[发明专利]一种采用切向离心喷射的热力学排气系统

说明书

一种采用切向离心喷射的热力学排气系统，包括低温推进剂贮箱内的切向喷射管路，切向喷射管路为金属多孔结构，喷射孔口方向沿低温推进剂贮箱轴线的径向，切向喷射管路中的低温推进剂由喷射孔口喷向低温推进剂贮箱中，使喷射的低温推进剂相对于低温推进剂贮箱轴线切向喷出，产生离心力，驱使低温推进剂贮箱内低温推进剂主流体运动；被切向喷射管路喷入的温度低的低温推进剂与低温推进剂贮箱中温度高的低温推进剂进行换热，从而使低温推进剂贮箱中的压力和温度下降，此外，切向布置的喷射孔口使被喷入的低温推进剂也对低温推进剂贮箱内主流体有更强的扰乱作用，使得换热更强烈；本发明实现低温推进剂贮箱压力快速下降，能耗降低。

技术领域

本发明涉及低温推进剂空间贮存技术领域，具体涉及一种采用切向离心喷射的热力学排气系统。

背景技术

低温推进剂(如液氢、液氧等)具有能量高、比推力大、无毒、无污染等优势，在大型运载火箭和航天飞行器上得到广泛应用。然而，低温推进剂空间在轨贮存期间，外部漏热不可避免地进入贮箱，使推进剂升温、气化，导致贮箱压力持续升高，会引起推进剂泄漏、贮箱爆炸等一系列安全问题。低温推进剂地面贮存时，由于气液密度相差很大，可依靠重力使推进剂气液两相分层，通过贮箱顶部开孔进行直接排气的方式，即可有效控制贮箱气枕压力；但在微重力环境下，表面张力等弱力逐渐起主导作用，使流体不再有明显的气液分层，气液两相极易混杂在一起，因此低温推进剂空间在轨贮存期间，控制贮箱压力的方式就不能跟地面推进剂管理一样，直接在贮箱顶部开孔就可以达到泄压的效果，而是对低温流体热管理提出了新的要求。

目前，空间在轨环境下低温推进剂贮箱压力控制技术主要有两种形式：被动技术和主动技术。被动技术主要包括在贮箱外包裹变密度多层绝热材料、安装冷屏和挡热板等减少外部漏热的侵入，但不可能实现完全隔热，随着漏热的累积，贮箱系统在轨长期运行下压力还是会达到其安全限度，因此对于低温推进剂长期空间在轨贮运来说，主动技术是必要的，主动技术主要包括：小型制冷机冷却降温系统、混合搅拌、沉底直接排放系统、热力学排气系统(TVS)等。采用TVS技术主动排气的方法对贮箱进行控压，已经被证实具有良好的应用前景。美国NASA搭建了第一套TVS系统，并在多功能氢试验台(MHTB)进行了大量实验研究与论证。TVS通过小型低温泵将贮箱低温流体引出，分为两股流体，一股流体通过节流的空化作用实现降温，再流过套管式换热器内与另一股主流流体换热后排放到太空环境，另一股主流流体被冷却后经喷射棒喷入贮箱内充分混合，实现贮箱内流体的降温降压。随后我国也搭建了两套TVS系统，都取得了一定的研究成果。然而，通过研究和对比发现，传统TVS系统仍然具有以下不足：以贮箱轴线为中心，喷射棒采用径向打孔的方式向四个对称方向布置，流体沿径向喷射出去后，其动能会凭借流体自身粘性沿径向逐渐耗散。由于四个方向对称喷射，使贮箱内主流体仍保持不动，导致在喷射扩散过程中贮箱内仅仅在径向流体间的热质交换能力较强，而沿周向流体间的混合搅拌能力较差，使贮箱热分层消除效果较差、热质传递能力较弱，导致贮箱控压效果不佳。

发明内容

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采取切向离心喷射的热力学排气系统，增强两相相界面间及流体间热质传递的能力，实现低温推进剂贮箱压力快速下降，温度分布更均匀，能耗降低。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种采用切向离心喷射的热力学排气系统，包括低温推进剂贮箱1内的切向喷射管路5，切向喷射管路5为金属多孔结构，喷射孔口方向沿低温推进剂贮箱1轴线的径向，切向喷射管路5中的低温推进剂由喷射孔口喷向低温推进剂贮箱1中，使喷射的低温推进剂相对于低温推进剂贮箱1轴线切向喷出，产生离心力，驱使低温推进剂贮箱1内低温推进剂主流体运动。

被切向喷射管路5喷入的温度低的低温推进剂与低温推进剂贮箱1中温度高的低温推进剂进行换热，从而使低温推进剂贮箱1中的压力和温度下降，此外，切向布置的喷射孔口使被喷入的低温推进剂也对低温推进剂贮箱1内主流体有更强的扰乱作用，使得换热更强烈。

本发明的有益效果：