空间发动机预冷系统、工作方法及航天器与流程

1.本发明涉及低温空间推进系统预冷系统领域，具体地，涉及空间发动机预冷系统、工作方法及航天器。


背景技术：

2.低温推进系统具有高比冲、绿色清洁、可重复使用、便于轨姿控一体化设计等优势，是未来航天动力的重点发展方向之一。空间低温推进系统服务航天器姿轨控，在调姿轨控时需随时能够保持推力的输出，因此要求姿控和轨控发动机能够随时启动，或者能够精确控制在轨状态和相应的冷却时间。
3.低温发动机(如液氢液氧、液氧甲烷)虽然比冲高，但由于在轨期间发动机需要预冷，发射时携带的推进剂部分要用于提供冷量，因此降低了推进剂系统的效率。目前低温发动机主要用于运载火箭，以大推力发动机为主，其预冷方式为推进剂流动冷却，如专利cn107843434a提出，用大流量预冷搭配小流量预冷的方案来节省预冷的推进剂量。
4.空间低温推进系统有在轨时间长、启动时间不确定、推进剂总携带质量有限等特点，对于用于预冷的推进剂量亟需进行优化，采用流动冷却相当于将推进剂直接排出推进系统，造成浪费，可能存在冷量利用不充分等缺点。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种空间发动机预冷系统、工作方法及航天器。
6.根据本发明提供的一种空间发动机预冷系统，包括：贮箱、发动机、换热回路换热段以及双层传输管；
7.所述换热回路换热段设置在所述发动机周侧或内部；
8.所述贮箱连通所述发动机，所述贮箱和所述发动机之间设置所述双层传输管；
9.所述换热回路换热段和所述贮箱之间设置回路，所述回路的一条流道通过所述双层传输管连通所述贮箱，所述回路为单向流动。
10.优选地，所述双层传输管包括：双层传输管内层和双层传输管夹层；
11.所述双层传输管内侧壁上设置所述双层传输管夹层，所述双层传输管夹层所形成管路内部设置所述双层传输管内层。
12.优选地，所述双层传输管中心流道一端连通所述贮箱，另一端连接主路一端，所述主路另一端连接所述发动机。
13.优选地，所述主路上设置流动冷却阀。
14.优选地，所述回路由所述双层传输管夹层引出后与所述换热回路换热段一端连接的为毛细旁路，所述换热回路换热段另一端与所述贮箱连接的为回流流道；
15.所述毛细旁路上设置单向阀和温度保持阀，所述温度保持阀设置在靠近所述双层传输管夹层一侧，温度保持阀用于开启温度保持回路(换热回路)。
16.优选地，所述双层传输管夹层的本体内填充多孔结构，所述双层传输管夹层允许通过所述多孔结构的毛细作用从所述双层传输管内层吸取液体。
17.优选地，所述多孔结构采用金属丝编织或堆叠材料。
18.优选地，所述回路为单向流动，自双层传输管夹层引出，流动至发动机进行换热，再流回贮箱。
19.优选地，一种所述空间发动机预冷系统的工作方法，包括以下步骤：
20.步骤s1，刚入轨时，发动机需要工作时开启所述流动冷却阀，液体通过所述双层传输管和所述主路从所述贮箱流向所述发动机并对所述发动机处进行预冷；
21.步骤s2，入轨发动机关机后，当较长时间保持关闭发动机时，开启所述温度保持阀并关闭所述流动冷却阀，所述双层传输管夹层通过多孔结构的毛细作用吸取所述双层传输管内层的液体，所述双层传输管夹层的液体通过所述毛细旁路进入所述换热回路换热段，液体换热相变后局部蒸汽压提高，将换热后的蒸汽通过所述回流流道送至贮箱内，蒸汽冷凝成为液体；
22.步骤s3，当需要多次使用发动机时，打开所述流动冷却阀，用小流量对发动机进行流动冷却。
23.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
24.1、本发明在微重力下利用毛细作用给毛细旁路管道提供驱动力，不耗费额外能量；
25.2、本发明用于空间低温推进系统的发动机温度保持，通过毛细作用和换热蒸汽压力形成闭环驱动，不浪费低温推进剂；
26.3、本发明可根据发动机的使用模式，采取不同的冷却方式，优化推进剂的冷量使用。
附图说明
27.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
28.图1为预冷系统原理图；
29.图2为双层传输管剖视图；
30.图中所示：
31.具体实施方式
32.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
33.实施例1
34.如图1所示，本实施例包括：贮箱1、发动机2、换热回路换热段3以及双层传输管7；换热回路换热段3设置在发动机2周侧或内侧，贮箱1连通发动机2，贮箱1和发动机2之间设置双层传输管7，换热回路换热段3和贮箱1之间设置回路，回路的一条流道通过双层传输管7连通贮箱1。双层传输管7中心流道一端连通贮箱1，另一端连接主路5一端，主路5另一端连接发动机2，主路5上设置流动冷却阀8。
35.如图2所示，双层传输管7包括：双层传输管内层12和双层传输管夹层9；双层传输管7内侧壁上设置双层传输管夹层9，双层传输管夹层9所形成管路内部设置双层传输管内层12。双层传输管夹层9的本体内填充多孔结构，双层传输管夹层9允许通过多孔结构的毛细作用从双层传输管内层12吸取液体。多孔结构采用金属丝编织或堆叠材料。
36.回路由双层传输管夹层9引出后与换热回路换热段3一端连接的为毛细旁路6，换热回路换热段3另一端与贮箱1连接的为回流流道4；毛细旁路6上设置单向阀10和温度保持阀11，温度保持阀11设置在靠近双层传输管夹层9一侧。
37.本实施例还提供了在各工作模式下空间发动机预冷系统的工作方法，包括以下步骤：
38.模式一，刚入轨时，发动机需要工作时开启流动冷却阀8，液体通过双层传输管7和主路5从贮箱1流向发动机2并对发动机2处进行预冷；
39.模式二，入轨发动机关机后，当较长时间保持关闭发动机时，开启温度保持阀11，双层传输管夹层9通过多孔结构的毛细作用吸取双层传输管内层12的液体，双层传输管夹层9的液体通过毛细旁路6进入换热回路换热段3，液体换热相变后局部蒸汽压提高，将换热后的蒸汽通过回流流道4送至贮箱1内，蒸汽冷凝成为液体；
40.模式三，当需要多次使用发动机时，打开流动冷却阀8，用小流量对发动机进行流动冷却(在空间首次启动需花费较多流体进行冷却，经过温度保持后的发动机温度比入轨要低，但是每次开启都要用低温流体过一遍，使温度完全降到位)。
41.实施例2
42.实施例2作为实施例1的优选例。
43.如图1和图2所示，本实施例可以在微重力环境中利用双层传输管夹层9毛细作用向换热回路换热段3输送流体，给发动机2处提供冷量，保持空间发动机2温度，包括：双层传输管7、主路5上的流动冷却阀8、毛细旁路6、换热回路换热段3、控制毛细旁路6开关的温度保持阀11及单向阀10。换热回路换热段3可以根据需求设置在发动机的不同部位，或者与发动机一体集成。
44.主路5上设置双层传输管7，双层传输管7的双层传输管夹层9填充金属丝编织或堆叠材料，达到一定的孔隙率和芯吸速率；毛细旁路6由双层传输管夹层9外层开口引出，液体从毛细旁路6流向发动机处换热汽化后，推动流体回到贮箱1后冷凝回液体。
45.毛细旁路6带有单向阀10，液体仅可从双层传输管7向换热回路换热段3单向流动，毛细旁路6的温度保持阀11控制毛细旁路6的开关，根据需要随时开启及关闭温度保持功能。
46.预冷系统的使用方法如下：
47.模式一，刚入轨时，发动机需要工作时开启流动冷却阀8，对发动机2处进行快速预冷；
48.模式二，入轨后发动机关机后，如果较长时间保持关闭，则开启温度保持阀门11，金属丝形成的多孔结构存在毛细作用，将液体吸至双层传输管夹层9，继而通过毛细旁路6进入换热回路换热段3，液体换热相变后，局部蒸汽压提高，则将换热后的蒸汽送至贮箱1内，蒸汽冷凝成为液体；
49.模式三，如果在较短时间内需要多次使用，则打开流动冷却阀8，用小流量对发动机2进行流动冷却。
50.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
51.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

技术特征：
1.一种空间发动机预冷系统，其特征在于，包括：贮箱(1)、发动机(2)、换热回路换热段(3)以及双层传输管(7)；所述换热回路换热段(3)设置在所述发动机(2)周侧或内部；所述贮箱(1)连通所述发动机(2)，所述贮箱(1)和所述发动机(2)之间设置所述双层传输管(7)；所述换热回路换热段(3)和所述贮箱(1)之间设置回路，所述回路的一条流道通过所述双层传输管(7)连通所述贮箱(1)。2.根据权利要求1所述空间发动机预冷系统，其特征在于，所述双层传输管(7)包括：双层传输管内层(12)和双层传输管夹层(9)；所述双层传输管(7)内侧壁上设置所述双层传输管夹层(9)，所述双层传输管夹层(9)所形成管路内部设置所述双层传输管内层(12)。3.根据权利要求2所述空间发动机预冷系统，其特征在于：所述双层传输管(7)中心流道一端连通所述贮箱(1)，另一端连接主路(5)一端，所述主路(5)另一端连接所述发动机(2)。4.根据权利要求3所述空间发动机预冷系统，其特征在于：所述主路(5)上设置流动冷却阀(8)。5.根据权利要求4所述空间发动机预冷系统，其特征在于：所述回路由所述双层传输管夹层(9)引出后与所述换热回路换热段(3)一端连接的为毛细旁路(6)，所述换热回路换热段(3)另一端与所述贮箱(1)连接的为回流流道(4)；所述毛细旁路(6)上设置单向阀(10)和温度保持阀(11)，所述温度保持阀(11)设置在靠近所述双层传输管夹层(9)一侧。6.根据权利要求2所述空间发动机预冷系统，其特征在于：所述双层传输管夹层(9)的本体内填充多孔结构，所述双层传输管夹层(9)允许通过所述多孔结构的毛细作用从所述双层传输管内层(12)吸取液体。7.根据权利要求6所述空间发动机预冷系统，其特征在于：所述多孔结构采用金属丝编织或堆叠材料。8.一种权利要求5所述空间发动机预冷系统的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤s1，刚入轨时，发动机需要工作时开启所述流动冷却阀(8)，液体通过所述双层传输管(7)和所述主路(5)从所述贮箱(1)流向所述发动机(2)并对所述发动机(2)处进行预冷；步骤s2，入轨发动机关机后，当较长时间保持关闭发动机时，开启所述温度保持阀(11)并关闭所述流动冷却阀(8)，所述双层传输管夹层(9)通过多孔结构的毛细作用吸取所述双层传输管内层(12)的液体，所述双层传输管夹层(9)的液体通过所述毛细旁路(6)进入所述换热回路换热段(3)，液体换热相变后局部蒸汽压提高，将换热后的蒸汽通过所述回流流道(4)送至贮箱(1)内，蒸汽冷凝成为液体；步骤s3，当需要多次使用发动机时，打开所述流动冷却阀(8)，对发动机进行流动冷却。9.一种航天器，其特征在于：采用权利要求1-7任一项所述空间发动机预冷系统。

技术总结
本发明提供了一种空间发动机预冷系统、工作方法及航天器，包括：贮箱、发动机、换热回路换热段以及双层传输管；所述换热回路换热段设置在所述发动机周侧；所述贮箱通过双层传输管连通所述发动机头部；所述换热回路换热段和所述贮箱之间设置回路，所述回路为单向流动，自双层传输管夹层引出，流动至发动机进行换热，再流回贮箱；本发明用于空间低温推进系统的发动机温度保持，通过毛细作用和换热蒸汽压力形成闭环驱动，不浪费低温推进剂。不浪费低温推进剂。不浪费低温推进剂。


技术研发人员：张瑞平 齐宝恒 张登杨 熊靖宇 程诚 朱文杰 路亚庆
受保护的技术使用者：上海空间推进研究所
技术研发日：2022.12.28
技术公布日：2023/5/26