[发明专利]低温火箭发射场中深度过冷液氧加注与控制系统及方法

说明书

一种低温火箭发射场中深度过冷液氧加注与控制系统及方法，包括地面循环液氧储罐、负压液氮浴式换热器和箭上液氧储罐；在发射前利用饱和液氮与低温氦气组合对箭上贮箱先后进行预冷，达到预冷要求后，采用大流量加注方式进行加注，实现快速加注的目标；采用冷氦气技术对火箭贮箱压力进行动态调节和液氧温度大过冷的维持，同时，基于低温液化分离方法考虑了冷氦气回收再利用技术；本发明实现了液氧深度过冷获取、大流量快速加注、加注系统提前脱落、箭上贮箱深度过冷液氧微正压调节和大过冷度维持、氦气循环利用等功能，可对低温火箭发射场液氧深度过冷、加注流程与控制方式提供有效参考。

技术领域

本发明涉及液氧大过冷度获取与加注技术领域，具体涉及一种低温火箭发射场中深度过冷液氧加注与控制系统及方法。

背景技术

液氧作为最常用的低温助推剂，具有无毒、无污染、比冲高等优势，目前国际上大型运载火箭广泛采用其作为推进剂,但目前对于液氧推进剂的应用大部分热力状态仍处于沸点温度附近。为了进一步改善液氧热力学性能，提高火箭有效载荷，往往采用过冷手段将其致密化。液氧从常沸点状态(90K)过冷至三相点附近(56K),密度可显著提高13.8％，单位体积的显冷增加77MJ，应用价值相当可观。从热力学角度出发来看，过冷液氧的热力学性能可显著改善，但在国内外实际应用于低温火箭作为燃料的案例却很少，仅有美国SpaceX猎鹰号火箭和苏联能源号火箭报道过采有66K过冷液氧作为燃料的先例。中国长征3号三子级、长征5号和长征7号低温火箭仅在补加阶段采用液氮进行过冷，液氧进箭温度保持在80K附近，从而防止液氧加注过程中出现两相流现象，进箭后降低气液沸腾界面波动，有效控制液氧加注过程中的液位变化，但中国尚未有应用全过冷液氧加注的案例；同时，从国内外公开报道的文献中也未见详细的深度过冷液氧加注方案。因此，为了加快推动深度过冷液氧在中国低温火箭中的应用，提高火箭的有效载荷，提升火箭可靠性和容错性，亟需开发一套深度过冷液氧快速加注系统及实际控制方法。

常沸点液氧作为燃料在发射场火箭贮箱加注时通常会经历预冷阶段、大流量加注、小流量自动补加和射前补加等过程。然而，对于深度过冷液氧加注时，这套加注流程和控制方法已完全不适用。目前深度过冷液氧应用存在两大技术难点：1.深度过冷液氧对加注管路、发动机和火箭贮箱的预冷问题。在常沸点液氧加注时，饱和液氧通过相变吸热气化将加注管路和贮箱固体的热量带走，并逐渐降温至液氧常沸点状态，气化后的氧气通过贮箱顶部的管路放空。但对于深度过冷液氧来说，如仍采用该方式对加注管路、发动机和火箭贮箱进行预冷，深度过冷液氧将会先释放显热，从过冷状态转变为饱和状态，再释放潜热，由饱和状态转变为气态。通过这种预冷方式，将深度过冷液氧加注于火箭贮箱后，液氧大过冷度将会吸收固体的热容而大幅减小，导致深度过冷液氧的致密化不能充分利用。2.如何始终维持深度过冷液氧贮箱处于微正压的环境。众所周知，常沸点状态的液氧对应的饱和压力即为1个大气压，所以常沸点状态的液氧很容易在火箭贮箱中维持一个微正压的状态，但对于深度过冷液氧，比如55K的液氧对应的饱和压力为179Pa，是一个典型的负压状态，此时外界1个大气压的空气会很容易进入贮箱内污染液氧，所以需要解决深度过冷液氧负压状态，使其始终维持微正压环境。

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出一种低温火箭发射场中深度过冷液氧加注与控制系统及方法，在地面用负压液氮浴式换热器对液氧进行循环过冷，在发射前利用饱和液氮与低温氦气相结合对箭上贮箱先后进行预冷，达到预冷要求后，采用大流量加注方式进行加注，实现快速加注的目标；采用冷氦气技术对火箭贮箱压力进行动态调节和液氧温度大过冷的维持，同时，考虑了冷氦气回收再利用技术。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：