本發(fā)明屬于運(yùn)載火箭增壓輸送系統(tǒng)與低溫工程技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及火箭氧箱冷氦增壓系統(tǒng)中增壓氣瓶布置方法。

背景技術(shù)：

冷氦增壓系統(tǒng)是低溫液體推進(jìn)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。該系統(tǒng)通常利用氦氣作為增壓介質(zhì)，且氦氣瓶置于液氧箱內(nèi)，低溫高壓氦氣經(jīng)過減壓和加溫后進(jìn)入氧箱氣枕，用于對(duì)氧箱進(jìn)行增壓，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)泵入口的壓力要求。冷氦增壓能夠減輕增壓系統(tǒng)重量，減少常溫氣瓶補(bǔ)壓用氦量，提高火箭運(yùn)載能力；同時(shí)氦氣化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定，不會(huì)與推進(jìn)劑發(fā)生反應(yīng)。

國外S-VIB、H-1和H-2、阿里安、能源號(hào)火箭應(yīng)用了將冷氦氣瓶安裝于液氫箱的冷氦增壓技術(shù)；俄羅斯、烏克蘭研制的天頂號(hào)火箭、美國土星五號(hào)火箭和獵鷹9應(yīng)用了可置于液氧箱中的與液氧相容的冷氦氣瓶及相應(yīng)的增壓技術(shù)。國內(nèi)某火箭的三子級(jí)應(yīng)用了冷氦氣瓶放置于液氫箱中的冷氦增壓技術(shù)。

我國正在研制大推力液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，與液氧相容的冷氦增壓技術(shù)具有一定的先進(jìn)性，但目前國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域比較缺乏針對(duì)氣瓶放置于液氧箱中的冷氦增壓技術(shù)，也沒有與液氧相容的相關(guān)冷氦增壓技術(shù)專利。針對(duì)不同氣瓶安裝布局，增壓過程中冷氦氣瓶與氣枕及液氧的傳熱特性也不同，需要考慮不同氣瓶布局條件下，增壓過程氣瓶熱力狀態(tài)的變化、氣瓶最低溫度，以及氣枕與液氧的溫度、壓力變化情況。為了提高增壓安全可靠性和減少增壓用氦量，針對(duì)冷氦氣瓶安裝位置的設(shè)計(jì)布局，需要通過仿真分析進(jìn)行優(yōu)化，為地面模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于：在目前國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域比較缺乏針對(duì)氣瓶放置于液氧箱中的冷氦增壓技術(shù)的情況下，提出了一種火箭氧箱冷氦增壓系統(tǒng)中增壓氣瓶布置方法，本發(fā)明重點(diǎn)在于給出了冷氦氣瓶在液氧箱中的列狀布置方式，以保證增壓系統(tǒng)正常工作，同時(shí)提高增壓安全可靠性并減少增壓用氦量。本發(fā)明還提供了氣瓶列狀布置方式下的增壓仿真結(jié)果。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

一種火箭氧箱冷氦增壓系統(tǒng)中增壓氣瓶布置方法，將16個(gè)冷氦氣瓶列狀布置于氧箱內(nèi)筒段，16個(gè)冷氦氣瓶分3列布置，每列冷氦氣瓶個(gè)數(shù)分別為5個(gè)、6個(gè)、5個(gè)。

進(jìn)一步地，所述的冷氦氣瓶緊貼氧箱壁面布置。

進(jìn)一步地，16個(gè)冷氦氣瓶還構(gòu)成層狀設(shè)置，共6層，下面5層每一層均有3個(gè)冷氦氣瓶，最上面的一個(gè)冷氦氣瓶處在含有6個(gè)冷氦氣瓶的列上。

進(jìn)一步地，每一層上3個(gè)冷氦氣瓶在氧箱圓周上相距60°。

進(jìn)一步地，底層3個(gè)冷氦氣瓶中心位置所處平面距氧箱后赤道面300mm。

進(jìn)一步地，相連兩層冷氦氣瓶的間隔為678mm。

進(jìn)一步地，所述的冷氦氣瓶為球形氣瓶。

進(jìn)一步地，所述的冷氦氣瓶材料為與液氧相容的高溫合金。

進(jìn)一步地，所述的冷氦氣瓶體積為40L。

進(jìn)一步地，所述的冷氦氣瓶初始?jí)毫?3MPa，初始溫度為90K。

火箭氧箱冷氦增壓系統(tǒng)主要包括氧箱、設(shè)置在氧箱中的冷氦氣瓶、減壓器、節(jié)流圈、加熱器等常規(guī)裝置及相應(yīng)管路，冷氦氣瓶中氦氣經(jīng)過減壓器減壓、節(jié)流圈控制流量后進(jìn)入加熱器中加溫，減壓和加溫后的氦氣進(jìn)入氧箱的氣枕進(jìn)行增壓。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：

1、本發(fā)明通過合理設(shè)計(jì)冷氦氣瓶在液氧箱中的布置方式和數(shù)量，減輕了增壓系統(tǒng)重量，減少了增壓用氦量，可以提高火箭運(yùn)載能力。

2、通過航空航天領(lǐng)域廣泛使用的SindaFluint軟件的模擬計(jì)算，證實(shí)本發(fā)明的增壓氣瓶布置方式可以保證增壓系統(tǒng)正常工作，同時(shí)不會(huì)對(duì)氧箱中的液氧產(chǎn)生不利影響，具有較高的安全可靠性。

附圖說明

圖1為冷氦氣瓶列狀布置于氧箱筒段主視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為冷氦氣瓶列狀布置于氧箱筒段側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為冷氦氣瓶列狀布置于氧箱筒段俯視結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

實(shí)施例1

一種火箭氧箱冷氦增壓系統(tǒng)中增壓氣瓶布置方法，如圖1-圖3所示，將16個(gè)冷氦氣瓶列狀布置于氧箱內(nèi)筒段，16個(gè)冷氦氣瓶分3列布置，每列冷氦氣瓶個(gè)數(shù)分別為5個(gè)、6個(gè)、5個(gè)。16個(gè)冷氦氣瓶2還構(gòu)成層狀設(shè)置，共6層，下面5層每一層均有3個(gè)冷氦氣瓶2，最上面的一個(gè)冷氦氣瓶2處在含有6個(gè)冷氦氣瓶2的列上。每一層上3個(gè)冷氦氣瓶2在氧箱1圓周上相距60°。底層3個(gè)冷氦氣瓶2中心位置所處平面距氧箱1后赤道面300mm。相連兩層冷氦氣瓶2的間隔為678mm。冷氦氣瓶2緊貼氧箱1壁面布置。冷氦氣瓶2為球形氣瓶。冷氦氣瓶2材料為與液氧相容的高溫合金。冷氦氣瓶2體積為40L。冷氦氣瓶2初始?jí)毫?3MPa，初始溫度為90K。

火箭氧箱冷氦增壓系統(tǒng)主要包括氧箱、設(shè)置在氧箱中的冷氦氣瓶、減壓器、節(jié)流圈、加熱器等常規(guī)裝置及相應(yīng)管路，冷氦氣瓶中氦氣經(jīng)過減壓器減壓、節(jié)流圈控制流量后進(jìn)入加熱器中加溫，減壓和加溫后的氦氣進(jìn)入氧箱的氣枕進(jìn)行增壓。

應(yīng)用本實(shí)施例的火箭氧箱冷氦增壓系統(tǒng)中增壓氣瓶列狀布置方式的冷氦氣瓶加注過程和增壓過程具體見以下實(shí)施例2與實(shí)施例3。

實(shí)施例2

冷氦氣瓶加注過程具體步驟如下：

1、火箭發(fā)射前，氧箱1內(nèi)液氧加注完畢，液氧初始溫度為90K；

2、冷氦氣瓶2開始充氦氣，氦氣加注溫度為80K，加注流量為0.02kg/s；

3、冷氦氣瓶2充氦氣至23MPa，停放過程連續(xù)補(bǔ)氦保持23MPa。

經(jīng)過仿真計(jì)算得出，列狀布置方式下，冷氦氣瓶經(jīng)過2800s達(dá)到23MPa，氣瓶?jī)?nèi)溫度壓力達(dá)到穩(wěn)定需要3200s，氣瓶最高溫度是93.71K，氣瓶與液氧的最大傳熱量為4222W。

實(shí)施例3

增壓過程具體步驟如下：

1、壓力信號(hào)器檢測(cè)氧箱1中的氣枕壓力，當(dāng)氣枕壓力小于額定值時(shí)，控制器打開增壓管路上的電磁閥，低溫高壓氦氣從并聯(lián)的16個(gè)冷氦氣瓶2中輸出，氦氣流量0.26kg/s；

2、氦氣經(jīng)過減壓器減壓、節(jié)流圈控制流量；

3、氦氣進(jìn)入加熱器中加溫至約500K；

4、減壓和加溫后的氦氣進(jìn)入氧箱1的氣枕進(jìn)行增壓。

經(jīng)過仿真計(jì)算得出，針對(duì)氣瓶列狀布置方式，氧箱內(nèi)的壓力基本維持在0.32MPa，開始階段壓力波動(dòng)較大，之后逐漸穩(wěn)定；液氧溫度基本維持在90K。增壓過程中，氣瓶最低溫度77.4K，最高末溫105.17K，末壓10.7MPa，增壓用氦量27.9kg?？梢钥闯?，氣瓶列狀布置方式能夠保證增壓系統(tǒng)正常工作，且具有較高的安全可靠性。

上述的對(duì)實(shí)施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和使用發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對(duì)這些實(shí)施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應(yīng)用到其他實(shí)施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動(dòng)。因此，本發(fā)明不限于上述實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，不脫離本發(fā)明范疇所做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。