[发明专利]一种基于防冻结控制的液甲烷深度过冷与加注系统及方法

说明书

一种基于防冻结控制的液甲烷深度过冷与加注系统及方法，包括地面液甲烷储罐、立式液氮浴式换热器和箭上液甲烷贮箱，在加注前用液氮气化后的冷氮气预冷箭上液甲烷贮箱、加注管路及发动机等部件，加注时采用边过冷边加注的方式，利用立式液氮浴换热器过冷液甲烷至95K温区后进入火箭贮箱内，并采取基于压力控制和基于液位控制的复合调节灵活控制加注系统中的流量和过冷度；一旦检测到液甲烷冻结，立即切换管路，采用高压氮气进行快速复温融化处理；同时，采用气化后的冷氮气控制箭上液甲烷贮箱气枕区的压力以及液甲烷过冷度的维持；本发明实现了液甲烷大过冷度获取、液甲烷过冷防冻结控制、过冷换热器对不同流量与设定温区的自适应调节等功能。

技术领域

本发明涉及低温火箭发射场液甲烷过冷度获取与加注技术领域，具体涉及一种基于防冻结控制的液甲烷深度过冷与加注系统及方法。

背景技术

随着宇航技术的发展，低温运载火箭逐渐迈向商业化，低温推进剂由最热门的液氢/液氧和液氧/煤油组合向更有商业应用前景的液甲烷/液氧组合过渡，所以液甲烷作为一种新型推进燃料越来越受到重视。采用液甲烷/液氧作为低温火箭燃料存在诸多优势：1.液化温度(111.7K)高于氢，容易液化，生产储存成本低，且液甲烷与液氧的温差相对于液氢与液氧的温差小很多；2.液甲烷的密度(422.36kg/m³)高于液氢(70.85kg/m³)，同等能量的燃料需求体积降低很多；3.液甲烷燃烧时不易结焦且燃烧产物清洁，比冲也略高于液氧/煤油，可使低温发动机重复使用，商业化应用优势突出；4.设计难度小，可以沿用液氧/煤油发动机的体系改造等。

虽然液甲烷/液氧作为低温燃料应用优势明显，但由于历史原因其在航天历史中尚未有实际应用的案例，不过近期国内外关于液甲烷/液氧发动机的研制已相继成功。在国外，Raptor“猛禽”液甲烷/液氧发动机在点火实验中室压已达300bar，而BE-4液甲烷/液氧发动机也在2019年实现了100％推力测试，推力达到了240吨级；在国内，“天鹊”液甲烷/液氧发动机是目前推力最大的双低温液体火箭发动机，也是世界第三台完成全系统试车考核的大推力液甲烷/液氧火箭发动机，推力达到了80吨。

从上述公开的文献报道可知，液甲烷应用沿用液氢和液氧的发展路线，其作为推进燃料仍然采用常沸点状态。虽然该状态会使低温火箭发射系统相对简单，但液甲烷热力学性能相对不足，不能将其优势充分利用。因此，为了进一步提升液甲烷的品质，申请人提出采用过冷的方式来改善液甲烷的热力学性能，增加自身密度、单位体积显冷量、粘度，降低饱和压力，从而提升低温运载火箭的有效载荷、提高发射系统的容错性、延长深空探测的周期。比如，将液甲烷从常沸点状态(111.67K)过冷至三相点状态(90.694K)，密度可提高6.7％，单位体积显冷量(指单位体积低温推进剂从过冷状态上升至标准沸点状态所需热量)增加了31.9KJ，应用价值相当可观。

针对深度过冷液甲烷作为低温火箭燃料来说，国内外尚未有成熟的应用先例，且常沸点液氢或液氧的加注方案已不适合直接继承应用于深度过冷液态甲烷。因此，亟需开发一套能够用于深度过冷液甲烷的加注系统，为深度过冷液甲烷的应用提供技术支持。