火箭氧箱冷氦增压系统中增压气瓶布置方法

摘要

本发明涉及火箭氧箱冷氦增压系统中增压气瓶布置方法，将16个冷氦气瓶列状布置于氧箱内筒段，16个冷氦气瓶分3列布置，每列冷氦气瓶个数分别为5个、6个、5个，16个冷氦气瓶还构成层状设置，每一层上3个冷氦气瓶在氧箱圆周上相距60°，底层3个冷氦气瓶中心位置所处平面距氧箱后赤道面300mm，相连两层冷氦气瓶的间隔为678mm。与现有技术相比，本发明通过合理设计冷氦气瓶在液氧箱中的布置方式和数量，在保证增压系统正常工作的情况下，不仅能够减轻增压系统自身重量，同时能够减少增压用氦气量，进而提高火箭运载能力，同时具有较高的安全可靠性。

说明书

技术领域

本发明属于运载火箭增压输送系统与低温工程技术领域，尤其是涉及火箭氧箱冷氦增压系统中增压气瓶布置方法。

背景技术

冷氦增压系统是低温液体推进系统的关键技术之一。该系统通常利用氦气作为增压介质，且氦气瓶置于液氧箱内，低温高压氦气经过减压和加温后进入氧箱气枕，用于对氧箱进行增压，以保证发动机泵入口的压力要求。冷氦增压能够减轻增压系统重量，减少常温气瓶补压用氦量，提高火箭运载能力；同时氦气化学性质比较稳定，不会与推进剂发生反应。

国外S-VIB、H-1和H-2、阿里安、能源号火箭应用了将冷氦气瓶安装于液氢箱的冷氦增压技术；俄罗斯、乌克兰研制的天顶号火箭、美国土星五号火箭和猎鹰9应用了可置于液氧箱中的与液氧相容的冷氦气瓶及相应的增压技术。国内某火箭的三子级应用了冷氦气瓶放置于液氢箱中的冷氦增压技术。

我国正在研制大推力液氧煤油发动机，与液氧相容的冷氦增压技术具有一定的先进性，但目前国内相关领域比较缺乏针对气瓶放置于液氧箱中的冷氦增压技术，也没有与液氧相容的相关冷氦增压技术专利。针对不同气瓶安装布局，增压过程中冷氦气瓶与气枕及液氧的传热特性也不同，需要考虑不同气瓶布局条件下，增压过程气瓶热力状态的变化、气瓶最低温度，以及气枕与液氧的温度、压力变化情况。为了提高增压安全可靠性和减少增压用氦量，针对冷氦气瓶安装位置的设计布局，需要通过仿真分析进行优化，为地面模拟实验系统的方案设计提供指导。

发明内容

本发明的目的在于：在目前国内相关领域比较缺乏针对气瓶放置于液氧箱中的冷氦增压技术的情况下，提出了一种火箭氧箱冷氦增压系统中增压气瓶布置方法，本发明重点在于给出了冷氦气瓶在液氧箱中的列状布置方式，以保证增压系统正常工作，同时提高增压安全可靠性并减少增压用氦量。本发明还提供了气瓶列状布置方式下的增压仿真结果。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种火箭氧箱冷氦增压系统中增压气瓶布置方法，将16个冷氦气瓶列状布置于氧箱内筒段，16个冷氦气瓶分3列布置，每列冷氦气瓶个数分别为5个、6个、5个。

进一步地，所述的冷氦气瓶紧贴氧箱壁面布置。

进一步地，16个冷氦气瓶还构成层状设置，共6层，下面5层每一层均有3个冷氦气瓶，最上面的一个冷氦气瓶处在含有6个冷氦气瓶的列上。

进一步地，每一层上3个冷氦气瓶在氧箱圆周上相距60°。

进一步地，底层3个冷氦气瓶中心位置所处平面距氧箱后赤道面300mm。

进一步地，相连两层冷氦气瓶的间隔为678mm。

进一步地，所述的冷氦气瓶为球形气瓶。

进一步地，所述的冷氦气瓶材料为与液氧相容的高温合金。

进一步地，所述的冷氦气瓶体积为40L。

进一步地，所述的冷氦气瓶初始压力为23MPa，初始温度为90K。

火箭氧箱冷氦增压系统主要包括氧箱、设置在氧箱中的冷氦气瓶、减压器、节流圈、加热器等常规装置及相应管路，冷氦气瓶中氦气经过减压器减压、节流圈控制流量后进入加热器中加温，减压和加温后的氦气进入氧箱的气枕进行增压。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明通过合理设计冷氦气瓶在液氧箱中的布置方式和数量，减轻了增压系统重量，减少了增压用氦量，可以提高火箭运载能力。

2、通过航空航天领域广泛使用的SindaFluint软件的模拟计算，证实本发明的增压气瓶布置方式可以保证增压系统正常工作，同时不会对氧箱中的液氧产生不利影响，具有较高的安全可靠性。

附图说明

图1为冷氦气瓶列状布置于氧箱筒段主视结构示意图；

图2为冷氦气瓶列状布置于氧箱筒段侧视结构示意图；

图3为冷氦气瓶列状布置于氧箱筒段俯视结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

一种火箭氧箱冷氦增压系统中增压气瓶布置方法，如图1-图3所示，将16个冷氦气瓶列状布置于氧箱内筒段，16个冷氦气瓶分3列布置，每列冷氦气瓶个数分别为5个、6个、5个。16个冷氦气瓶2还构成层状设置，共6层，下面5层每一层均有3个冷氦气瓶2，最上面的一个冷氦气瓶2处在含有6个冷氦气瓶2的列上。每一层上3个冷氦气瓶2在氧箱1圆周上相距60°。底层3个冷氦气瓶2中心位置所处平面距氧箱1后赤道面300mm。相连两层冷氦气瓶2的间隔为678mm。冷氦气瓶2紧贴氧箱1壁面布置。冷氦气瓶2为球形气瓶。冷氦气瓶2材料为与液氧相容的高温合金。冷氦气瓶2体积为40L。冷氦气瓶2初始压力为23MPa，初始温度为90K。

火箭氧箱冷氦增压系统主要包括氧箱、设置在氧箱中的冷氦气瓶、减压器、节流圈、加热器等常规装置及相应管路，冷氦气瓶中氦气经过减压器减压、节流圈控制流量后进入加热器中加温，减压和加温后的氦气进入氧箱的气枕进行增压。

应用本实施例的火箭氧箱冷氦增压系统中增压气瓶列状布置方式的冷氦气瓶加注过程和增压过程具体见以下实施例2与实施例3。

实施例2

冷氦气瓶加注过程具体步骤如下：

1、火箭发射前，氧箱1内液氧加注完毕，液氧初始温度为90K；

2、冷氦气瓶2开始充氦气，氦气加注温度为80K，加注流量为0.02kg/s；

3、冷氦气瓶2充氦气至23MPa，停放过程连续补氦保持23MPa。

经过仿真计算得出，列状布置方式下，冷氦气瓶经过2800s达到23MPa，气瓶内温度压力达到稳定需要3200s，气瓶最高温度是93.71K，气瓶与液氧的最大传热量为4222W。

实施例3

增压过程具体步骤如下：

1、压力信号器检测氧箱1中的气枕压力，当气枕压力小于额定值时，控制器打开增压管路上的电磁阀，低温高压氦气从并联的16个冷氦气瓶2中输出，氦气流量0.26kg/s；

2、氦气经过减压器减压、节流圈控制流量；

3、氦气进入加热器中加温至约500K；

4、减压和加温后的氦气进入氧箱1的气枕进行增压。

经过仿真计算得出，针对气瓶列状布置方式，氧箱内的压力基本维持在0.32MPa，开始阶段压力波动较大，之后逐渐稳定；液氧温度基本维持在90K。增压过程中，气瓶最低温度77.4K，最高末温105.17K，末压10.7MPa，增压用氦量27.9kg。可以看出，气瓶列状布置方式能够保证增压系统正常工作，且具有较高的安全可靠性。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。