一种火箭发射系统的液体甲烷加注系统的制作方法

1.本实用新型属于火箭推进剂加注技术领域，尤其是涉及一种火箭发射系统的液体甲烷加注系统。


背景技术：

2.火箭推进剂通常是由燃料和氧化剂两种化学物质组成的，通过在燃烧室进行反应，剧烈放热，推动火箭。目前较普遍的一种液体推进剂组合是用混肼
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50作燃烧剂，四氧化二氮作氧化剂。另一种组合是用液氢作燃料，液氧作氧化剂，这种组合是当前最有潜力的组合，其燃烧效率很高。
3.混肼
‑
50和四氧化二氮组合推进剂具有燃烧效率低、物料高毒性且价格昂贵等缺点。液氢和液氧组合推进剂虽燃烧效率高，但具有以下缺点：(1)液氢沸点很低，常压储存温度约
‑
252度左右，使用过程中不能遇到空气，否则结冰的氧和氮气会堵塞管道，加大储存和操作难度。(2)由于液氢密度小，所以火箭贮箱要求很大，加大发射难度。(3)由于氢超低温，极易蒸发和逃逸，火箭贮箱保温材料加重，增加发射推力要求。
4.由于以上现有推进剂的缺点，不利于民用航天发展。因此，采用了液体甲烷和液氧组合推进剂来满足航天发射要求，具有以下优点：(1)液体甲烷作为燃烧剂，其无毒且燃烧产物为水和co2，环境友好；(2)相比液氢，液体甲烷储存温度约
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160度左右，高于液氢储存温度，可大大降低加注系统选材和操作要求。(3)相比液氢，液体甲烷具有再生冷却优势，非常适合做发动机再生冷却剂且燃烧过程中基本不产生结焦，不存在积碳现象，故降低发动机运行故障风险。
5.现有的甲烷加注系统，存在的缺点有：不能满足火箭一二级贮箱同时加注要求，火箭发射前相应准备时间长，且缺乏可靠的冗余结构；且采用强电设备，可能因为用电转动设备故障导致发射失败，另一方面发射费用高；没有采用射前预冷补加措施，火箭贮箱燃烧剂储量有可能不足，不能可靠保障后续发射过程。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本实用新型旨在提出一种火箭发射系统的液体甲烷加注系统，以满足民用或军用液氧和液体甲烷组合推进剂的发射要求。
7.为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：
8.本实用新型提供了一种火箭发射系统的液体甲烷加注系统，包括通过管路连接的液体甲烷储存系统、液路加注系统和液体甲烷排放处理系统，
9.所述液体甲烷储存系统具有自增压结构，并通过管路连接液路加注系统，所述液路加注系统包括两个互为冗余的加注管路，所述加注管路包括通过管路连接的过冷控制单元和加注流量控制单元；两个所述加注流量控制单元的管路之间设有互备阀22；所述液体甲烷排放处理系统通过管路连接加注流量控制单元。
10.进一步的，所述液体甲烷储存系统包括液体甲烷储罐和自增压仪器，所述液体甲
烷储罐与自增压仪器通过管路形成设有第一调节阀的回路；所述液体甲烷储罐上安装有第一温度采集仪表，所述第一温度采集仪表与第一调节阀信号连接控制器构成压力控制回路；所述液体甲烷储罐顶部通过一开关阀连接放空系统。
11.进一步的，所述过冷控制单元包括过冷器和第二空浴器，所述过冷器一进口通过三通阀连接所述液体甲烷储存系统；所述第二空浴器的进口通过第二调节阀连通低温冷源，所述第二空浴器的出口通过第一开关阀连接所述过冷器；所述过冷器的的出口通过单向阀连接加注流量控制单元，所述三通阀的另一个出口也连接加注流量控制单元；
12.所述过冷器的顶部依次通过第二开关阀和第三调节阀连通安全地点放空；所述过冷器上设有第一压力信号采集仪表和第二温度信号采集仪表，所述所述过冷器与单向阀连接的管路上设有第三温度信号采集仪表，所述第一压力信号采集仪表、第二温度信号采集仪表、第三温度信号采集仪表、第二调节阀、第一开关阀、第二开关阀和第三调节阀均信号连接控制器；其中，控制器与第二调节阀、第三温度信号采集仪表构成第一过冷温度控制回路，控制器与第二开关阀、第二温度信号采集仪表构成第二过冷温度控制回路，控制器与第三调节阀、第一压力信号采集仪表通过信号控制构成过冷安全控制回路。
13.进一步的，所述加注流量控制单元包括通过管路依次连接的流量信号采集仪表、第四调节阀、热甲烷排放四阀组、加注进料三阀组、软管和过滤器，所述流量信号采集仪表的另一端连接三通阀和单向阀，过滤器的另一端连接火箭的贮箱，所述第四调节阀与热甲烷排放四阀组之间的管路上还设有第四温度信号采集仪表，所述流量信号采集仪表、第四调节阀和第四温度信号采集仪表均信号连接控制器；其中，控制器与流量信号采集仪表、第四调节阀通过信号控制构成加注流量控制回路。
14.进一步的，所述液体甲烷排放处理系统包括通过管路连接的热甲烷排放三阀组和热氧收集罐，所述热甲烷排放三阀组的另一端连接所述加注流量控制单元，所述热氧收集罐连接安全排放处理系统，所述热氧收集罐和安全排放处理系统均连接火箭的两级贮箱。
15.进一步的，所述液体甲烷储罐顶部通过出料阀连接两个互为冗余的加注管路，所述出料阀为由两个开关阀并联构成的冗余结构。
16.相对于现有技术，本实用新型所述的加注系统具有以下优势：
17.(1)为保障发射要求，系统设置冗余设置，两路加注管路、互备阀、出料阀组、热甲烷排放四阀组、热甲烷排放三阀组及加注进料三通阀组等冗余结构。两路加注管路可以满足火箭一二级贮箱同时加注要求的同时，提高了效率。采用本系统以上冗余措施，发射保障率高达99.9％；且可以实现加注过程无人值守，保障发射过程现场安全性。
18.(2)加注压力通过空浴器气化自身介质，避免外界介质，比如氮气增压对推进剂品质的影响。
19.(3)采用射前预冷补加措施，可以增加火箭贮箱燃烧剂储量，保障后续发射过程。同时，为避免液体甲烷凝固堵塞加注管路，设置过冷温度安全控制回路及单向阀11，当过冷器中液氮温度过低时，联锁关闭氮气出口开关阀和液氮进口开关阀。
20.(4)整个加注系统没有使用强电设备，一方面避免用电转动设备故障导致发射失败，另一方面可减低发射费用。
21.(5)上述液体甲烷加注系统可以满足民用或军用液氧和液体甲烷组合推进剂发射的要求。
附图说明
22.构成本实用新型的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
23.图1为本实用新型实施例所述的液体甲烷加注系统的系统结构图。
24.附图标记说明：
25.液体甲烷储罐1、第一空浴器2、压力控制回路3、放空系统4、出料阀5，三通阀6、过冷器7、第一过冷温度控制回路8、第二过冷温度控制回路9、第二过冷安全控制回路10、单向阀11、加注流量控制回路12、第四温度信号采集仪表13、热甲烷排放四阀组14、加注进料三阀组15、软管16、过滤器17、热甲烷排放三阀组18、火箱19、热氧收集罐20、火炬系统21、互备阀22、一级贮箱23、二级贮箱24、第二空浴器25。
具体实施方式
26.需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
27.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。
28.一种火箭发射系统的液体甲烷加注系统，如图1所示，包括通过管路连接的液体甲烷储存系统、液路加注系统和液体甲烷排放处理系统，
29.所述液体甲烷储存系统具有自增压结构，并通过管路连接液路加注系统，所述液路加注系统包括两个互为冗余的加注管路，所述加注管路包括通过管路连接的过冷控制单元和加注流量控制单元；两个所述加注流量控制单元的管路之间设有互备阀22；
30.所述液体甲烷排放处理系统通过管路连接加注流量控制单元。
31.本实施例的所述液体甲烷储存系统包括液体甲烷储罐1和第一空浴器2，所述液体甲烷储罐1与第一空浴器2通过管路形成设有第一调节阀的回路，所述液体甲烷储罐1顶部通过一开关阀连接放空系统4，所述放空系统4即为去火炬系统；所述液体甲烷储罐1上安装有第一温度采集仪表，所述第一温度采集仪表与第一调节阀信号连接控制器构成压力控制回路3；
32.其中，与所述液体甲烷储罐1连接的第一空浴器2也可以采用其他热源方式的换热器或增加泵实现自增压功能。
33.所述液体甲烷储罐1顶部通过出料阀5连接两个互为冗余的加注管路，所述加注管路包括过冷控制单元、加注流量控制单元和热甲烷排放单元；
34.本实施例的所述过冷控制单元包括过冷器7和第二空浴器25，所述过冷器7的顶部进口通过三通阀6连接出料阀5；所述第二空浴器25的进口通过第二调节阀连通液氮源，此处的液氮冷源也可以替换为其他低温冷源；所述第二空浴器25的出口通过第一开关阀连接所述过冷器7的底部；所述过冷器7的的出口通过单向阀11连接加注流量控制单元，所述三通阀6的另一个出口也连接加注流量控制单元；所述过冷器7的顶部依次通过第二开关阀和第三调节阀连通安全地点放空；所述过冷器7上设有第一压力信号采集仪表和第二温度信号采集仪表，所述所述过冷器7与单向阀11连接的管路上设有第三温度信号采集仪表，所述第一压力信号采集仪表、第二温度信号采集仪表、第三温度信号采集仪表、第二调节阀、第
一开关阀、第二开关阀和第三调节阀均信号连接控制器；其中，控制器与第二调节阀、第三温度信号采集仪表构成第一过冷温度控制回路8，控制器与第二开关阀、第二温度信号采集仪表构成第二过冷温度控制回路9，控制器与第三调节阀、第一压力信号采集仪表通过信号控制构成过冷安全控制回路。
35.其中，本实施例中的过冷器可以使盘管式或板式或其他型式的过冷设备。
36.所述加注流量控制单元包括通过管路依次连接的流量信号采集仪表、第四调节阀、热甲烷排放四阀组14、加注进料三阀组15、软管16和过滤器17，所述流量信号采集仪表的另一端连接三通阀6和单向阀11，过滤器17的另一端连接火箭19的贮箱，具体的，两个加注管路的过滤器17分别连接火箭19的一级贮箱23和二级贮箱24；所述第四调节阀与热甲烷排放四阀组14之间的管路上还设有第四温度信号采集仪表13，所述流量信号采集仪表、第四调节阀和第四温度信号采集仪表13均信号连接控制器；其中，控制器与流量信号采集仪表、第四调节阀通过信号控制构成加注流量控制回路12。
37.所述热甲烷排放单元包括通过管路连接的热甲烷排放三阀组18和热氧收集罐20，所述热甲烷排放三阀组18的另一端连接所述所述加注流量控制单元，具体的，所述热甲烷排放三阀组18的另一端连接热甲烷排放四阀组14与加注进料三阀组15之间的管路；所述热氧收集罐20连接火炬系统21，所述热氧收集罐20和火炬系统21均连接火箭19的一级贮箱23和二级贮箱24。
38.其中，火炬系统21可以采用其他安全排放处理系统，比如高空排放。
39.其中，所述出料阀5为由两个开关阀并联构成的冗余结构。
40.上述液体甲烷加注系统的加注方法，包括如下步骤：
41.(1)加注管路及火箭的二级贮箱的预冷
42.i液体甲烷通过槽车卸车至发射厂的液体甲烷储罐1后，打开压力控制回路3，液体甲烷进入第一空浴器2，第一空浴器2利用环境大气热量汽化内部的低温液体甲烷，汽化后的低温天然气回到液体甲烷储罐1，使其系统压力增加并通过压力控制回路3稳定在控制参数内。
43.ii当液体甲烷储罐1内的压力达到使用要求时，打开出料阀5，三通阀6打到a位置，关闭加注进料三阀组15，打开热甲烷排放三阀组18进行加注管路的预冷。
44.iii当加注管路预冷达到使用要求时，关闭热甲烷排放三阀组18，打开加注进料三阀组15进行火箭贮箱的预冷。预冷过程中产生的低温甲烷气体或液体进入热甲烷收集罐20，热甲烷收集罐20内的甲烷气体经火炬系统21安全处理排放。
45.(2)大流量加注
46.当火箭贮箱的预冷完毕后，通过压力控制回路3提高液体甲烷储罐1的压力，同时打开加注流量控制回路12，液体甲烷大流量加入到火箭的两级贮箱。
47.(3)热甲烷排放
48.大流量加注后，整个加注系统需要停放一段时间，由于在此期间吸收环境的热量，加注系统内部的液体甲烷升温，为了满足航天发射要求，需要排放温度升高后的热量。此时，关闭加注进料三阀组15，打开热甲烷排放三阀组18来排放系统内部的热甲烷，直到当第四温度信号采集仪表13采集的温度参数满足要求时，关闭热甲烷排放三阀组18。
49.(4)小流量过冷射前补加
50.为了满足航天发射要求，射前补加应过冷加注，此时打开加注进料三阀组15，三通阀6达到b位置，打开过第一冷温度控制回路8和第二温度控制回路9，通过液氮把液体甲烷过冷到目标温度后加注到火箭的二级贮箱。
51.(5)甲烷安全排放处理系统
52.在加注管路及火箭贮箱预冷、大流量加注、热甲烷排放和小流量过冷射前补加过程中，排放的热甲烷进入热甲烷收集罐20，热甲烷收集罐20内的热甲烷气体和火箭贮箱排放的热甲烷气体进入火炬系统21进行安全处理后排放。
53.以某商业航天发射为例，液体甲烷加注系统具体实施方式如下：
54.(1)加注管路及火箭贮箱的预冷
55.i液体甲烷通过槽车卸车至发射厂液体甲烷储罐1后，打开压力控制回路3，液体甲烷进入第一空浴器，第一空浴器利用环境大气热量汽化内部低温液体甲烷，汽化后的低温天然气回到液体甲烷储罐1，使其系统压力增加并通过压力控制回路3稳定0.3mpag。
56.ii打开出料阀5，三通阀6打到a位置，关闭加注进料三阀组15，打开热甲烷排放三阀组18，打开加注流量控制回流12进行加注管路预冷，控制流量为200l/min左右，使预冷速度满足要求。
57.iii当加注管路的第四温度信号采集仪表13达到
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150度时，关闭热甲烷排放三阀组18，打开加注进料三阀组15进行火箭贮箱预冷。
58.(2)大流量加注
59.当火箭贮箱内部的液位达到10％时，通过压力控制回路3提高液体甲烷储罐1的压力至0.8mpag，同时打开加注流量控制回路12，控制加注流量为2500l/min左右，液体甲烷大流量加入到火箭19的1、2级贮箱。
60.(3)热甲烷排放
61.大流量加注后，整个加注系统需要停放一段时间，由于在此期间吸收环境热量，加注系统内部的液体甲烷升温，为了满足航天发射要求，需要排放温度升高后的热量。此时关闭加注进料三阀组15，打开热甲烷排放三阀组18排放系统内部的热甲烷，当第四温度信号采集仪表13采集的温度参数达到
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160度左右时，关闭热甲烷排放三阀组18。
62.(4)小流量过冷射前补加
63.为了满足航天发射要求，射前补加应过冷加注，此时打开加注进料三阀组15，三通阀6达到b位置，打开第一过冷温度控制回路8和第二过冷温度控制回路9，通过液氮把液体甲烷过冷103k后加注到火箭19的贮箱。
64.(5)甲烷安全排放处理系统
65.在加注管路及火箭贮箱预冷、大流量加注、热甲烷排放和小流量过冷射前补加过程中，排放的热甲烷进入热甲烷收集罐20，热甲烷收集罐20内的热甲烷气体和火箭贮箱排放的热甲烷气体进入火炬系统21进行安全处理后排放。
66.整个加注系统没有使用强电设备，一方面避免用电转动设备故障导致发射失败，另一方面可减低发射费用。
67.加注压力通过空浴器气化自身介质，避免外界介质，比如氮气增压对推进剂品质的影响。
68.采用射前预冷补加措施，可以增加火箭贮箱燃烧剂储量，保障后续发射过程。同
时，为避免液体甲烷凝固堵塞加注管路，设置过冷温度安全控制回路及单向阀11，当过冷器中液氮温度过低时，联锁关闭氮气出口开关阀和液氮进口开关阀。
69.为保障发射要求，系统设置冗余设置，两路加注管路、互备阀22、出料阀组5、热甲烷排放四阀组14、热甲烷排放三阀组18及加注进料三通阀组15等冗余结构。两路加注管路可以满足火箭一二级贮箱同时加注要求的同时，提高了效率。采用本系统以上冗余措施，发射保障率高达99.9％。
70.上述液体甲烷加注系统可以满足民用或军用液氧和液体甲烷组合推进剂发射的要求。且可以实现加注过程无人值守，保障发射过程现场安全性。
71.以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。