1.本发明涉及低温推进剂贮箱在轨压力管理技术领域，具体涉及一种低温推进剂贮箱热力学排气系统。
背景技术：2.低温推进系统在轨工作期间，由于低温推进剂温度低、沸点低的特殊物性，在空间辐照、系统热部件等漏热作用影响下，低温推进剂极易升温气化，造成推进剂贮箱压力不断升高。若不采取任何压力控制措施，可能造成系统超压甚至结构破坏，严重威胁低温推进系统的在轨安全运行。
3.目前，低温推进剂贮箱压力控制技术主要分为被动式与主动式。被动式采用包裹绝热材料、安装冷屏和挡热板等被动绝热手段，主要通过降低漏热热流以降低推进剂蒸发速率。对于长期在轨任务而言，被动绝热方式并不能完全阻止外界漏热影响，故而无法避免贮箱压力的升高，当贮箱压力升高至安全限定值时，必须采取主动手段对贮箱压力进行控制。主动控压技术主要包括流体混合消除热分层、制冷机制冷降温、在轨排气降压等，热力学排气系统能够有效整合换热降温、流体混合及排气降压这三种作用，是实现低温推进剂长期在轨贮存的有效方法之一。热力学排气系统有多种结构形式，原理上主要通过节流阀装置形成一股低温分流对主流流体进行换热降温，降温后的主流流体通过喷雾棒等射流结构返回低温箱体内与箱内气液相进行混合以消除热分层，分流流体吸热升温后最终排放至系统外。
4.然而，热力学排气系统的研制过程仍存在一定的技术瓶颈，例如，热力学排气系统需要循环泵装置从贮箱内提取流体，动部件的引入将给整个系统的安全稳定性带来隐患。一方面，循环泵需要严格的气液分离与液体获取装置作为配套，为循环泵提供稳定的单相液供给；另一方面，在低温区(特别是液氢温区)工作的循环泵还需要严格的热控制技术，以避免外界漏热导致泵内形成两相流，从而引发流动不稳定、气蚀甚至结构破坏。此外，排气体统循环流体的流量、工作时间、节流流量比例等重要参数的确定并未形成系统的设计方案，节流阀节流过程的节流压比、损失等问题也需要更深入的优化研究。
技术实现要素：5.为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种低温推进剂贮箱热力学排气系统，通过集液装置规避循环泵部件以提高热力学排气系统的安全与稳定性，通过对节流压力、节流流量比及涡流管工作参数的有效控制以提高热力学排气装置的工作效率，从而提升低温推进剂贮箱在轨压力控制效果。
6.为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
7.一种低温推进剂贮箱热力学排气系统，包括低温推进剂贮箱1，低温推进剂贮箱1的底部设有集液装置2，集液装置2下方和排液管路4入口连接，排液管路4伸出低温推进剂贮箱1的底部，集液装置2的上方设有局部增压腔3，局部增压腔3与集液装置2组成封闭区
域；排液管路4出口和分流三通阀5入口连接，分流三通阀5主流出口和低温推进剂贮箱1内的套管式换热器7中心管入口连接，分流三通阀5支流出口和涡流管6高压入口端a连接，涡流管6低压低温出口端b和套管式换热器7外侧环管入口连接，涡流管6低压高温出口端c和第一排气端11连接；套管式换热器7外侧环管出口和第二排气端10连接，套管式换热器7中心管出口和喷雾棒8入口连接，喷雾棒8上设有多个射流孔9。
8.所述的低温推进剂贮箱1应用于液氢、液氢或液甲烷工质，外壁面包裹有绝热层结构。
9.所述的集液装置2位于低温推进剂贮箱1的液体出口位置，通过表面张力作用实现气液分离与液体获取，为蓄流阱、集液槽或集液海绵的结构形式，具有可重复集液性能，其最大液体蓄流量v
max
根据发动机单次起动所需的最小液体量确定。
10.所述的局部增压腔3采用液体工质蒸气或不凝性气体作为增压气体，增压过程以低温推进剂贮箱1内气枕压力pu为反馈进行调控，同时受到单次工作时间t的限制，单次工作时间t取决于集液装置2的最大液体蓄流量v
max
与热力学排气系统循环流量qv；
[0011][0012]
当贮箱压力超过压力控制上限p
max
时，开始增压，热力学排气系统启动；当达到系统单次工作时限或贮箱压力降低至安全范围内p
safe
时，停止增压，热力学排气系统关闭。
[0013]
所述的局部增压腔3所需要的增压压力p
p
根据低温推进剂贮箱1内气枕压力pu、流体密度ρ、热力学排气系统循环流量qv和热力学排气系统压力损失特性确定：
[0014][0015]
系数ζ
t
、ζ
5-9
分别代表传输管路、分流三通阀5、涡流管6、套管式换热器7、喷雾棒8和射流孔9处的压力损失系数，需根据实际结构参数确定；反之，调节循环流量通过控制增压压力来实现。
[0016]
所述的分流三通阀5将热力学排气系统循环流量qv进行分流，主流流量q
main
与支流流量q
sub
的比例通过调节阀片角度控制，保证支流流体气化潜热不超过套管式换热器7额定换热功率w，将支流流量比控制为：
[0017][0018]
安全系数α取0.7-0.8，hv和h
l
为涡流管6出口压力对应的饱和气体与饱和液体焓值。
[0019]
所述的涡流管6的进口压力根据热力学排气系统沿程压力分布计算获得，出口压力控制在对应饱和温度低于主流液体温度3-5k的范围内，涡流管6入口流量等于分流三通阀5支流流量q
sub
，冷端流量q
cold
和热端流量q
hot
的分配比例根据下式关系进行控制调节：
[0020]
[0021]
膨胀系数η根据涡流管6具体结构参数确定，h
sub
、h
cold
、h
hot
分别代表涡流管6入口流体、冷端出口流体及热端出口流体焓值；h
tsub,pout
代表涡流管6入口流体温度t
sub
及涡流管6出口压力p
out
下对应的流体焓值。
[0022]
所述的套管式换热器7采用铝合金或铜的材质，换热器长度、内外径尺寸的参数需根据实际任务中贮箱尺寸、工质类型、工质流量、系统压力的具体条件确定，采用顺流换热模型进行计算设计及额定换热功率计算。
[0023]
所述的喷雾棒8与套管式换热器7采用同种材料，喷雾棒8的尺寸、射流孔9的孔径、孔数与间距的参数需根据实际任务中贮箱尺寸、射流流量、贮箱压力的具体条件确定，采用孔排出流模型进行计算设计。
[0024]
本发明的有益效果：
[0025]
1.本发明采用局部增压腔3，以压差驱动方式代替循环泵驱动方式，规避了动机械的不稳定性及安全隐患，也避免了低温循环泵的研制困难及热控制困难；
[0026]
2.本发明采用涡流管6代替传统节流阀，通过热质分离作用在分流一股高温气体的同时，进一步降低了低温分流的焓值，提高了套管式换热器7内低温冷能，可以有效提高主流流体的降温效果，强化主流返回低温推进剂贮箱1后的混合降温效果；
[0027]
3.本发明提出了热力学排气系统中增压压力、分流阀流量分配、涡流管压比、涡流管冷/热端分流比例的关键参数的控制方法，以保障系统的安全高效运行，同时指导热力学排气系统方案设计、工况参数设计及核心部件选型。
附图说明
[0028]
图1是本发明实施例的结构示意图。
具体实施方式
[0029]
下面结合附图和实施例来进一步说明本发明的技术方案。
[0030]
参照图1，一种低温推进剂贮箱热力学排气系统，包括低温推进剂贮箱1，低温推进剂贮箱1的底部设有集液装置2，集液装置2下方和排液管路4入口连接，排液管路4伸出低温推进剂贮箱1的底部，集液装置2的上方设有局部增压腔3，局部增压腔3与集液装置2组成封闭区域；通过向局部增压腔3注入增压气体在局部增压腔与低温推进剂贮箱1间建立压差，以驱动集液装置2内蓄流的单相液体由排液管路4排出；排液管路4出口和分流三通阀5入口连接，分流三通阀5主流出口和低温推进剂贮箱1内的套管式换热器7中心管入口连接，分流三通阀5支流出口和涡流管6高压入口端a连接，涡流管6低压低温出口端b和套管式换热器7外侧环管入口连接，涡流管6低压高温出口端c和第一排气端11连接；套管式换热器7外侧环管出口和第二排气端10连接，套管式换热器7中心管出口和喷雾棒8入口连接，喷雾棒8上设有多个射流孔9；分流三通阀5将排液管路4排出的液体分流为支流和主流两股流体，支流由高压入口端a进入涡流管6后部分进入套管式换热器7外侧环管，主流流入套管式换热器7中心管，套管式换热器7中心管内的主流液体经冷却降温后进入喷雾棒8，由射流孔9以射流形式返回低温推进剂贮箱1内。
[0031]
所述的低温推进剂贮箱1应用于液氢、液氢、液甲烷等工质，外壁面包裹有绝热层结构。
[0032]
所述的集液装置2位于低温推进剂贮箱1的液体出口位置，通过表面张力作用实现气液分离与液体获取，为蓄流阱、集液槽、集液海绵等结构形式，具有可重复集液性能，可分别服务于本热力学排气系统和推进系统发动机在轨起动的液体供给，其最大液体蓄流量v
max
(即结构尺寸)根据发动机单次起动所需的最小液体量确定，无需针对热力学排气系统额外增加蓄流要求及装置尺寸。
[0033]
所述的局部增压腔3采用液体工质蒸气或氦气等不凝性气体作为增压气体，增压过程以低温推进剂贮箱1内气枕压力pu为反馈进行调控，同时受到单次工作时间t的限制，单次工作时间t取决于集液装置2的最大液体蓄流量v
max
与热力学排气系统循环流量qv；
[0034][0035]
当贮箱压力超过压力控制上限p
max
时，开始增压，热力学排气系统启动；当达到系统单次工作时限或贮箱压力降低至安全范围内p
safe
时，停止增压，热力学排气系统关闭。
[0036]
所述的局部增压腔3所需要的增压压力p
p
根据低温推进剂贮箱1内气枕压力pu、流体密度ρ、热力学排气系统循环流量qv和热力学排气系统压力损失特性确定：
[0037][0038]
系数ζ
t
、ζ
5-9
分别代表传输管路、分流三通阀5、涡流管6、套管式换热器7、喷雾棒8和射流孔9处的压力损失系数，需根据实际结构参数确定；反之，调节循环流量通过控制增压压力来实现。
[0039]
所述的分流三通阀5将热力学排气系统循环流量qv进行分流，主流流量q
main
与支流流量q
sub
的比例通过调节阀片角度控制，支流流量越多，使主流降低至更低温度以增强冷射流的热分层消除效果，但同时也会引起排气流量的增加；为保证支流流体能够完全气化，需保证支流流体气化潜热不超过套管式换热器7额定换热功率w，将支流流量比控制为：
[0040][0041]
安全系数α取0.7-0.8，hv和h
l
为涡流管6出口压力对应的饱和气体与饱和液体焓值。
[0042]
所述的涡流管6为特种膨胀部件，能够将高压入口端a的高压液体分流为一股低压低温两相流和一股低压高温气体，分别由低压低温出口端b和低压高温出口端c处流出；低压高温出口端c处气体温度高于分流三通阀5主流区温度，不具有冷却主流的能力，直接通过第一排气端11排放，后续可用于蒸汽冷却屏、姿态控制等；低压低温出口端b处流体温度低于分流三通阀5主流区温度，进入套管式换热器7外侧环管内，能够对中内管主流流体进行换热降温，吸热升温并完全气化后，由第二排气端10排放，后续可用于蒸汽冷却屏、姿态控制等；涡流管6的进口压力根据热力学排气系统沿程压力分布计算获得，出口压力控制在对应饱和温度低于主流液体温度3-5k的范围内，涡流管6入口流量等于分流三通阀5支流流量q
sub
，冷端流量q
cold
和热端流量q
hot
的分配比例根据下式关系进行控制调节：
[0043][0044]
膨胀系数η根据涡流管6具体结构参数确定，h
sub
、h
cold
、h
hot
分别代表涡流管6入口流体、冷端出口流体及热端出口流体焓值；h
tsub,pout
代表涡流管6入口流体温度t
sub
及涡流管6出口压力p
out
下对应的流体焓值。
[0045]
所述的套管式换热器7采用铝合金、铜等材质，换热器长度、内外径尺寸等参数需根据实际任务中贮箱尺寸、工质类型、工质流量、系统压力等具体条件确定，采用顺流换热模型进行计算设计及额定换热功率计算。
[0046]
所述的喷雾棒8与套管式换热器7采用同种材料，喷雾棒8的尺寸、射流孔9的孔径、孔数与间距等参数需根据实际任务中贮箱尺寸、射流流量、贮箱压力等具体条件确定，采用孔排出流模型进行计算设计。
[0047]
本发明的工作原理是：
[0048]
在持续的漏热影响下，低温推进剂不断升温气化，当低温推进剂贮箱1气枕压力逐渐升高至压力控制上限时，开始对集液装置2的局部增压腔3通入气体进行增压；当局部增压腔3与低温推进剂贮箱1气枕之间建立稳定压差后，集液装置2内的液体将在压差驱动作用下由排液管路4排出进入热力学排气系统管路；排出的液体通过分流三通阀5分为主流和支流两股流体，主流进入低温推进剂贮箱1内套管式换热器7的中心管，支流进入涡流管6，在涡流管6的热质分离作用下，支流被进一步分离为一股高温低压气体和低温低压流体(气液两相)，高温低压气体直接排放，低温低压流体进入套管式换热器7的外侧环管；套管式换热器7中心管走温度较高的主流流体，与外侧环管低温低压流体进行热交换后温度逐渐降低，最终以较低温度进入喷雾棒8，并通过射流孔9喷射至低温推进剂贮箱1气枕区和液相区；低温射流与低温推进剂贮箱1内温度较高的流体发生混合与热交换，通过消除热分层、提高液体过冷度、促进气枕温度冷凝等方式降低贮箱压力；当贮箱压力降低至安全范围内后，停止增压，热力学排气系统随之停止工作；套管式换热器外侧环管的两相流体通过与主流高温流体换热逐渐升温并完全气化后排放；若完全消耗集液装置2内蓄流液体后贮箱压力仍没有达到安全压力目标时，同样停止集液装置2，集液装置2在表面张力作用下逐渐恢复蓄流状态。热力学排气系统停止工作后，贮箱压力将在漏热作用下逐渐回升，当再次升高至压力控制上限时，再次通过向局部增压腔3增压以启动热力学排气系统，通过换热后的低温射流对低温推进剂贮箱1进行降压控制，并以压力是否降低至目标值或是否达到系统单次运行时间为依据控制热力学排气系统的停机；如此反复，实现对低温推进剂贮箱压力的安全控制。
技术特征：1.一种低温推进剂贮箱热力学排气系统，包括低温推进剂贮箱(1)，其特征在于：低温推进剂贮箱(1)的底部设有集液装置(2)，集液装置(2)下方和排液管路(4)入口连接，排液管路(4)伸出低温推进剂贮箱(1)的底部，集液装置(2)的上方设有局部增压腔(3)，局部增压腔(3)与集液装置(2)组成封闭区域；排液管路(4)出口和分流三通阀(5)入口连接，分流三通阀(5)主流出口和低温推进剂贮箱(1)内的套管式换热器(7)中心管入口连接，分流三通阀(5)支流出口和涡流管(6)高压入口端a连接，涡流管(6)低压低温出口端b和套管式换热器(7)外侧环管入口连接，涡流管(6)低压高温出口端c和第一排气端(11)连接；套管式换热器(7)外侧环管出口和第二排气端(10)连接，套管式换热器(7)中心管出口和喷雾棒(8)入口连接，喷雾棒(8)上设有射流孔(9)。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的低温推进剂贮箱(1)应用于液氢、液氢或液甲烷工质，外壁面包裹有绝热层结构。3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的集液装置(2)位于低温推进剂贮箱(1)的液体出口位置，通过表面张力作用实现气液分离与液体获取，为蓄流阱、集液槽或集液海绵的结构形式，具有可重复集液性能，其最大液体蓄流量v
max
根据发动机单次起动所需的最小液体量确定。4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于：所述的局部增压腔3采用液体工质蒸气或不凝性气体作为增压气体，增压过程以低温推进剂贮箱(1)内气枕压力p
u
为反馈进行调控，同时受到单次工作时间t的限制，单次工作时间t取决于集液装置(2)的最大液体蓄流量v
max
与排气系统循环流量q
v
；当贮箱压力超过压力控制上限p
max
时，开始增压，热力学排气系统启动；当达到系统单次工作时限或贮箱压力降低至安全范围内p
safe
时，停止增压，热力学排气系统关闭。5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于：所述的局部增压腔(3)所需要的增压压力p
p
根据低温推进剂贮箱(1)内气枕压力p
u
、流体密度ρ、热力学排气系统循环流量q
v
和热力学排气系统压力损失特性确定：系数ζ
t
、ζ
5-9
分别代表传输管路、分流三通阀(5)、涡流管(6)、套管式换热器(7)、喷雾棒(8)和射流孔(9)处的压力损失系数，需根据实际结构参数确定；反之，调节循环流量通过控制增压压力来实现。6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于：所述的分流三通阀(5)将热力学排气系统循环流量q
v
进行分流，主流流量q
main
与支流流量q
sub
的比例通过调节阀片角度控制，保证支流流体气化潜热不超过套管式换热器(7)额定换热功率w，将支流流量比控制为：安全系数α取0.7-0.8，h
v
和h
l
为涡流管(6)出口压力对应的饱和气体与饱和液体焓值。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的涡流管(6)的进口压力根据热力学排气系统沿程压力分布计算获得，出口压力控制在对应饱和温度低于主流液体温度3-5k的范围内，涡流管(6)入口流量等于分流三通阀(5)支流流量q
sub
，冷端流量q
cold
和热端流量q
hot
的分配比例根据下式关系进行控制调节：膨胀系数η根据涡流管(6)具体结构参数确定，h
sub
、h
cold
、h
hot
分别代表涡流管(6)入口流体、冷端出口流体及热端出口流体焓值；h
tsub,pout
代表涡流管(6)入口流体温度t
sub
及涡流管(6)出口压力p
out
下对应的流体焓值。8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的套管式换热器(7)采用铝合金或铜的材质，换热器长度、内外径尺寸的参数需根据实际任务中贮箱尺寸、工质类型、工质流量、系统压力的具体条件确定，采用顺流换热模型进行计算设计及额定换热功率计算。9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的喷雾棒(8)与套管式换热器(7)采用同种材料，喷雾棒(8)的尺寸、射流孔(9)的孔径、孔数与间距的参数需根据实际任务中贮箱尺寸、射流流量、贮箱压力的具体条件确定，采用孔排出流模型进行计算设计。
技术总结一种低温推进剂贮箱热力学排气系统，包括低温推进剂贮箱，低温推进剂贮箱底部设有集液装置，集液装置下方和排液管路入口连接，集液装置的上方设有局部增压腔，局部增压腔与集液装置组成封闭区域；排液管路出口和分流三通阀入口连接，分流三通阀主流出口和低温推进剂贮箱内的套管式换热器中心管入口连接，分流三通阀支流出口和涡流管高压入口端连接，涡流管低压低温出口端和套管式换热器外侧环管入口连接，涡流管低压高温出口端和第一排气端连接；套管式换热器外侧环管出口和第二排气端连接，套管式换热器中心管出口和喷雾棒入口连接，喷雾棒上设有射流孔；本发明能够提高热力学排气系统的安全性及工作效率，提升低温推进剂贮箱在轨压力控制效果。在轨压力控制效果。在轨压力控制效果。
技术研发人员：马原 宋昱龙 厉彦忠 谢福寿 王磊
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2022.04.08
技术公布日：2022/7/5
