一种热力学排气系统及其控制方法

1.本发明涉及一种热力学排气系统，特别涉及一种热力学排气系统及其控制方法。


背景技术：

2.低温推进剂具有燃料性能高、无毒、比冲大等特点，能很好地满足航天器有效载荷和能量密度的要求。以液氢、液氧、液态甲烷为代表的低温液体仍是未来空间航天器推进剂的首选。然而低温条件对于在轨贮箱的绝热提出了更为严格的要求。即便是绝热良好的低温储存系统，空间热环境的热泄漏小于5w/m2，仍会导致贮箱内低温推进剂局部温度上升，引起液体蒸发甚至沸腾，从而导致贮箱内压力上升，严重威胁航天器的安全。
3.由rock international corporation在公开号为us5398515的美国专利中提出的热力学排气系统(thermodynamic vent system,tvs)是能够满足上述要求的有效解决方案之一。tvs通过低温循环泵抽出一部分贮箱内的流体，并将其分为两股，其中一小股流经节流阀获得冷量并冷却另一股主流流体后排出，主流流体被冷却后经喷射杆喷射进入贮箱内并与贮箱内流体充分混合，从而实现对贮箱内流体的降温降压。然而，传统tvs系统仍存在以下问题：初始时，贮箱内气液为饱和状态，在tvs工作过程中，由于大部分低温流体(冷量)进入液体，使得液体呈现一定程度过冷，节流获得冷量未能充分利用，造成更长的tvs工作时间及排气损失，降低了tvs工作效率。


技术实现要素：

4.为克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种热力学排气系统及其控制方法，能实现对贮箱内过冷液体冷量的充分利用，有针对性和目的性地减少tvs工作时间，从而以更少的排气损失达到控温控压的目的。
5.为实现上述目的，本发明热力学排气系统：包括用于储存推进剂的贮箱，贮箱的上、下壁面分别连接有推进剂排气管和循环管路，在排气管上设置有排气口电磁阀，循环管路上设置有用于实现贮箱内推进剂循环的低温循环泵；
6.在贮箱内安装有喷射杆，喷射杆内部设置有套管式换热器，循环管路一端与贮箱相连、另一端与贮箱内的套管式换热器结壳程相连，排气管与贮箱内的套管式换热器结管程相连，喷射杆外壳上安装有喷嘴，贮箱外还设置有一端与循环管路相连、另一端与贮箱内的套管式换热器结管程相连的节流管路，在节流管路上还安装有节流阀及节流电磁阀；
7.所述贮箱上还安装有压力传感器，循环管路和节流管路上分别安装有流量传感器；
8.所述压力传感器，循环管路和节流管路上的流量传感器分别与数据采集仪相连，并将采集的数据传输给计算机。
9.所述贮箱两端为椭圆封头，中间主体为圆筒结构，贮箱上铺设有多层变密度绝热材料。
10.所述循环管路上的流量传感器布置在循环泵之前，节流管路上的流量传感器及节
流电磁阀布置在节流阀之前。
11.所述排气口电磁阀和节流电磁阀为低温电磁阀。
12.一种基于上述热力学排气系统的控制方法，包括以下步骤：
13.步骤1、计算机通过数据采集仪采集压力传感器的数据后与控压带上限p
max
、控压带下限p
min
以及临界压力p
cr
进行逻辑判断；
14.步骤2、当贮箱压力大于或等于控压带上限p
max
时，计算机发出指令，低温循环泵、节流电磁阀、节流阀以及排气口电磁阀7开启；
15.步骤3、低温推进剂在低温循环泵的作用下进入循环管路，并分为两股流体，第一股流体流经节流阀后，与第二股流体在喷射杆内的套管式换热器中进行换热，换热后，第一股流体通过排气管排出，第二股流体从喷嘴喷射进入所述贮箱内；
16.步骤4、当贮箱压力下降至临界压力p
cr
时，计算机发出指令，节流电磁阀、节流阀以及排气口电磁阀关闭，低温循环泵保持开启，低温推进剂被抽出后直接喷射进入贮箱；
17.步骤5、当贮箱压力降低至控压带下限p
min
，完成一次升降压循环后，计算机发出指令，低温循环泵关闭，进行下一周期的升降压。
18.所述临界压力p
cr
的压力值等于混合阶段有效降压速率的面积，所述临界压力p
cr
的压力值与充液率呈现负相关，与外界漏热密度呈现正相关。
19.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
20.本发明的热力学排气系统，将原有全排气过程的末期改为混合过程，充分利用排气过程形成的液体过冷度，减少由于排气造成的损失，同时利用混合过程的搅浑作用，缓解贮箱内热分层现象，延长下一周期升压时间。该种控制方法为低温推进剂的空间轨道热管理提供了新的思路，且技术上易于实现，大大提高了tvs的控温控压效率，降低能耗。
附图说明
21.图1为本发明热力学排气系统的结构示意图；
22.图2为本发明热力学排气系统控制方法的流程图；
23.图3为特定工况(70％充液率、0.2w/m2漏热密度)下排气混合模式降压器速率随时间变化曲线。
24.其中：1-贮箱，2-低温循环泵，3-节流阀，4-喷射杆，5-套管式换热器，6-排气管，7-排气口电磁阀，8-节流电磁阀，9-流量传感器，10-压力传感器，11-数据采集仪，12-计算机，13-喷嘴。
具体实施方式
25.下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。
26.如图1所示，本发明的热力学排气系统，包括贮箱1，低温循环泵2，节流阀3，喷射杆4，套管式换热器5，排气管6，排气口电磁阀7，节流电磁阀8，流量传感器9，压力传感器10，数据采集仪11，计算机12，喷嘴13。
27.其中，i区域为贮箱内部区域，ii为贮箱外部循环管路区域，iii为信号处理区域。
28.所述贮箱1为两端为椭圆封头，中间主体为圆筒的筒体结构，贮箱1为低温贮箱，其外侧铺设多层变密度绝热材料，贮箱1用于储存推进剂，贮箱1上、下壁面分别连接有推进剂
排气管6和循环管路；排气管6上设置有排气口电磁阀7，根据计算机指令完成对排气管路的控制，用于控制排气管的通断；循环管路上设置有低温循环泵2，设置在贮箱外，用于实现贮箱内推进剂的循环。
29.节流阀3设置在贮箱1外，一端与低温循环泵3相连，另一端与喷射杆4相连，作用是通过焦耳-汤姆孙效应获取冷量；
30.喷射杆4位于贮箱1内部，喷射杆4一端与循环管路相连，另一端与排气管6相连，用于主流流体降温以及温降后流体喷射；喷射杆4内嵌有套管式换热器5，其外布置有多个喷嘴13；节流后流体与主流流体在套管式换热器5内进行换热，主流流体降温后从喷嘴13喷射进入贮箱1，节流流体温升后从排气管6排出。
31.传感器包括贮箱压力的压力传感器10、推进剂循环总流量以及节流流量的流量传感器9；压力传感器10装入贮箱1内部，用于监测贮箱1内部压力；流量传感器9布置在循环泵2之前和节流阀3之前，分别用于采集循环管路推进剂总流量以及流经节流阀3的流量。
32.数据采集仪11与传感器连接，数据采集仪11采集来自压力传感器10、流量传感器9并传输给计算机12；计算机12接收来自数据采集仪11的数据，经逻辑运算之后，做出逻辑判断，并发出信号对低温循环泵2、节流阀3、节流电磁阀8以及排气口电磁阀7传输指令，控制其通断，完成热力学排气系统响应。
33.作为本发明的进一步限定，所述喷射杆4包含一个套管式换热器5以及多个喷嘴13，所述套管式换热器5主流流体流经管程，节流流体流经壳程，主流流体和节流流体在套管式换热器内顺流流动，主流流体换热后温度降低，再逆向流动达到不同喷口处，从喷嘴喷射进入贮箱内。
34.作为本发明的进一步限定，所述节流阀3前安装有节流电磁阀8，节流电磁阀受计算机12控制，实现排气过程向混合过程的转换。
35.参见图2，本发明的工作原理是：
36.初始时刻，贮箱1内低温推进剂包含气液两相，且处于饱和状态。
37.在升压过程中，由于贮箱1外壁面受到空间辐射的加热，贮箱1内低温推进剂的压力和温度缓慢上升，直至贮箱压力上升至控压带上限p
max
。
38.当贮箱压力达到p
max
后，循环泵2、节流阀3、节流电磁阀8以及排气口电磁阀7开启，tvs排气过程工作。低温推进剂从贮箱1内流出，流经低温循环泵2，此后分为两股流体，一小股流体流过节流阀3，根据焦耳-汤姆孙效应，高压流体在绝热且不对外做功条件下由于快速膨胀到低压引起温度变化，对于低温液体推进剂，其流经节流阀3温度降低，降温后的流体与另一股主流流体在套管式换热器5内进行热交换，节流流体换热后温度升高，并由排气管6排出，主流流体换热后温度降低，从开启的喷嘴13喷射进入贮箱1内，实现对贮箱的控温控压管理。
39.在降压过程中，计算机12实时采集贮箱1内压力传感器数据，当贮箱1压力下降至临界压力p
cr
时，节流阀3、节流电磁阀8以及排气口电磁阀7关闭，仅保持循环泵2开启，利用循环泵2实现贮箱内流体混合搅拌作用，进一步降低贮箱1内压力和缓解热分层现象。
40.当贮箱1内压力下降至控压带下限p
min
后，循环泵2关闭，一个升降压周期完成，贮箱1内流体基本处于饱和状态，下一个升降压周期开始。
41.临界压力p
cr
根据贮箱内的液体体积含量(充液率)以及外界辐射漏热有关，其计算
根据数值仿真结果获得。如图2所示，以70％充液率以及0.2w/m2漏热密度为例，控压带范围为100kpa-150kpa，当混合时间过长时，贮箱1压力会出现上升，因此根据降压速率的正负将混合过程分为有效混合和无效混合。有效混合与时间轴所围成的面积(阴影区域)为混合过程最大降压能力δp。临界压力p
cr
等于控压带下限p
min
与混合过程最大降压能力δp之和。在临界压力前采用排气模式，达到临界压力后采用混合模式，不仅能够确保贮箱压力降至控压下限，而且有利于缩短排气时间、减小排气损失。
42.在图3所示工况(70％充液率以及0.2w/m2漏热密度)下，控压带下限p
min
＝100kpa，混合过程最大降压能力(阴影区域面积)δp＝0.88kpa，则p
cr
等于100.88kpa，此控制方法较全排气模式减少排气损失0.17kg。
43.在相同控压范围内，临界压力p
cr
与充液率呈现负相关，与外界漏热密度呈现正相关。
[0044][0045]
传统tvs喷射模块采用全排气模式，当贮箱内温度达到控压上限p
max
时，低温循环泵2、节流阀3以及排气口电磁阀7全部开启，直至贮箱压力下降至p
min
后，循环泵2、节流阀3以及排气口电磁阀7全部关闭。
[0046]
通过对比可以发现，本发明充分运用了前期排气过程形成的液体过冷度，并通过混合过程完成对贮箱1内液体的搅浑作用；相比起传统tvs，其能减少排气过程中推进剂的排出损失，同时缓解贮箱1内液体的热分层，延长了航天器在轨运行时间，且技术上易于实现，大大提高了tvs的控温控压效率。

技术特征：
1.一种热力学排气系统，其特征在于，包括用于储存推进剂的贮箱(1)，贮箱(1)的上、下壁面分别连接有推进剂排气管(6)和循环管路，在排气管(6)上设置有排气口电磁阀(7)，循环管路上设置有用于实现贮箱(1)内推进剂循环的低温循环泵(2)；在贮箱(1)内安装有喷射杆(4)，喷射杆(4)内部设置有套管式换热器(5)，循环管路一端与贮箱(1)相连、另一端与贮箱(1)内的套管式换热器结壳程相连，排气管(6)与贮箱内的套管式换热器结管程相连，喷射杆(4)外壳上安装有喷嘴(13)，贮箱(1)外还设置有一端与循环管路相连、另一端与贮箱(1)内的套管式换热器结管程相连的节流管路，在节流管路上还安装有节流阀(3)及节流电磁阀(8)；所述贮箱(1)上还安装有压力传感器(10)，循环管路和节流管路上分别安装有流量传感器(9)；所述压力传感器(10)，循环管路和节流管路上的流量传感器(9)分别与数据采集仪(11)相连，并将采集的数据传输给计算机(12)。2.根据权利要求1所述的热力学排气系统，其特征在于，所述贮箱(1)两端为椭圆封头，中间主体为圆筒结构，贮箱(1)上铺设有多层变密度绝热材料。3.根据权利要求1所述的热力学排气系统，其特征在于，所述循环管路上的流量传感器(9)布置在循环泵(2)之前，节流管路上的流量传感器(9)及节流电磁阀(8)布置在节流阀(3)之前。4.根据权利要求1所述的热力学排气系统，其特征在于，所述排气口电磁阀(7)和节流电磁阀(8)为低温电磁阀。5.一种如权利要求1至4中任意一项热力学排气系统的控制方法，其特征在于：步骤1、计算机(12)通过数据采集仪(11)采集压力传感器(10)的数据后与控压带上限p
max
、控压带下限p
min
以及临界压力p
cr
进行逻辑判断；步骤2、当贮箱(1)压力大于或等于控压带上限p
max
时，计算机发出指令，低温循环泵(2)、节流电磁阀(8)、节流阀(3)以及排气口电磁阀(7)开启；步骤3、低温推进剂在低温循环泵(2)的作用下进入循环管路，并分为两股流体，第一股流体流经节流阀(3)后，与第二股流体在喷射杆(4)内的套管式换热器(5)中进行换热，换热后，第一股流体通过排气管(6)排出，第二股流体从喷嘴(13)喷射进入所述贮箱(1)内；步骤4、当贮箱(1)压力下降至临界压力p
cr
时，计算机发出指令，节流电磁阀(8)、节流阀(3)以及排气口电磁阀(7)关闭，低温循环泵保持开启，低温推进剂被抽出后直接喷射进入贮箱(1)；步骤5、当贮箱(1)压力降低至控压带下限p
min
，完成一次升降压循环后，计算机发出指令，低温循环泵(2)关闭，进行下一周期的升降压。6.如权利要求5所述的热力学排气系统的控制方法，其特征在于，所述临界压力p
cr
的压力值等于混合阶段有效降压速率的面积，所述临界压力p
cr
的压力值与充液率呈现负相关，与外界漏热密度呈现正相关。

技术总结
本发明公开一种热力学排气系统及其控制方法，贮箱中安装有压力传感器，节流阀前布置有节流电磁阀，数据采集器采集压力传感器数据传输给计算机，计算机通过逻辑运算控制循环泵、节流阀、节流电磁阀以及排气口电磁阀的通断，当贮箱压力上升至控压带上限时，循环泵、节流电磁阀开启，热力学排气系统工作，贮箱压力温度下降，当贮箱压力下降至临界压力时，节流电磁阀关闭，循环泵保持开启，利用液体过冷度实现贮箱压力下降，直至降至控压带下限。该种控制方法充分利用液体过冷度，实现了对冷量高效利用，减少了排气过程时间，降低排气损失，同时通过混合过程的搅浑作用，缓解贮箱内热分层现象，大大提高了热力学排气系统效率。大大提高了热力学排气系统效率。大大提高了热力学排气系统效率。


技术研发人员：杨鹏 刘迎文 郑永煜
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2022.12.19
技术公布日：2023/4/18