适用于大型液体火箭发动机试验的氮供应系统

摘要

本申请公开了一种适用于大型液体火箭发动机试验的氮供应系统，涉及液体火箭发动机试验技术领域，以一定程度上解决现有氮气供应与液氮供应分离，造成试验系统建设成本高的技术问题。本申请提供的氮供应系统包括:液氮储存单元、液氮冷却单元和液氮气化单元；液氮冷却单元与液氮气化单元均与液氮储存单元连通；液氮储存单元用于向液氮冷却单元与液氮气化单元提供液氮；液氮冷却单元用于对火箭发动机低温推进剂过冷处理；液氮气化单元用于将液氮气化并输送给火箭发动机地面试验系统。本申请将液氮冷却单元、液氮气化单元以及氮气集成控制单元一体化，形成为一套供应系统，降低试验系统建设和维护成本。

说明书

技术领域

本申请涉及液体火箭发动机试验技术领域，尤其是涉及一种适用于大型液体火箭发动机试验的氮供应系统。

背景技术

液体火箭在开展地面试验时通常需使用大量的氮气，同时在开展低温推进剂的过程中，使用液氮进行过冷处理，可节约推进剂，节省成本，可保证发动机泵不产生气蚀。目前试验系统中，氮气供应与液氮供应分离，造成试验系统建设成本高，试验系统在开展试验和维护过程中成本也相应的增加。

因此，如何提供一种液氮冷却、液氮气化及氮气供应一体化的氮供应系统，已成为本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

本申请的目的在于提供一种液氮冷却、液氮气化生产氮气及氮气供应一体化的氮供应系统，在一定程度上解决现有氮气供应与液氮供应分离，造成试验系统建设成本高的技术问题。

本申请提供一种适用于大型液体火箭发动机试验的氮供应系统，包括:液氮储存单元、液氮冷却单元和液氮气化单元；所述液氮储存单元分别与所述液氮冷却单元、所述液氮气化单元连通，且所述液氮储存单元用于向所述液氮冷却单元与所述液氮气化单元提供液氮；所述液氮冷却单元用于火箭发动机低温推进剂过冷处理；所述液氮气化单元用于将液氮气化并输送给火箭发动机地面试验系统。

进一步地，还包括：氮气集成控制单元；所述液氮气化单元与所述氮气集成控制单元连通；所述液氮气化单元向所述氮气集成控制单元提供氮气，所述氮气集成控制单元用于将气化的液氮并输送给火箭发动机地面试验系统。

进一步地，所述液氮气化单元包括依次连通的低温泵、气化器与氮气储罐；所述低温泵用于将液氮输送至所述气化器中，所述气化器用于将液氮气化，所述氮气储罐用于储存氮气。

进一步地，所述液氮冷却单元包括至少两条支路，所述至少两条支路包括第一条支路和第二条支路，

其中，所述第一条支路上依次设置有第一截止阀、第一温度传感器和第一三通阀，所述第一三通阀的第二端连接有第二截止阀，且所述第一三通阀的第三端与氧化剂路连通，所述第一条支路用于向所述氧化路提供液氮；

其中，所述第二条支路上依次设置有第三截止阀、第二温度传感器和第二三通阀，所述第二三通阀的第二端连接有所述第四截止阀，且所述第二三通阀的第三端与燃料路连通，所述第二条支路用于向所述燃料路提供液氮。

进一步地，所述氮气集成控制单元包括：主路和分路；所述主路上设置有手动截止阀和气动截止阀，且所述手动截止阀和所述气动截止阀并联设置；所述分路包括至少五条氮气控制分路。

更进一步地，其中第一条氮气控制分路为氧化剂储存增压路；所述氧化剂储存增压路上依次设置有第一减压器和第三三通阀；所述第三三通阀的第二端上设置有第五截止阀，且所述第三三通阀的第三端上设置有第一压力表；

所述第一减压器用于调节所述氧化剂储存增压路的压力值；所述第一压力表用于监测所述氧化剂储存增压路的压力值；当所述第一压力表的数值大于预设压力值时，打开所述第五截止阀，所述第五截止阀用于对所述氧化剂储存增压路放气泄压。

更进一步地，其中第二条氮气控制分路为是燃料储存增压路；所述燃料储存增压路上依次设置有第二减压器和第四三通阀；所述第四三阀的第二端上设置有第六截止阀，且所述第四三通阀的第三端上设置有第二压力表；

所述第二减压器用于调节所述燃料储存增压路的压力值；所述第二压力表用于监测所述燃料储存增压路的压力值；当所述第二压力表的数值大于预设压力值时，打开所述第六截止阀，所述第六截止阀用于对所述燃料储存增压路放气泄压。

更进一步地，其中第三条氮气控制分路为系统吹除路；所述系统吹除路上依次设置有第三减压器和第五三通阀；所述第五三通阀的第一端上设置有第七截止阀，且所述第五三通阀的第二端上设置有第三压力表；

所述第三减压器用于调节所述系统吹除路的压力值；所述第三压力表用于监测所述系统吹除路的压力值；当所述第三压力表的数值大于预设压力值时，打开所述第七截止阀，所述第七截止阀用于对所述系统吹除路放气泄压。

更进一步地，其中第四条氮气控制分路为气动阀操纵气路；所述气动阀操纵气路上依次设置有第四减压器和第六三通阀；所述第六三通阀的第一端上设置有第八截止阀，且所述第六三通阀的第二端上设置有第四压力表；

所述第四减压器用于调节所述气动阀操纵气路的压力值；所述第四压力表用于监测所述气动阀操纵气路的压力值；当所述第四压力表的数值大于预设压力值时，打开所述第八截止阀，所述第八截止阀用于对所述气动阀操纵气路放气泄压。

更进一步地，其中第五条氮气控制分路为气动减压器操纵气路；所述气动减压器操纵气路上依次设置有第五减压器和第七三通阀；所述第七三通阀的第一端上设置有第九截止阀，且所述第七三通阀的第二端上设置有第五压力表；

所述第五减压器用于调节所述气动减压器操纵气路的压力值；所述第五压力表用于监测所述气动减压器操纵气路的压力值；当所述第五压力表的数值大于预设压力值时，打开所述第九截止阀，所述第九截止阀用于对所述气动减压器操纵气路放气泄压。

相对于现有技术，本申请所述的一种氮供应系统具有以下优势：

本申请提供一种氮供应系统，一种氮供应系统，包括:液氮储存单元、液氮冷却单元和液氮气化单元；所述液氮冷却单元与所述液氮气化单元均与所述液氮储存单元连通；所述液氮储存单元用于向所述液氮冷却单元与所述液氮气化单元提供液氮；所述液氮冷却单元用于火箭发动机低温推进剂过冷处理；所述液氮气化单元用于将液氮气化并输送给火箭发动机地面试验系统。本申请提供的氮供应系统一定程度上解决现有氮气供应与液氮供应分离，造成试验系统建设成本高的技术问题。

本申请应用于大型液体火箭发动机试验中，能够同时液氮与氮气，将液氮冷却单元、液氮气化单元以及氮气集成控制单元一体化，形成为一套供应系统，降低试验系统建设和维护成本；而且氮气集成供应单元集中实现氮气多种功能的供应功能，简化试验系统，便于操作。

附图说明

为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的适用于大型液体火箭发动机试验的氮供应系统的流程图；

图2为本申请实施例提供的液氮冷却单元的流程图；

图3为本申请实施例提供的液氮气化单元的流程图；

图4为本申请实施例提供的氮气集成控制单元的流程图；

图5为本申请实施例提供的液氮储存单元的流程图。

附图标记：100-液氮储存单元；101-加注口；102-第十截止阀；103-液氮储罐；104-第一温度传感器；105-第一压力传感器；106-第一安全阀；107-第六压力表；200-液氮冷却单元；201-第十六截止阀；202-第四温度传感器；203-第十七截止阀；204-第一截止阀；205-第五温度传感器；206-第二截止阀；207-第三截止阀；208-第六温度传感器；209-第四截止阀；300-液氮气化单元；301-第十一截止阀；302-低温泵；303-第二温度传感器；304-第十五截止阀；305-第十二截止阀；306-气化器；307-第二压力传感器；308-第十三截止阀；309-第三温度传感器；310-氮气储罐；311-第十四截止阀；312-第二安全阀；313-第七压力表；400-氮气集成控制单元；401-第一过滤器；402-手动截止阀；403-气动截止阀；404-第二过滤器；405-第十八截止阀；406-第八压力表；407-第三压力传感器；411-第十九截止阀；412-第一减压器；413-第五截止阀；414-第一压力表；415-第二十截止阀；416-第一单向阀；417-第一气动截止阀；421-第二十一截止阀；422-第二减压器；423-第六截止阀；424-第二压力表；425-第二十二截止阀；426-第二单向阀；427-第二气动截止阀；431-第二十三截止阀；432-第三减压器；433-第七截止阀；434-第三压力表；435-第二十四截止阀；436-电磁阀；441-第二十五截止阀；442-第四减压器；443-第八截止阀；444-第四压力表；445-第二十六截止阀；446-缓冲罐；451-第二十七截止阀；452-第五减压器；453-第九截止阀；454-第五压力表；455-第二十八截止阀。

具体实施方式

下面将结合附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电气连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

参见图1-5所示，图1为本申请实施例提供的氮供应系统的流程图；图2为本申请实施例提供的液氮冷却单元的流程图；图3为本申请实施例提供的液氮气化单元的流程图；图4为本申请实施例提供的氮气集成控制单元的流程图；图5为本申请实施例提供的液氮储存单元的流程图。

本申请提供适用于大型液体火箭发动机试验的氮供应系统，包括:液氮储存单元100、液氮冷却单元200和液氮气化单元300；液氮冷却单元200与液氮气化单元300均与液氮储存单元100连通；液氮储存单元100用于向液氮冷却单元200与液氮气化单元300提供液氮；液氮冷却单元200用于火箭发动机低温推进剂过冷处理；液氮气化单元300用于将液氮气化并输送给火箭发动机地面试验系统。

本申请提供一种适用于大型液体火箭发动机试验的氮供应系统，为了实现氮气供应与液氮供应一体化，参见图1与图5所示；本申请包括:液氮储存单元100、液氮冷却单元200和液氮气化单元300；液氮冷却单元200与液氮气化单元300均与液氮储存单元100连通；液氮储存单元100用于向液氮冷却单元200与液氮气化单元300提供液氮；液氮冷却单元200用于火箭发动机低温推进剂过冷处理；液氮气化单元300用于将液氮气化并输送给火箭发动机地面试验系统。

具体的，本申请中的低温推进剂是指在地面和空间使用环境温度下不可贮存、只有在极低环境温度下才能在贮箱内长期保持液态的推进剂，它属于不可贮存的推进剂。液氧/液氢推进剂组合式目前使用的比冲最高的液体推进剂，在大型运载火箭和航天飞行器上被广泛使用。例如液氧是低温推进剂，具体温度控制在零下180度到零下160度之间。

具体地，本申请应用于大型液体火箭发动机试验中，能够同时液氮与氮气，将液氮冷却单元200、液氮气化单元300以及氮气集成控制单元400一体化，形成为一套供应系统，降低试验系统建设和维护成本；而且氮气集成供应单元集中实现氮气多种功能的供应功能，简化试验系统，便于操作。

更具体地，火箭发动机地面试验是火箭大型地面试验重要的一部分，液体火箭发动机的试车按其是否采用真实推进剂进行试验分为地面冷试验和地面热试验，又称为冷设车和热试车。液体火箭发动机的冷试车通常用水作工质，主要进行发动机系统启动和关机特性的试验液体火箭发动机的热试车是真实的点火试验，按照研制程序，方案阶段进行发动机试车；初样阶段要进行发动机性能、结构方案试车；在试样阶段要进行鉴定性试车和验收性试车；在投入批生产后还要进行批生产抽检试车。

进一步地，液氮储存单元100设置有依次连通的加注口101、第十截止阀102、液氮储罐103、第一温度传感器104和第一压力传感器105，在液氮储罐103上还设置有第一安全阀106与第六压力表107，加注口101用于给氮供应系统提供原料；第一压力传感器105后通过第六三通阀分别连通液氮冷却单元200与液氮气化单元300。

本申请实施例提供一种实施例中，为了将多种应用氮气的供应系统集成为一个整体，参见图4所示；本申请还包括：氮气集成控制单元400；液氮气化单元300与氮气集成控制单元400连通；液氮气化单元300向氮气集成控制单元400提供氮气，氮气集成控制单元400用于将液氮气化并输送给火箭发动机地面试验系统。

具体地，氮气集成控制单元400将多种应用氮气的供应系统集成为一体，形成一个配气面板，实现氮气多种功能的供应；解决了在较低成本条件下满足多个气动阀同时驱动的氮气供应系统难题。

本申请的一个实施例中，为了满足火箭发动机试验所需的氮气，参见图3所示；本申请液氮气化单元300包括依次连通的低温泵302、气化器306与氮气储罐310；低温泵302用于将液氮输送至气化器306中，气化器306用于将液氮气化，氮气储罐310用于储存氮气。

具体地，本申请中使用的低温泵302又称低温液体泵，是在空分和化工装置中用来输送低温液体的特殊泵。其可将低温液体从压力低的场所输送到压力高的场所。

具体地，液氮气化单元300设置有依次连通的第十一截止阀301、低温泵302、第二温度传感器303、第七三通阀、第十二截止阀305、气化器306、第二压力传感器307、第十三截止阀308、第三温度传感器309、氮气储罐310和第十四截止阀311，其中第七三通阀上还设置有第十五截止阀304，氮气储罐310连通的第二安全阀312和第七压力表313。

更具体地，低温泵302是利用低温表面冷凝气体的真空泵，又称冷凝泵。低温泵302可以获得抽气速率最大、极限压力最低的清洁真空，广泛应用于半导体和集成电路的研究和生产，以及分子束研究、真空镀膜设备、真空表面分析仪器、离子注入机和空间模拟装置等方面。

本申请的一个实施例中，为了满足火箭发动机试验所需的液氮，参见2图所示；本申请液氮冷却单元200包括至少两条支路；

其中第一条支路上依次设置有连通的第一截止阀204、第一温度传感器104和第一三通阀，第一三通阀的一端设置有第二截止阀206，且第一三通阀的另一端连通氧化剂路，第一条支路用于向氧化路提供液氮；

第二条支路上依次设置有连通的第三截止阀207、第二温度传感器303和第二三通阀，第二三通阀的一端设置有第四截止阀209，且第二三通阀的另一端连通燃料路，第二条支路用于向燃料路提供液氮。

具体地，液氮冷却单元200设置有依次连通的第十六截止阀201、第四温度传感器202和第八三通阀，第八三通阀的一端连通第十七截止阀203，另一端连接两条并联的支路；第一支路设置有依次连通的第一截止阀204、第五温度传感器205和第九三通阀，第九三通阀的一端连通第二截止阀206，第九三通阀的另一端连通氧化路；第二支路设置有依次连通的第三截止阀207、第六温度传感器208和第十三通阀，第十三通阀的一端连通第四截止阀209，第十三通阀的另一端连通燃料路。

本申请的一个实施例中，为了实现无额外气源情况下氮气供应总阀能够远程控制的功能，参考图4所示，氮气集成控制单元400包括：主路和支路；主路上设置有手动截止阀402和气动截止阀403，且手动截止阀402和气动截止阀403并联设置；支路包括至少五条氮气控制分路。

具体地，主路上设置有依次连通的第一过滤器401、并联的手动截止阀402与气动截止阀403、第二过滤器404和第十一三通阀，第十一三通阀的一端连通第十八截止阀405，第十一三通阀的另一端连通第八压力表406、第三压力传感器407，在第三压力传感器407后连通的至少五个支路。

本申请的一个实施例中，为了给氧化剂储存增压路提供氮气，参见图4所示；其中第一条氮气控制支路是氧化剂储存增压路；氧化剂储存增压路上依次设置有连通的第一减压器412和第三三通阀；第三三通阀的一端支路上设置有第五截止阀413，且第三三通阀的另一端支路上设置有第一压力表414；

第一减压器412用于调节氧化剂储存增压路的压力值；第一压力表414用于监测氧化剂储存增压路的压力值；当第一压力表414的数值大于预设压力值时，打开第五截止阀413，第五截止阀413用于对氧化剂储存增压路放气泄压。

具体地，氧化剂储存增压路上设置有依次连通的第十九截止阀411、第一减压器412和第三三通阀，第三三通阀的一端连通第五截止阀413，第三三通阀的另一端依次连通第一压力表414、第二十截止阀415、第一单向阀416和第一气动截止阀417。

本申请的一个实施例中，为了给燃料储存增压路提供氮气，参见图4所示；其中第二条支路是燃料储存增压路；燃料储存增压路上依次设置有连通的第二减压器422和第四三通阀；第四三通阀的一端支路上设置有第六截止阀423，且第四三通阀的另一端支路上设置有第二压力表424；

第二减压器422用于燃料储存增压路的压力值；第二压力表424用于监测燃料储存增压路的压力值；当第二压力表424的数值大于所需压力时，打开第六截止阀423，第六截止阀423用于对燃料储存增压路放气泄压。

具体地，燃料储存增压路上设置有依次连通的第二十一截止阀421、第二减压器422和第四三通阀，第四三通阀的一端连通第六截止阀423，第四三通的另一端依次连通第二压力表424、第二十二截止阀425、第二单向阀426和第二气动截止阀427。

本申请的一个实施例中，为了给系统吹除路提供氮气，参见图4所示；其中第三条支路是系统吹除路；系统吹除路上依次设置有连通的第三减压器432和第五三通阀；第五三通阀的一端支路上设置有第七截止阀433，且第五三通阀的另一端支路上设置有第三压力表434；

第三减压器432用于调节系统吹除路提供氮气的压力值；第三压力表434用于监测系统吹除路提供氮气的压力值；当第三压力表434的数值大于所需压力时，打开第七截止阀433，第七截止阀433用于对系统吹除路提供氮气放气泄压。

具体地，系统吹除路上设置有依次连通的第二十三截止阀431、第三减压器432和第五三通阀，第五三通阀的一端连通第七截止阀433，第五三通阀的另一端依次连通第三压力表434、第二十四截止阀435和电磁阀436。

本申请的一个实施例中，为了给气动阀操纵气路提供氮气，参见图4所示；其中第四条支路是气动阀操纵气路；气动阀操纵气路上依次设置有连通的第四减压器442和第六三通阀；第六三通阀的一端支路上设置有第八截止阀443，且第六三通阀的另一端支路上设置有第四压力表444；

第四减压器442用于调节气动阀操纵气路的压力值；第四压力表444用于监测气动阀操纵气路的压力值；当第四压力表444的数值大于所需压力时，打开第八截止阀443，第八截止阀443用于对气动阀操纵气路放气泄压。

具体地，气动阀操纵气路上设置有依次连通的第二十五截止阀441、第四减压器442和第六三通阀，第六三通阀的一端连通第八截止阀443，第六三通阀的另一端依次连通第四压力表444、第二十六截止阀445和缓冲罐446。

本申请的一个实施例中，为了给气动减压器操纵气路提供氮气，参见图4所示；其中第五条支路是气动减压器操纵气路；气动减压器操纵气路上依次设置有连通的第五减压器452和第七三通阀；第七三通阀的一端支路上设置有第九截止阀453，且第七三通阀的另一端支路上设置有第五压力表454；

第五减压器452用于调节气动减压器操纵气路的压力值；第五压力表454用于监测气动减压器操纵气路的压力值；当第五压力表454的数值大于所需压力时，打开第九截止阀453，第九截止阀453用于对气动减压器操纵气路放气泄压。

具体的，气动减压器操纵气路上设置有依次连通的第二十七截止阀451、第五减压器452和第七三通阀，第七三通阀的一端连通第九截止阀453，第七三通的另一端依次连通第四压力表444和第二十八截止阀455。

本申请的氮供应系统的工作过程如下：

首先打开第十截止阀102，对液氮储箱进行填充，主要的方式利用槽车通过加注口101充填；液氮储箱填充之后，关闭第十截止阀102，打开第十一截止阀301，启动低温泵302，打开第十二截止阀305，启动气化器306，打开第十三截止阀308，观察第一温度传感器104、第一压力传感器105和第二温度传感器303，确保低温泵302安全运行，观察第二压力传感器307和第三温度传感器309，确保气化器306在安全压力范围内运行，通过观察第七压力表313至氮气储罐310到达设计压力时，关闭第十三手动截止阀402、气化器306、低温泵302和第十一截止阀301，打开第十四截止阀311，待管路中残留液体放气完毕后关闭第十二截止阀305和第十四截止阀311，至此氮气储罐310充填完毕。

待氮气储罐310填充后，打开第十四截止阀311和手动截止阀402，之后打开第二十五截止阀441，调节第四减压器442使输出压力为所需压力大小，通过第四压力表444进行指示，若调错输出压力则通过打开第八截止阀443来进行放气泄压，之后打开第二十六截止阀445，此时系统中各气动阀可以驱动，打开气动截止阀403，关闭手动截止阀402。之后打开第十九截止阀411，调节第一减压器412使输出压力为所需压力大小，通过第一压力表414进行指示，若调错输出压力则通过打开第五截止阀413来进行放气泄压，之后打开第二十截止阀415，至此氧化剂储罐增压路调节完毕。之后打开第二十一截止阀421，调节第二减压器422使输出压力为所需压力大小，通过第二压力表424进行指示，若调错输出压力则通过打开第六截止阀423来进行放气泄压，之后打开第二十二截止阀425，至此燃料储罐增压路调节完毕。之后打开第二十三截止阀431，调节第三减压器432使输出压力为所需压力大小，通过第三压力表434进行指示，若调错输出压力则通过打开第七截止阀433来进行放气泄压，之后打开第二十四截止阀435，至此系统吹除路调节完毕。之后打开第二十七截止阀451和第二十八截止阀455，调节第五减压器452通过第五压力表454进行指示，观察气动减压器输出压力，调节减第五压器使气动减压器输出压力为所需压力大小，若调错输出压力则通过打开第九截止阀453来进行放气泄压，至此气动减压器操纵气路调节完毕。

进行液氮冷却过程中，首先需要进行试验准备，确认系统储箱出口处阀门处于关闭状态。打开第十六截止阀201，观察第四温度传感器202。针对氧化剂路，打开第一截止阀204，观察第五温度传感器205，确保液氮温度在设计范围内。针对燃料路，打开手动截止阀402第三，观察第六温度传感器208，确保液氮温度在设计范围内。液氮预冷完毕后，关闭第十六截止阀201，关闭第一截止阀204和第三截止阀207，打开第十七截止阀203，打开第二截止阀206和第四截止阀209。待管路中残留液体放气完毕后关闭第十七截止阀203，关闭第二截止阀206和第四截止阀209，至此液氮冷却过程操作完毕。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。