一種用于長期在軌貯存低溫液體的裝置及其冷卻方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及航空航天技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于長期在軌貯存低溫液體的裝置及其冷卻方法。
【背景技術(shù)】
[0002]低溫推進(jìn)劑長時(shí)間在軌貯存技術(shù)可以應(yīng)用于上面級(jí)、探月、深空探測器、空間燃料站等多個(gè)航天領(lǐng)域。低溫推進(jìn)劑(如本發(fā)明的目標(biāo)對象液氧)的特點(diǎn)是具有較低的沸點(diǎn)，盡管絕熱技術(shù)的發(fā)展能使低溫貯箱的絕熱性能達(dá)到很高的水平，但還是或多或少會(huì)存在蒸發(fā)，致使箱內(nèi)壓力上升。為確保低溫貯箱的安全，當(dāng)箱內(nèi)壓力上升到一定值時(shí)，傳統(tǒng)的方式是通過排氣，對箱內(nèi)液體冷卻的同時(shí)控制貯箱內(nèi)壓力。但是定期的排氣使得航天器在長時(shí)間的在軌運(yùn)行中，低溫液體會(huì)大量損失，低溫液體利用率會(huì)大大減小。
[0003]另外，在太空環(huán)境中，低溫液體的排放存在著其他潛在危險(xiǎn)。首先，微重力環(huán)境使氣液界面不確定，若無氣液分離器，排氣過程中將有大量液體被排出。其次，排出的氣體由于微重力的影響會(huì)彌漫在航天器周圍，如果是易燃易爆的低溫推進(jìn)劑，將嚴(yán)重危害航天器以及宇航員的安全。另外，定期的排放使低溫液體的攜帶量需要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于額定需液量，這就直接影響到貯箱的質(zhì)量，增加了運(yùn)行負(fù)荷，大大增加了發(fā)射費(fèi)用。
[0004]因此，急需提供一種有效減少低溫液體蒸發(fā)、減少攜帶量，進(jìn)而降低發(fā)射費(fèi)用的用于貯存低溫液體的裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提出一種用于長期在軌貯存低溫液體的裝置及其冷卻方法，采用箱外主動(dòng)熱防護(hù)和箱內(nèi)主動(dòng)冷卻的聯(lián)合運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)冷量的高效利用，實(shí)現(xiàn)了低溫液體長期在軌的零蒸發(fā)存儲(chǔ)，減少了低溫液體攜帶量，節(jié)省了發(fā)射費(fèi)用。
[0006]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0007]本發(fā)明提供一種用于長期在軌貯存低溫液體的裝置，其包括:貯存箱、箱外主動(dòng)熱防護(hù)裝置以及箱內(nèi)主動(dòng)冷卻裝置，
[0008]所述貯存箱用于貯存低溫液體；
[0009]所述箱外主動(dòng)熱防護(hù)裝置設(shè)置于所述貯存箱的外部，用于利用循環(huán)介質(zhì)對所述貯存箱的外壁進(jìn)行循環(huán)冷卻；
[0010]所述箱內(nèi)主動(dòng)冷卻裝置設(shè)置于所述貯存箱的內(nèi)部，用于對所述貯存箱的內(nèi)部的低溫液體進(jìn)行循環(huán)冷卻。
[0011]較佳地，所述箱外主動(dòng)熱防護(hù)裝置包括:冷卻管路、驅(qū)動(dòng)裝置以及第一級(jí)低溫制冷單元;其中，
[0012]所訴冷卻管路設(shè)置在所述貯存箱的外側(cè)，所述冷卻管路的一端與所述驅(qū)動(dòng)裝置相連，另一端與所述第一級(jí)低溫制冷單元相連，所述驅(qū)動(dòng)裝置與所述第一級(jí)低溫制冷單元相連；
[0013]所述冷卻管路與所述驅(qū)動(dòng)裝置以及所述第一級(jí)低溫制冷單元組成第一循環(huán)回路，所述循環(huán)介質(zhì)在所述第一循環(huán)回路中循環(huán)。
[0014]較佳地，所述冷卻管路包括多根冷卻管，所述多根冷卻管沿所述貯存箱的外壁為等距分布。
[0015]較佳地，所述第一低溫制冷單元與所述貯存箱之間的管路上設(shè)置有第一溫度傳感器，和/或所述驅(qū)動(dòng)裝置與所述第一級(jí)低溫制冷單元之間的管路上設(shè)置有第二溫度傳感器；設(shè)置第一溫度傳感器和第二溫度傳感器可以實(shí)時(shí)采集貯存箱所述第一循環(huán)回路中的工況數(shù)據(jù)，根據(jù)其采集的溫度信息可以對貯存箱所述第一循環(huán)回路中循環(huán)工質(zhì)的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，對冷卻系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。
[0016]較佳地，所述貯存箱的外側(cè)設(shè)置有絕熱結(jié)構(gòu)，所述冷卻管路位于所述貯存箱和所述絕熱結(jié)構(gòu)之間。
[0017]較佳地，所述箱內(nèi)主動(dòng)冷卻裝置包括:噴桿、低溫循環(huán)栗以及第二級(jí)低溫制冷單元;其中，
[0018]所述噴桿的頂端位于所述貯存箱中，所述噴桿的底端從所述貯存箱中穿出與所述第二級(jí)低溫制冷單元相連，所述第二級(jí)低溫制冷單元與所述貯存箱相連；
[0019]所述貯存箱、所述噴桿以及所述第二級(jí)低溫制冷單元組成第二循環(huán)回路，所述低溫液體在所述第二循環(huán)回路中循環(huán)，所述低溫循環(huán)栗設(shè)置在所述第二循環(huán)回路的位于所述貯存箱外的部分，用于將所述低溫液體從所述貯存箱中抽出。
[0020]采用噴桿式強(qiáng)制循環(huán)冷卻系統(tǒng)，不僅能對貯存箱內(nèi)的低溫液體進(jìn)行冷卻，還能起到混流的作用，打破貯存箱內(nèi)存在的熱分層現(xiàn)象。
[0021]較佳地，所述噴桿上的多個(gè)孔的方向不同，且多個(gè)孔沿所述貯存箱從上至下的間距越來越大。
[0022]較佳地，所述噴桿上設(shè)置有壓力傳感器；當(dāng)所述壓力傳感器監(jiān)測到的壓力大于等于預(yù)設(shè)的閾值上限時(shí)，所述箱內(nèi)主動(dòng)冷卻裝置開啟；當(dāng)所述壓力傳感器監(jiān)測到的壓力小于等于預(yù)設(shè)的閾值下限時(shí)，所述箱內(nèi)主動(dòng)冷卻裝置關(guān)閉，如此循環(huán)。采用壓力傳感器實(shí)現(xiàn)了對箱內(nèi)主動(dòng)冷卻裝置的智能控制，不僅實(shí)現(xiàn)了對低溫液體的冷卻，還能夠使貯存箱內(nèi)的壓力始終保持在理想狀態(tài)，延長了貯存箱的使用壽命。
[0023]較佳地，所述噴桿上設(shè)置有第三溫度傳感器，其可以實(shí)時(shí)采集貯存箱的工況數(shù)據(jù)，根據(jù)其采集的溫度信息可以對貯存箱的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，可以對冷卻系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。
[0024]較佳地，所述箱外主動(dòng)熱防護(hù)裝置的第一級(jí)低溫制冷單元和所述箱內(nèi)主動(dòng)冷卻裝置的第二級(jí)低溫制冷單元為同一低溫制冷機(jī)的兩級(jí)。
[0025]較佳地，所述第一循環(huán)回路中的循環(huán)工質(zhì)可以為氮?dú)狻⒛蕷?、氦氣等低溫氣體。
[0026]本發(fā)明還提供一種用于長期在軌貯存低溫液體的裝置的冷卻方法，其包括以下流程:
[0027]Sll:利用循環(huán)介質(zhì)在設(shè)置在貯存箱外的箱外主動(dòng)熱防護(hù)裝置中循環(huán)，對貯存箱的外壁進(jìn)行冷卻；
[0028]S12:所述貯存箱中貯存的低溫液體在設(shè)置在貯存箱內(nèi)的箱內(nèi)主動(dòng)冷卻裝置中循環(huán)，對所述貯存箱內(nèi)的所述低溫液體進(jìn)行冷卻。
[0029]所述流程Sll和流程S12不分先后順序。
[0030]較佳地，所述流程S12采用間隙式運(yùn)行方式，當(dāng)所述貯存箱內(nèi)的壓力大于等于預(yù)設(shè)的閾值上限時(shí)，開啟箱內(nèi)主動(dòng)冷卻裝置；當(dāng)所述貯存箱內(nèi)的壓力小于等于預(yù)設(shè)的閾值下限時(shí)，關(guān)閉所述箱內(nèi)主動(dòng)冷卻裝置。
[0031]相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0032](I)本發(fā)明提供的用于貯存低溫液體的裝置及其冷卻方法，采用箱外主動(dòng)熱防護(hù)和箱內(nèi)主動(dòng)冷卻的聯(lián)合運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)冷量的高效利用，實(shí)現(xiàn)了低溫液體長期在軌的零蒸發(fā)存儲(chǔ)，大大提高了低溫液體的利用率，與常規(guī)的排氣系統(tǒng)相比，減少了低溫液體的攜帶量，進(jìn)而減小了運(yùn)行負(fù)荷，節(jié)省了發(fā)射費(fèi)用；
[0033](2)本發(fā)明一方面采用箱外主動(dòng)熱防護(hù)裝置提供隔熱防護(hù)，減少貯存箱的漏熱量；另一方面采用箱內(nèi)主動(dòng)冷卻系統(tǒng)對貯存箱內(nèi)由于漏熱逐漸升高的壓力進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了低溫液體長期在軌的零蒸發(fā)存儲(chǔ)，降低了因?yàn)榕艢鈳淼陌踩[患；
[0034](3)本發(fā)明的箱內(nèi)主動(dòng)冷卻裝置采用噴桿式強(qiáng)制循環(huán)冷卻，其能對貯存箱內(nèi)低溫液體進(jìn)行冷卻的同時(shí)，還能起到混流作用，打破貯存箱內(nèi)存在的熱分層現(xiàn)象，達(dá)到更好的冷卻效果。
[0035]當(dāng)然，實(shí)施本發(fā)明的任一產(chǎn)品并不一定需要同時(shí)達(dá)到以上所述的所有優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說明】
[0036]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施方式作進(jìn)一步說明:
[0037]圖1為本發(fā)明的實(shí)施例1用于長期在軌貯存低溫液體的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0038]圖2為本發(fā)明的實(shí)施例2的箱內(nèi)主動(dòng)冷卻裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0039]圖3為本發(fā)明的實(shí)施例3的用于長期在軌貯存低溫液體的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0040]圖4為本發(fā)明的實(shí)施例3的箱內(nèi)主動(dòng)冷卻裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0041 ]標(biāo)號(hào)說明:1-1C存箱，4-制冷機(jī)，5-散熱器
[0042]21-冷卻管路，22-驅(qū)動(dòng)裝置，23-第一級(jí)低溫制冷單元；
[0043]31-噴桿，32-低溫循環(huán)栗，33-第二級(jí)低溫制冷單元
【具體實(shí)施方式】
[0044]下面對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
[0045]本發(fā)明的用于長期在軌貯存低溫液體的裝置包括:貯存箱、箱外主動(dòng)熱防護(hù)裝置以及箱內(nèi)主動(dòng)冷卻裝置;貯存箱用于貯存低溫液體;箱外主動(dòng)熱防護(hù)裝置設(shè)置于貯存箱的外部，用于利用循環(huán)介質(zhì)對貯存箱的外壁進(jìn)行循環(huán)冷卻;箱內(nèi)主動(dòng)冷卻裝置設(shè)置于貯存箱的內(nèi)部，用于對貯存箱的內(nèi)部的低溫液體進(jìn)行循環(huán)冷卻?，F(xiàn)有的貯存箱的冷卻方式大多采用被動(dòng)式的蒸汽冷卻屏技術(shù)，即在貯存箱的外部設(shè)置絕熱保護(hù)層，以隔離外界的熱量，實(shí)現(xiàn)對貯存箱的熱防護(hù)，此被動(dòng)冷卻方式可控性差、冷卻效率低;本發(fā)明在貯存箱的原系統(tǒng)基礎(chǔ)上，增加了箱外主動(dòng)熱防護(hù)和箱內(nèi)主動(dòng)冷卻，通過內(nèi)外部的雙重主動(dòng)方式的聯(lián)合運(yùn)行實(shí)現(xiàn)了冷量的高效利用，更好的實(shí)現(xiàn)了低溫液體的貯存。本發(fā)明的箱外主動(dòng)熱防護(hù)裝置和箱內(nèi)主動(dòng)冷卻裝置可以有很多種實(shí)現(xiàn)方式，下面結(jié)合具體實(shí)施例對其進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0046]實(shí)施例1:
[0047]結(jié)合圖1，對本發(fā)明的用于貯存低溫液體的裝置進(jìn)行詳細(xì)描述，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。
[0048]本實(shí)施例中，箱外主動(dòng)熱防護(hù)裝置包括:冷卻管路21，驅(qū)動(dòng)裝置22，第一低溫制冷單元23，冷卻管路21貼在貯存箱I的外壁，本實(shí)施例中冷卻管路包括多根，等間隔垂直貼在貯存箱I的外壁上，冷卻管路21的一端與驅(qū)動(dòng)裝置22相連，另一端與第一級(jí)低溫制冷單元23相連，驅(qū)動(dòng)裝置22和第一級(jí)低溫制冷單元23相連。冷卻管路21、驅(qū)動(dòng)裝置22以及第一級(jí)低溫制冷單元23組成第一循環(huán)回路，循環(huán)工質(zhì)在第一循環(huán)回路中循環(huán)，循環(huán)工質(zhì)在第一級(jí)低溫制冷單元23中進(jìn)行換熱，冷卻后的循環(huán)工質(zhì)再通過冷卻管路21，進(jìn)而起到對貯存箱I的熱防護(hù)作用。
[0049]不同實(shí)施例中，循環(huán)工質(zhì)可以為氮?dú)?、氖氣、?