[發明專利]一種航天發射場液氫過冷度獲取系統

有效

• 申請號: 202010320378.5
• 申請日: 2020-04-22
• 公開（公告）號: CN111503921B
• 公開（公告）日: 2021-07-27
• 發明（設計）人: 王磊;上官石;劉柏文;厲彥忠;謝福壽;馬原
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: F25B9/12
• 分類號: F25B9/12;F25B9/06;F25B49/02;F28D21/00;F28F27/00
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 賀建斌

一種航天發射場液氫過冷度獲取系統，包括液氫儲罐，液氫儲罐的頂部增壓口通過閥門和高壓氦氣瓶出口連接；液氫儲罐底部出口通過循環泵連接氦?氫換熱器的液氫側入口，氦?氫換熱器的液氫側出口通過回流止回閥連接液氫儲罐頂部回流口；氦?氫換熱器的氦氣側出口通過冷氦壓縮機連接液氫浴式換熱器的氦氣側入口，液氫浴式換熱器的氦氣側出口通過節流閥連接氦?氫換熱器氦氣側入口；液氫浴式換熱器的液氫入口通過浮子調節閥與液氫儲槽底部出口連接，液氫浴式換熱器的氫氣出口經氫氣泄流閥排空；本發明利用發射場大量存在的液氫冷源實施預冷，結合冷氦壓縮機，可規?；瘜崿F大過冷度液氫的發射場現場制備；設備投資與改造成本低，易于工程實現。

技術領域

本發明涉及航天發射場致密化低溫燃料的制備技術領域，具體涉及一種航天發射場液氫過冷度獲取系統。

背景技術

液氫/液氧是當前比沖最高的一組推進劑組合，相對于常溫推進劑，其比沖高出30％～40％，因此，該推進劑應用于運載火箭上面級可顯著提高火箭運載能力。

航天用液氫通常處于飽和溫度，即20K，常壓下密度約71.3kg/m³。若對液氫過冷，則有利于增大液氫密度，減小貯箱體積，提高火箭運載能力。當液氫過冷至13.9K(氫三相點)時，液氫的密度為77.0kg/m³，密度提升約8.1％。此外，航天發射采用過冷液氫有利于管理液氫，深空探測采用過冷液氫可延長液氫無損貯存期限或降低蒸發損失。氫的三相點溫度13.9K，三相點壓力約7.1kPa，若采用抽空系統制備近三相點過冷氫，則需要多級真空泵串聯才能達到目標，這對真空泵系統提出了極高的技術挑戰。

大部分液體過冷是利用溫度更低的流體換熱來實現，對于氫而言，僅有負壓飽和氫與氦滿足要求，但常規方案獲得低溫氦成本極高，設備能耗極大。

獲取液氫過冷的方法包括：負壓氫換熱法、氦氣鼓泡法、氦制冷機法。負壓氫換熱法要求對氫系統抽真空，其設備復雜，存在安全隱患，且氫真空泵研制難度極大，成本高昂，獲得額定負壓需要多臺真空泵串聯布置，能耗極大；氦氣鼓泡法通過向推進劑貯罐通入氦氣獲取過冷度，其操作簡單、可靠性高，但是應用在液氫過冷時獲取的過冷度有限，氦氣的消耗極大，需要較高的投資成本；氦制冷機用于液氫溫區制冷時，系統最低溫度為液氫過冷目標溫度，通常低于20K；系統最高溫度為室溫。在該大溫差區間制冷時，氦制冷系統的效率極低，功耗極大，且氦制冷機的設備投資較高。

截止目前，航天領域已經實現了對液氧、液甲烷、煤油等推進劑過冷，但尚未對液氫開展工程應用級的過冷操作，未來的航天探測對過冷氫的需求迫切。氫氧火箭發射任務中，發射場燃料儲罐通常存儲過量的液氫，每次任務后，均需要將地面儲罐內剩余液氫進行安全處理。若將多余的液氫用作冷源并不會影響正常的航天發射，目前，已經具備了進、排氣溫度均處于低溫區的冷氦壓縮機，該型壓縮機工作溫度最低可達氦溫區。

發明內容

為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供了一種航天發射場液氫過冷度獲取系統，以氦氣為冷量傳輸的載體，利用發射場充足的飽和液氫對氦氣開展預冷，再通過氦氣膨脹制冷，制備溫度低于20K的低溫氦氣，通過冷氦氣與液氫的換熱，進而制備過冷液氫，甚至制備固液混合漿氫。

為了達到上述目的，本發明采取的技術方案為：

一種航天發射場液氫過冷度獲取系統，包括液氫儲罐5，液氫儲罐5的頂部增壓口通過背壓調節閥8、泄壓閥9與高壓氦氣瓶10出口連接；液氫儲罐5底部出口連接循環泵6入口，循環泵6出口連接氦-氫換熱器4的液氫側入口，氦-氫換熱器4的液氫側出口連接回流止回閥7入口，回流止回閥7出口連接液氫儲罐5頂部回流口；

氦-氫換熱器4的氦氣側出口連接冷氦壓縮機1入口，冷氦壓縮機1出口連接液氫浴式換熱器2的氦氣側入口，液氫浴式換熱器2的氦氣側出口連接節流閥3入口，節流閥3出口連接氦-氫換熱器4氦氣側入口；