一种基于液氧冷量的液氧/液甲烷综合过冷系统及方法技术方案

一种基于液氧冷量的液氧/液甲烷综合过冷系统及方法，包括液甲烷槽车、液氧槽车、液氮槽车、常压液氧储罐、常压液氮储罐、负压液氮储罐、箭上甲烷贮箱、箭上液氧贮箱以及氧

【技术实现步骤摘要】
一种基于液氧冷量的液氧/液甲烷综合过冷系统及方法


[0001]本专利技术涉及低温推进剂过冷加注
，具体涉及一种基于液氧冷量的液氧/液甲烷综合过冷系统及方法。

技术介绍

[0002]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。其中，液氧/液甲烷组合因其在成本上的显著优势，得到了商业航天领域的高度关注。然而低温运载火箭中仅少数型号在发射前进行液氧过冷补加外，普遍采用饱和态低温推进剂。饱和态低温推进剂受热极易蒸发，不仅造成液体推进剂损失，两相流的引入也给系统安全和控制带来了诸多问题。使用过冷态低温推进剂的概念应运而生，一方面，过冷推进剂具有更高密度，有益于提高系统运载效率或降低系统质量；另一方面，过冷推进剂具有更大的储冷量，有益于推进剂长期储存并提高系统可靠性。
[0003]目前，液氧系统采用的小流量补加与射前过冷补加流程并不能适用于大流量深度过冷液氧加注的需求，初步探究阶段一般基于抽空减压或换热法开展过冷度获取方案设计与系统研究。对于液甲烷系统，由于缺乏过冷态使用经验，初步探究阶段普遍采用了基于液氮冷量的换热式过冷方案。然而，饱和液氮温度(77.4K)低于甲烷三相点温度(90.7K)超过10K，使用饱和液氮冷量进行液甲烷过冷的过程中存在甲烷冻结风险，需要对过冷加注流程进行严格精密的控制，并需要一套完备的防冻结/冻结消除预案。
[0004]总体来看，针对低温推进剂目前尚未形成成熟的深度过冷加注方案，目前仍处于初步研究阶段，并不具备工程应用能力。为了加快推动深度过冷低温推进剂在中国低温火箭中的应用，提高火箭的载荷效率，提升运载系统可靠性和安全性，亟需开发一套深度过冷快速加注系统。

技术实现思路

[0005]为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种基于液氧冷量的液氧/液甲烷综合过冷系统及方法，利用与甲烷三相点温度(90.7K)温差更小的饱和液氧冷量(90.4K)，通过饱和液氧过冷液甲烷规避甲烷冻结问题以提高过冷系统的安全与稳定性，通过对蒸发氧气的有效回收再液化以提高液氧过冷系统的工作效率，从而提升低温推进剂深度过冷与快速加注系统的工作性能。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0007]一种基于液氧冷量的液氧/液甲烷综合过冷系统，包括液甲烷槽车1，液甲烷槽车1出口通过第一低温流量调节阀2、第一过滤器3与氧
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甲烷换热芯4的入口a相连接，氧
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甲烷换热芯4的出口b通过第一低温液体流量计5、第一低温截止阀6与箭上甲烷贮箱7入口相连接；箭上甲烷贮箱7顶部设有第一增压气体端口c、第一压力传感器9、第一安全阀10、甲烷排气口d，第一增压气体端口c通过第一电磁比例调节阀8与增压气源相连接，甲烷排气口d通过第二低温截止阀11与甲烷安全排放系统相连接；
[0008]氧
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甲烷换热芯4安装于常压液氧储罐16内；常压液氧储罐16的液氧加注口e通过第四低温截止阀15、第二过滤器14、第三低温截止阀13与液氧槽车12出口相连接；常压液氧储罐16的液氧排放口f通过第二低温流量调节阀18与液氧加注管路止回阀19入口相连接，液氧加注管路止回阀19入口通过第五低温截止阀17与第二过滤器14出口相连接；常压液氧储罐16顶部设有第一氧气排放口g、第二氧气排放口h、第二安全阀21、第一液位计22和第二压力传感器23，第一氧气排放口g通过第六低温截止阀20与大气环境相连接，第二氧气排放口h通过第二电磁比例调节阀24与气氧加注管路止回阀25入口相连接；液氧加注管路止回阀19出口和气氧加注管路止回阀25出口通过三通混合阀26连接于常压氧
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氮换热芯27的入口i；
[0009]常压氧
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氮换热芯27安装于常压液氮储罐28内，常压液氮储罐28的第一液氮加注口j通过第七低温截止阀29、第三过滤器30、第八低温截止阀31与液氮槽车32出口相连接；常压液氮储罐28顶部设有第二液位计33、第一氮气排放口k、第三安全阀35和第三压力传感器36，第一氮气排放口k通过第九低温截止阀34与大气环境相连接，常压氧
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氮换热芯27的出口l与负压氧
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氮换热芯37的入口m相连接；
[0010]负压氧
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氮换热芯37安装于负压液氮储罐38内，负压液氮储罐38的第二液氮加注口n通过第十低温截止阀39与第三过滤器30出口相连接；负压液氮储罐38顶部设有第三液位计40、第二氮气排放口o、第四压力传感器42、第四安全阀43和第三氮气排放口p，第二氮气排放口o依次通过第十一低温截止阀41、抽真空设备45与大气环境相连接；第三氮气排放口p通过第十二低温截止阀44与大气环境相连接；负压氧
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氮换热芯37的出口q通过第二低温液体流量计46、低温液体循环泵47、第十三低温截止阀48与箭上液氧贮箱49相连接；箭上液氧贮箱49顶部设有第二增压气体端口r、第五压力传感器51、第五安全阀52和第三氧气排放口s，第二增压气体端口r通过第三电磁比例调节阀50与增压气源相连接，第三氧气排放口s通过第十四低温截止阀53与大气环境相连接。
[0011]所述的低温贮箱和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。
[0012]所述的氧
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甲烷换热芯4、常压氧
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氮换热芯27和负压氧
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氮换热芯37采用板翅式换热结构，或采用管壳式管热结构。
[0013]所述的抽真空设备45采用多级压缩机、引射器、水环真空泵等设备，抽空减压操作可以直接应用于低温气体，或采用复温器对低温气体进行复温后进行。
[0014]所述的第一安全阀10、第二安全阀21、第三安全阀35、第四安全阀43、第五安全阀52均为低温安全角阀，当箭上甲烷贮箱7、常压液氧储罐16、常压液氮储罐28、负压液氮储罐38或箭上液氧贮箱49超过安全压力上限后，对应安全阀开启。
[0015]一种基于液氧冷量的液氧/液甲烷综合过冷系统的使用方法，包括以下步骤：
[0016]第一步：液氧系统预冷与换热器加注：完成加注系统的气密性检查、吹扫和气体置换后，关闭所有阀门；打开第三低温截止阀13、第四低温截止阀15，利用液氧槽车12压力驱动液氧由液氧加注口e进入常压液氧储罐16；当第二压力传感器23监测到常压液氧储罐16气枕压力超过设定值时，控制打开第二电磁比例调节阀24进行氧气排放，同时打开第十三低温截止阀48；排放氧气流经常压氧
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氮换热芯27和负压氧
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氮换热芯37后进入箭上液氧贮箱49，对氧系统进行预冷；当第五压力传感器51监测箭上液氧贮箱49气枕压力超过设定值
时，打开第十四低温截止阀53进行氧气排放泄压；当第一液位计22监测到液氧液位达到设定值后，关闭第三低温截止阀13和第四低温截止阀15，完成常压液氧储罐16的液氧加注；
[0017]第二步：液氮系统预冷本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于液氧冷量的液氧/液甲烷综合过冷系统，包括液甲烷槽车(1)，其特征在于：液甲烷槽车(1)出口通过第一低温流量调节阀(2)、第一过滤器(3)与氧
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甲烷换热芯(4)的入口a相连接，氧
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甲烷换热芯(4)的出口b通过第一低温液体流量计(5)、第一低温截止阀(6)与箭上甲烷贮箱(7)入口相连接；箭上甲烷贮箱(7)顶部设有第一增压气体端口c、第一压力传感器(9)、第一安全阀(10)、甲烷排气口d，第一增压气体端口c通过第一电磁比例调节阀(8)与增压气源相连接，甲烷排气口d通过第二低温截止阀(11)与甲烷安全排放系统相连接；氧
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甲烷换热芯(4)安装于常压液氧储罐(16)内；常压液氧储罐(16)的液氧加注口e通过第四低温截止阀(15)、第二过滤器(14)、第三低温截止阀(13)与液氧槽车(12)出口相连接；常压液氧储罐(16)的液氧排放口f通过第二低温流量调节阀(18)与液氧加注管路止回阀(19)入口相连接，液氧加注管路止回阀(19)入口通过第五低温截止阀(17)与第二过滤器(14)出口相连接；常压液氧储罐(16)顶部设有第一氧气排放口g、第二氧气排放口h、第二安全阀(21)、第一液位计(22)和第二压力传感器(23)，第一氧气排放口g通过第六低温截止阀(20)与大气环境相连接，第二氧气排放口h通过第二电磁比例调节阀(24)与气氧加注管路止回阀(25)入口相连接；液氧加注管路止回阀(19)出口和气氧加注管路止回阀(25)出口通过三通混合阀(26)连接于常压氧
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氮换热芯(27)的入口i；常压氧
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氮换热芯(27)安装于常压液氮储罐(28)内，常压液氮储罐(28)的第一液氮加注口j通过第七低温截止阀(29)、第三过滤器(30)、第八低温截止阀(31)与液氮槽车(32)出口相连接；常压液氮储罐(28)顶部设有第二液位计(33)、第一氮气排放口k、第三安全阀(35)和第三压力传感器(36)，第一氮气排放口k通过第九低温截止阀(34)与大气环境相连接，常压氧
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氮换热芯(27)的出口l与负压氧
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氮换热芯(37)的入口m相连接；负压氧
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氮换热芯(37)安装于负压液氮储罐(38)内，负压液氮储罐(38)的第二液氮加注口n通过第十低温截止阀(39)与第三过滤器(30)出口相连接；负压液氮储罐(38)顶部设有第三液位计(40)、第二氮气排放口o、第四压力传感器(42)、第四安全阀(43)和第三氮气排放口p，第二氮气排放口o依次通过第十一低温截止阀(41)、抽真空设备(45)与大气环境相连接；第三氮气排放口p通过第十二低温截止阀(44)与大气环境相连接；负压氧
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氮换热芯(37)的出口q通过第二低温液体流量计(46)、低温液体循环泵(47)、第十三低温截止阀(48)与箭上液氧贮箱(49)相连接；箭上液氧贮箱(49)顶部设有第二增压气体端口r、第五压力传感器(51)、第五安全阀(52)和第三氧气排放口s，第二增压气体端口r通过第三电磁比例调节阀(50)与增压气源相连接，第三氧气排放口s通过第十四低温截止阀(53)与大气环境相连接。2.根据权利要求1所述的一种基于液氧冷量的液氧/液甲烷综合过冷系统，其特征在于：所述的低温贮箱和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。3.根据权利要求1所述的一种基于液氧冷量的液氧/液甲烷综合过冷系统，其特征在于：所述的氧
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甲烷换热芯(4)、常压氧
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氮换热芯(27)和负压氧
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氮换热芯(37)采用板翅式换热结构，或采用管壳式管热结构。4.根据权利要求1所述的一种基于液氧冷量的液氧/液甲烷综合过冷系统，其特征在于：所述的抽真空设备(45)采用多级压缩机、引射器、水环真空泵设备，抽空减压操作直接
应用于低温气体，或采用复温器对低温气体进行复温后进行。5.根据权利要求1所述的一种基于液氧冷量的液氧/液甲烷综合过冷系统，其特征在于：所述的第一安全阀(10)、第二安全阀(21)、第三安全阀(35)、第四安全阀(43)、第五安全阀(52)均为低温安全角阀，当箭上甲烷贮箱(7)、常压液氧储罐(16)、常压液氮储罐(28)、负压液氮储罐(38)或箭上液氧贮箱(49)超过安全压力上限后，对应安全阀开启。6.权利要求1所述的一种基于液氧冷量的液氧/液甲烷综合过冷系统的使用方法，包括以下步骤：第一步：液氧系统预冷与换热器加注：完成加注系统的气密性检查、吹扫和气体置换后，关闭所有阀门；打开第三低温截止阀(13)、第四...

【专利技术属性】
技术研发人员：马原，厉彦忠，孙靖阳，孙强，谢福寿，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：