低温推进剂“零蒸发”贮存的主动控制系统及控制方法技术方案

本发明专利技术涉及低温推进剂“零蒸发”贮存的主动控制系统及控制方法，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；同时本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
低温推进剂“零蒸发”贮存的主动控制系统及控制方法
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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：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％。本专利技术与现有技术相比具有如下有益效果：(1)、本专利技术突破低温推进剂“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)、本专利技术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)、本专利技术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)、本专利技术采用的热排散系统结构简单可靠、成本本文档来自技高网...

【技术保护点】
低温推进剂“零蒸发”贮存的主动控制系统，其特征在于：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(III)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。

【技术特征摘要】
1.低温推进剂“零蒸发”贮存的主动控制系统，其特征在于：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(III)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。2.根据权利要求1所述的主动控制系统，其特征在于：所述液氮贮存输运系统(I)包括液氮贮存压力罐(1)、液氮汽化增压阀门(V4)和液氮输运阀门(V0)，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，一端与液氮贮存压力罐(1)的气体部分连通，用于对液氮贮存压力罐(1)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。3.根据权利要求1所述的主动控制系统，其特征在于：所述制冷系统(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)产生的废热向外界环境排散；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)。4.根据权利要求3所述的主动控制系统，其特征在于：所述热排散系统(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)对所述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，所述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。5.根据权利要求3所述的主动控制系统，其特征在于：所述冷头换热器(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。6.根据权利要求5所述的主动控制系统，其特征在于：所述换热器(15)的表面积不小于0.1平方米；所述换热器(15)包括底板和垂直与底板的翅片；所述换热器(15)的材料为金属铜。7.根据权利要求1所述的主动控制系统，其特征在于：所述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)、排气阀(V2)和蒸汽冷却装置排气阀(V3)，其中蒸汽冷却装置(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)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；液位计(9)用于测量液氮贮存压力容器(6)内液氮的液位；排气阀(V2)一端与液氮贮存压力容器(6)连通，...

【专利技术属性】
技术研发人员：贲勋，刘欣，张少华，刘海飞，张晓屿，周振君，潘瑶，
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