[发明专利]一种高密度氢氧推进剂同步制备系统及其方法

说明书

本发明公开了一种高密度氢氧推进剂同步制备系统及其方法，属于低温设备领域。本发明通过将高密度氢氧推进剂的制备过程耦合在开式氦液化循环流程中，可实现高密度氢氧推进剂组合的高效一体化制备，且制备规模将远大于低温冷机、抽空减压等传统方法，符合航天发射场对致密化低温推进剂制备和加注系统要求。本发明的系统中各回热器所处温区合理，构成温差均匀的梯度温度场，有效提升高密度氢氧推进剂同步制备系统的热力学效率。本发明利用价格低廉、安全性高的液氮介质两级预冷压缩后的高温氦工质，可有效降低氦气压缩机、氦膨胀机等部件的功率。

技术领域

本发明涉及低温推进剂致密化领域，特别涉及一种高密度氢氧推进剂同步制备系统及其方法。

背景技术

液氢、液氧是当今比冲最高的一组液体火箭推进剂，能够达到450s，应用于上面级时可显著提高火箭运送有效载荷的能力。由于液氢/液氧低温推进剂优越的属性，被NASA确定为载人登月、载人深空探测等工程中首选的推进剂。我国出版的《2006年中国的航天》白皮书中也明确指出，采用液氢/液氧、液氧/煤油低温推进剂的新一代运载火箭将成为我国航天运载器的主要发展方向。

目前，液氢液氧推进剂在使用时都处于热力学饱和态，其存在的突出缺点是密度和单位体积显冷量小，热物理性能明显不足，成为了航天技术发展的瓶颈。因此，以液氧深度过冷和液氢浆态化及固态化的低温推进剂致密化技术成为了解决上述问题的首选，可以显著提升液氢液氧推进剂密度及热容，减小箭体尺寸和结构重量。

然而，现有的低温推进剂致密化装置通常仅针对单一液氧推进剂或液氢推进剂，若实现液氢液氧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，对于液氧推进剂的深度过冷，当前技术难以将其过冷至液氮三相点温度63.2K以下，若通过抽空减压法，则受限于液氧三相点压力148Pa的限制，整体效率低下，不能进行规模化制备。对于液氢推进剂的大规模浆态化及固态化制备，往往需要消耗宝贵的液氦，所以在高密度液氢推进剂连续生产制备时，系统整体的经济性较差。

发明内容

本发明的目的是提供一种高密度氢氧推进剂同步制备系统，设计了一种新型开式氦液化循环流程，并将高密度氢氧推进剂的制备过程耦合在循环系统中，实现两者的高效同步制备目标。

本发明拟采用如下技术方案实现本发明的目的：

第一方面，本发明提供了一种高密度氢氧推进剂同步制备系统，其包括氮气预冷器、液氮预冷器、第一回热器、第二回热器、第三回热器、第四回热器、第五回热器、氦循环管路、第一氦工质膨胀支路、第二氦工质膨胀支路、液氮管路、液氧管路、液氢管路和液氦管路；

所述氮气预冷器、液氮预冷器、第二回热器和第四回热器中均设有第一通路、第二通路和第三通路，其中氮气预冷器和液氮预冷器中的第一通路分别与第二通路和第三通路构成换热接触，第二回热器和第四回热器中的第二通路分别与第一通路和第三通路构成换热接触；所述第一回热器、第三回热器和第五回热器中均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、氮气预冷器的第一通路、液氮预冷器的第一通路、第一回热器的第一通路、第二回热器的第一通路、第三回热器的第一通路、第四回热器的第一通路、第五回热器的第一通路、节流阀、液氦贮箱、第五回热器的第二通路、第四回热器的第二通路、第三回热器的第二通路、第二回热器的第二通路、第一回热器的第二通路、液氮预冷器的第二通路、氮气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进行自气态到液态再到气态的循环；

所述第一氦工质膨胀支路的入口端连接第一回热器的第一通路的出口端，第一氦工质膨胀支路的出口端连接第二回热器的第二通路的入口端，第一氦工质膨胀支路上安装有第一氦膨胀机，流出第一回热器的部分高压氦工质进入第一氦膨胀机进行等熵膨胀并产生冷量后与第三回热器中第二通路流出的氦工质汇合进入第二回热器的第二通路中；