控制模式，实现贮箱内压力的降低，以最小的低温推进剂代价达到了良好的压力控制和蒸发量控制效果。(2)、本专利技术针对低温推进剂长期在轨贮存蒸发量控制的问题，提出了利用少量排放气体节流后的热力学焓对低温贮箱内剩余低温推进剂进行冷却的蒸发量控制方法，解决了低温贮箱内部推进剂蒸发引起的压力控制问题，达到了以少量低温推进剂损失来对低温推进剂蒸发量进行有效控制的目的。(3)、本专利技术还通过耦合蒸汽冷却屏有效利用了热力学排气系统排出的低温蒸汽，降低了多层隔热材料中间部位的温度，进一步降低了空间环境还低温贮箱内部的漏热，减少内部低温推进剂的蒸发损失(4)、本专利技术对蒸汽冷却屏的结构进行了优化设计，采用真空多层结构，任意相邻两层冷却板之间采用真空设计，且其中的两层冷却板之间设置冷却管路，该结构设计可以显著降低多层隔热层内部的温度，降低了与贮箱表面的温差，从而减少传热。附图本文档来自技高网...

【技术保护点】
适用于低温推进剂长期在轨贮存的蒸发量主动控制方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤(1)、为推进剂贮箱(3)安装蒸发量主动控制装置，所述蒸发量主动控制装置包括复合绝热层(1)、蒸汽冷却屏(2)、换热器(5)、节流组件(4)、循环泵(8)和蒸汽冷却屏排气阀(7)，安装方法如下：将复合绝热层(1)包覆在推进剂贮箱(3)外表面，蒸汽冷却屏(2)设置在复合绝热层(1)中间，并与复合绝热层(1)贴合，换热器(5)位于推进剂贮箱(3)内部，循环泵(8)、节流组件(4)和换热器(5)依次连接，且循环泵(8)与推进剂贮箱(3)内部的推进剂连通，蒸汽冷却屏(2)与换热器(5)连通，蒸汽冷却屏排气阀(7)与蒸汽冷却屏(2)连通；步骤(2)、当推进剂贮箱(3)内部的压力大于或等于设定的排气上限P时，开启循环泵(8)，抽取部分液体推进剂，液体推进剂进入节流组件(4)，在节流组件(4)内液体推进剂变为气体推进剂，产生的制冷量及气体推进剂进入换热器(5)，换热器(5)将产生的制冷量传递至推进剂贮箱(3)内部，同时气体推进剂进入蒸汽冷却屏(2)内部的冷却管路；步骤(3)、气体推进剂在蒸汽冷却屏(2)内部的冷却管路中运动对推进剂贮箱(3)表面进行降温，当推进剂贮箱(3)表面温度达到设定温度值时，通过蒸汽冷却屏排气阀(7)将气体推进剂向外排出。...

【技术特征摘要】
1.适用于低温推进剂长期在轨贮存的蒸发量主动控制方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤(1)、为推进剂贮箱(3)安装蒸发量主动控制装置，所述蒸发量主动控制装置包括复合绝热层(1)、蒸汽冷却屏(2)、换热器(5)、节流组件(4)、循环泵(8)和蒸汽冷却屏排气阀(7)，安装方法如下：将复合绝热层(1)包覆在推进剂贮箱(3)外表面，蒸汽冷却屏(2)设置在复合绝热层(1)中间，并与复合绝热层(1)贴合，换热器(5)位于推进剂贮箱(3)内部，循环泵(8)、节流组件(4)和换热器(5)依次连接，且循环泵(8)与推进剂贮箱(3)内部的推进剂连通，蒸汽冷却屏(2)与换热器(5)连通，蒸汽冷却屏排气阀(7)与蒸汽冷却屏(2)连通；步骤(2)、当推进剂贮箱(3)内部的压力大于或等于设定的排气上限P时，开启循环泵(8)，抽取部分液体推进剂，液体推进剂进入节流组件(4)，在节流组件(4)内液体推进剂变为气体推进剂，产生的制冷量及气体推进剂进入换热器(5)，换热器(5)将产生的制冷量传递至推进剂贮箱(3)内部，同时气体推进剂进入蒸汽冷却屏(2)内部的冷却管路；步骤(3)、气体推进剂在蒸汽冷却屏(2)内部的冷却管路中运动对推进剂贮箱(3)表面进行降温，当推进剂贮箱(3)表面温度达到设定温度值时，通过蒸汽冷却屏排气阀(7)将气体推进剂向外排出。2.适用于低温推进剂长期在轨贮存的蒸发量主动控制方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤(1)、为推进剂贮箱(3)安装蒸发量主动控制装置，所述蒸发量主动控制装置包括复合绝热层(1)、蒸汽冷却屏(2)、换热器(5)、节流组件(4)、循环泵(8)、蒸汽冷却屏排气阀(7)和旁通阀(10)，所述换热器(5)包括进口管路和出口管路，具体安装方法如下：将复合绝热层(1)包覆在推进剂贮箱(3)外表面，蒸汽冷却屏(2)设置在复合绝热层(1)中间，并与复合绝热层(1)贴合，换热器(5)位于推进剂贮箱(3)内部，循环泵(8)与节流组件(4)连接，且循环泵(8)通过旁通阀(10)与换热器(5)连接，节流组件(4)与换热器(5)连接，循环泵(8)与推进剂贮箱(3)内部的推进剂连通，蒸汽冷却屏(2)与换热器(5)连通，蒸汽冷却屏排气阀(7)与蒸汽冷却屏(2)连通；步骤(2)、当推进剂贮箱(3)内部的压力大于或等于设定的排气上限P时，打开旁通阀(10)，开启循环泵(8)，抽取部分液体推进剂，液体推进剂通过旁通阀(10)进入换热器(5)的进口管路，并通过换热器(5)的出口管路喷入推进剂贮箱(3)内部，使贮箱(3)内部推进剂混合均匀，降低贮箱(3)内部压力，若贮箱内部压力小于设定的排气上限P，则进入步骤(5)；若贮箱内部压力大于或等于设定的排气上限P，则进入步骤(3)；步骤(3)、关闭旁通阀(10)，开启循环泵(8)，抽取部分液体推进剂，液体推进剂进入节流组件(4)，在节流组件(4)内液体推进剂变...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晓屿，张少华，贲勋，潘瑶，余群，王思峰，吕建伟，刘欣，王领华，王海英，巩萌萌，王颖昕，
申请(专利权)人：中国运载火箭技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11