[发明专利]一种无负压的液氧大过冷度获取系统

说明书

一种无负压的液氧大过冷度获取系统，包括液氧储罐，液氧储罐的顶部增压口通过阀门和高压氦气瓶出口连接；液氧储罐底部出口通过循环泵连接氧‑氦换热器的液氧侧入口，氧‑氦换热器的液氧侧出口连接液氧储罐顶部回流口；氧‑氦换热器的氦气侧出口通过冷氦压缩机连接液氮浴式换热器的氦气侧入口，液氮浴式换热器的氦气侧出口连接通过氦膨胀机连接氧‑氦换热器氦气侧入口；液氮浴式换热器的液氮入口通过液位调节阀与液氮储罐底部出口连接，液氮浴式换热器的氮气出口经氮气泄流阀排空；本发明利用液氮预冷与冷氦压缩机制冷相结合，从而可不借助抽真空设备与负压换热装置，实现温度低于64K大过冷度液氧的发射场现场制备。

技术领域

本发明涉及航天发射场低温推进剂过冷度获取技术领域，具体涉及一种无负压的液氧大过冷度获取系统。

背景技术

低温推进剂包括液氧/液氢、液氧/液甲烷、液氧/煤油组合，具有比冲高、推力大、无毒无污染等性能优势，将在未来的航天发射中大规模采用。无论采用哪种低温推进剂组合，都以液氧作为氧化剂，因此，液氧特性会对火箭整体性能产生重要影响。

低温火箭所加注液氧通常为常压下饱和状态，温度约90K，密度约1142kg/m³。若对液氧开展过冷，则有利于增大液氧密度、提高火箭的运载能力。当液氧过冷至78K(常压下液氮饱和温度)时，液氧密度为1200kg/m³；当过冷至64K(氮三相点温度)时，液氧密度为1264kg/m³；当过冷至55K(氧的三相点温度)时，液氧密度为1304kg/m³。相较于饱和液氧，三个过冷度时的密度提升率分别为5.1％、10.7％、14.2％。此外，向火箭加注过冷液氧也有利于避免气液两相流管理难题、减小液氧蒸发损失、有助于延长液氧空间无损贮存时间。

氧在常压下的饱和温度约90K，氧的三相点温度为54.4K，三相点压力为0.152kPa；氮在常压下的饱和温度约78K，氮的三相点温度约63.2K，三相点压力约12.54kPa。

采用液氮过冷液氧时，常压换热可制备温度高于78K的过冷液氧；对液氮抽真空，通过负压液氮/液氧换热，可制备63.2K以上的过冷液氧；若希望进一步增大液氧过冷度，则液氮/液氧换热系统无法满足要求。

对液氧容器进行抽真空，也可获得过冷液氧，且该方案可制备接近三相点温度(54K)的过冷液氧。但该方法存在明显缺点：需要耗功极大、设备复杂的抽空系统；抽空过程会造成液氧的巨大浪费；液氧储罐必须耐负压；氧极易发生危险，抽空设备作用于氧，存在巨大的安全隐患；存在向液氧储罐的泄露而污染液氧等。

采用大型氦制冷系统也可向液氧提供过冷，但常规氦制冷系统工作温区介于室温与过冷液氧温区之间，制冷效率较低、功耗极大。此外，也有工作于液氢温区、甚至液氦温区的冷氦压缩机，该类型压缩机的气体入口与出口均显著低于室温。

低温火箭发射前，发射场地面存储的流体包括：液体燃料(液氢、液甲烷、或煤油)、液氧、液氮、高压氦气等。其中，液氮主要用于对容器、管路系统的气体置换、推进剂过冷等，氦气用于贮箱与管路的净化与增压等。

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了一种无负压的液氧大过冷度获取系统，利用液氮预冷与冷氦压缩机制冷相结合，从而可不借助抽真空设备与负压换热装置，实现温度低于64K大过冷度液氧的发射场现场制备。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种无负压的液氧大过冷度获取系统，包括液氧储罐1，液氧储罐1的顶部增压口通过背压调节阀8、泄压阀7和高压氦气瓶6出口连接；液氧储罐1底部出口和液氧泄流阀2入口连接，液氧泄流阀2出口连接循环泵3入口，循环泵3出口连接氧-氦换热器4的液氧侧入口，氧-氦换热器4的液氧侧出口连接回流止回阀5入口，回流止回阀5出口连接液氧储罐1顶部回流口；