[发明专利]一种多组合低温推进剂深度过冷一体化系统及其方法

说明书

本发明公开了一种多组合低温推进剂深度过冷一体化系统及其方法，属于低温设备领域。本发明通过设置串联双级氦膨胀机来构建特定的梯级温区，以氦工质作为闭式循环介质，最终实现多种低温推进剂组合的高效深度过冷。本发明采用串联设置的两级氦膨胀机，可通过设定氦膨胀机出口压力实现液氧、液氢的高效快速致密化，并可减少由于高膨胀比对一级膨胀机设备性能提出的高要求。同时本发明利用价格低廉、安全性高的液氮介质预冷压缩后的高温氦工质以及液氧推进剂，可有效降低氦气压缩机、氦膨胀机等部件的功率、加快液氧推进剂降温速率，提升一体化系统整体运行效率。本发明整体结构符合航天发射场的致密化低温推进剂加注系统要求。

技术领域

本发明涉及低温设备领域，特别涉及一种多组合低温推进剂深度过冷一体化系统。

背景技术

低温推进剂组合主要包括液氧/煤油、液氧/甲烷和液氢液氧等，具有比冲高且无污染等优势。然而，低温推进剂在使用时多处于常压饱和态，其突出缺点是密度和单位体积显冷量小。当低温推进剂质量一定时，密度小会导致低温推进剂贮箱体积尺寸增大，使运载火箭总起飞质量增加，而单位体积显冷量小会导致低温推进剂汽化损失增加，两者综合影响下会削弱高比冲带来的优势。

若通过深度过冷等方式对低温推进剂致密化，使常规煤油、液态甲烷、液氧和液氢的温度进一步降低，甚至部分产生固化，形成浆体，将获得具有更高密度及更大热容的致密化低温推进剂，可显著提升加注量，减小运载火箭的箭体尺寸和结构重量，延长存储时间。例如，液氢从标准沸点20.37K过冷至三相点温度13.96K后，密度会增加8.8％，单位体积显冷量将增加20％，若从三相点状态继续降温，直到出现60％的固氢，密度将增加16.8％，单位体积显冷量增加34％。

然而，现有的低温推进剂致密化装置通常仅针对单一推进剂，若实现低温推进剂组合的同步过冷将导致系统复杂、体积庞大且运行效率低下。同时，由于液氧推进剂和液氢推进剂自身热物性限制，若采用常规的抽空减压法或液氦直接冷却法将液氧过冷至63.2K以下或将液氢过冷至三相点状态，则系统的运行效率和经济成本难以满足低温推进剂大规模致密化的需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种多组合低温推进剂深度过冷一体化系统，通过设置串联双级氦膨胀机来构建特定的梯级温区，以氦工质作为闭式循环介质，最终实现多种低温推进剂组合的高效深度过冷。

本发明拟采用如下技术方案实现本发明的目的：

第一方面，本发明提供了一种多组合低温推进剂深度过冷一体化系统，其包括液氮预冷器、第一回热器、第二回热器、液氢冷却器、液氧冷却器、烃类燃料冷却器、氦循环管路、液氮管路、烃类燃料管路、液氧管路和液氢管路；

所述液氮预冷器和第二回热器中均设有第一通路、第二通路和第三通路；且液氮预冷器中的第一通路分别与第三通路和第二通路构成换热接触，第二回热器中的第三通路分别与第一通路和第二通路构成换热接触；

所述第一回热器、液氢冷却器、液氧冷却器和烃类燃料冷却器中各自设有构成换热接触的第一通路和第二通路；

所述氦循环管路中充满氦工质，氦循环管路依次连接氦气压缩机、液氮预冷器的第一通路、第一回热器的第一通路、第一氦膨胀机、第二回热器的第一通路、第二氦膨胀机、液氢冷却器的第一通路、第二回热器的第二通路、液氧冷却器的第一通路、第一回热器的第二通路、液氮预冷器的第二通路后重新循环至氦气压缩机，氦循环管路内部的氦工质在管路内不断循环；

所述液氮管路的入口端连接液氮供应源，液氮管路依次经过液氮预冷器的第三通路和烃类燃料冷却器的第一通路后出口端排空；烃类燃料管路的入口端连接烃类燃料供应源，烃类燃料管路依次连接烃类燃料泵、烃类燃料冷却器的第二通路后接入致密化烃类燃料贮罐中，烃类燃料供应源输送的烃类燃料推进剂经过烃类燃料冷却器中的液氮深度过冷后存储于致密化烃类燃料贮罐中；所述烃类燃料推进剂为甲烷或煤油；