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、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低溫制冷單元相連，所述驅(qū)動(dòng)裝置與所述第一級低溫制冷單元相連；
[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低溫制冷單元相連，所述第二級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)裝置的第一級低溫制冷單元和所述箱內(nèi)主動(dòng)冷卻裝置的第二級低溫制冷單元為同一低溫制冷機(jī)的兩級。
[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)?、氖氣、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-第一級低溫制冷單元；
[0043]31-噴桿，32-低溫循環(huán)栗，33-第二級低溫制冷單元
【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，另一端與第一級低溫制冷單元23相連，驅(qū)動(dòng)裝置22和第一級低溫制冷單元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、?