[发明专利]液态甲烷的过冷方法及冷却系统

说明书

本发明提供了一种液态甲烷的过冷方法及冷却系统。过冷方法包括：根据冷却介质的性质设定冷却介质的气枕压力范围，其中冷却介质的气枕压力由压力调节系统控制；使冷却介质在所述气枕压力范围下与待冷却的液态甲烷在冷却装置中完成热交换，从而获得过冷液态甲烷。本发明实施例的液态甲烷的过冷方法及用于液态甲烷过冷的冷却系统，通过设定冷却介质所在区域的气枕压力范围，并使冷却介质在设定的气枕压力范围下与液态甲烷进行热交换，可以缓解冷却介质的挥发现象，避免冷却介质温度降低，从而有效防止液态甲烷在冷却过程中发生凝固。

技术领域

本发明涉及火箭推进剂冷却技术领域，尤其涉及一种液态甲烷的过冷方法及冷却系统。

背景技术

液氧甲烷推进剂以其低成本、无污染、易获取等特点，在商业航天中有着较为广阔的应用前景。目前，国外的私营航天公司包括SPACEX和蓝色起源等已经在其运载火箭中应用了液氧甲烷火箭发动机，以液氧甲烷为推进剂的液体火箭在国内尚无应用先例。

液体推进剂在火箭发动机燃烧过程会释放出大量热量，这种高热环境给火箭发动机相关部件(如推力室)带来较大的安全隐患。过冷的液态甲烷有利于发动机启动，降低涡轮泵泵前压力，改善对发动机的预冷效果。

亟需提供一种适用于液态甲烷冷却的方法，从而为液氧甲烷推进剂用于液体运载火箭打下基础。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种液态甲烷过冷方法及冷却系统，其中，液态甲烷过冷方法将待过冷的液态甲烷分为至少两个流路，并至少对其中一个流路进行冷却，从而可以更好地控制液态甲烷的温度，改善液体火箭发动机的性能。

本发明的一个方面提供了一种液态甲烷的过冷方法，包括：根据冷却介质的性质设定冷却介质的气枕压力范围，其中冷却介质的气枕压力由压力调节系统控制；使冷却介质在所述气枕压力范围下与待冷却的液态甲烷在冷却装置中完成热交换，从而获得过冷液态甲烷。

在一个实施例中，所述冷却介质为液氮，所述气枕压力范围在0.95-1.3MPa之间。

在一个实施例中，所述冷却装置具有管程和壳程，所述使冷却介质在所述气枕压力范围下与待冷却的液态甲烷在冷却装置中完成热交换，从而获得过冷液态甲烷包括：使待冷却的液态甲烷进入所述管程，并与进入所述壳程的液氮完成热交换；所述压力调节系统控制冷却介质的气枕压力在所述气枕压力范围的过程为：检测冷却介质所处壳程内的气枕压力；根据所述气枕压力与所述气枕压力范围之间的关系，调节冷却介质所在的管程内的气枕压力值，其中当气枕压力大于设定的气枕压力范围上限时，打开壳程的排气阀，以调节所述壳程内的气枕压力值至所述气枕压力范围；当气枕压力低于设定的气枕压力范围下限时，关闭管程的排气阀，以调节所述壳程内的气枕压力值至所述气枕压力范围。

在一个实施例中，所述使冷却介质在所述气枕压力范围下与待冷却的液态甲烷在冷却装置中完成热交换包括：以液氮作为冷却介质对待冷却的液态甲烷进行冷却处理；所述以液氮作为冷却介质对待冷却的液态甲烷进行冷却处理包括：使液氮分为至少第一液氮流路和第二液氮流路；对所述第一液氮流路进行升温处理；使所述第一液氮流路中经升温处理的液氮与所述第二液氮流路中的液氮混合，以及以混合液氮作为冷却介质对待冷却的液态甲烷进行冷却处理。

在一个实施例中，所述冷却装置为釜式再沸器，所述以混合液氮作为冷却介质对待冷却的液态甲烷进行冷却处理包括：使待冷却的液态甲烷进入釜式再沸器的管程，以及使混合液氮进入釜式再沸器的壳程，从而位于管程的液态甲烷通过与位于壳程的混合液氮热交换而被冷却。

在一个实施例中，过冷方法包括：通过液位计检测所述壳程内的混合液氮的液位高度，当液位高度低于设定范围下限时，增大液氮流量控制阀的开度，直至壳程内的液位高度上升到设定范围内。