[发明专利]火箭氧箱冷氦增压系统中增压气瓶布置方法

说明书

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。

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。