CN115307915A - 一种用于液体火箭发动机小流量预冷排放的试验*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种液体火箭发动机预冷排放***，具体涉及一种用于液体火箭发动机小流量预冷排放的试验***，解决现有技术在模拟火箭二级发动机实际使用状态的地面试验中，无法同时满足火箭处于滑行状态时的间歇性小流量排放，以及在发动机二次启动时的大流量排放要求的技术问题。该用于液体火箭发动机小流量预冷排放的试验***，包括预冷总管道、外层冷却单元、第一温度测量单元、流量测量单元、第二温度测量单元、压力测量单元以及多个内外管支撑件；预冷总管道的一端用于与并联发动机的预冷排放口分别对接，另一端连通大气；外层冷却单元包括外层冷却总管道、设置在外层冷却总管道上的狭缝布气管与宽缝收集管。

Description

一种用于液体火箭发动机小流量预冷排放的试验***

技术领域

本发明涉及一种液体火箭发动机预冷排放***，具体涉及一种用于液体火箭发动机小流量预冷排放的试验***。

背景技术

在火箭二级动力装置模拟试验中，需按照运行轨道的要求对发动机实施二次启动。因而需要在一次启动后，关闭发动机，在预定的时长后进行二次启动。当模拟发动机的实际使用状态，特别是模拟二级发动机的实际使用状态时，需模拟二级发动机在火箭飞行时的二次启动状态，由于在二级发动机一次启动至二次启动之间，火箭处于滑行状态，二级发动机关闭不工作，因此二级发动机需要进行间歇性小流量排放；而二级发动机所使用的液氧等低温推进剂，必须从二级发动机的排放口进行排放，以确保二级发动机相关部位不发生回温。

火箭在高空飞行时，排放的推进剂可以直接排放在空间，但在地面试验中，需将排出的低温推进剂使用管道输送至安全位置，如该管道选用较小的管道，会造成排放流阻，无法满足直接排放及间歇性小流量排放的要求，如使用大口径管道排放，发动机在停止工作阶段的小流量液氧则无法满足大口径管道的冷却要求，随着时间延长，管道内的低温介质气化会逐渐加剧，导致发动机在启动时，由于排放管路内的液氧气化，对大流量排放造成排放堵塞。

因此如何在地面试验中创造可以模拟发动机在飞行状态下的间歇性小流量排放***，并通过该***获取安全可靠的最小排放量，成为一个关键技术，该技术可以确保模拟发动机在飞行阶段的最小排放量，并验证在该排放量下，发动机起动时的可靠性。而在现有技术中，尚未见能够有效解决相关技术问题的报道。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术在模拟火箭二级发动机实际使用状态的地面试验中，无法同时满足火箭处于滑行状态时的间歇性小流量排放，以及在发动机二次启动时的大流量排放要求的技术问题，而提供一种用于液体火箭发动机小流量预冷排放的试验***。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

一种用于液体火箭发动机小流量预冷排放的试验***，其特殊之处在于：包括预冷总管道、外层冷却单元、第一温度测量单元、流量测量单元、第二温度测量单元、压力测量单元以及多个内外管支撑件；预冷总管道的一端用于与并联发动机的预冷排放口分别对接，另一端连通大气；从预冷总管道的入口至预冷总管道的出口依次设置有第一温度测量单元、流量测量单元、第二温度测量单元及压力测量单元；

外层冷却单元包括外层冷却总管道、设置在外层冷却总管道上的狭缝布气管与宽缝收集管；

外层冷却总管道套设于预冷总管道的外部，并与预冷总管道之间形成冷却介质容置空腔；

狭缝布气管靠近并联发动机的预冷排放口的一端设置有与外部冷却介质装置连接的入口，用于向狭缝布气管中输送冷却介质；狭缝布气管远离并联发动机预冷排放口的一端为盲端；狭缝布气管上开设有狭缝，狭缝位于冷却介质容置空腔内，用于向冷却介质容置空腔输送冷却介质；

宽缝收集管远离并联发动机预冷排放口的一端连通外部，靠近并联发动机的一端为盲端；宽缝收集管上开设置有宽缝，宽缝位于冷却介质容置空腔内，用于收集冷却介质容置空腔内的冷却介质；狭缝的宽度小于宽缝的宽度；

预冷总管道和外层冷却总管道之间设置多个内外管支撑件。

进一步地，所述外层冷却总管道包括相对设置的第一半圆弧管及第二半圆弧管；

狭缝布气管设置于第一半圆弧管与第二半圆弧管的一侧管壁之间，宽缝收集管设置于第一半圆弧管与第二半圆弧管的另一侧管壁之间，形成一个主体为圆柱形结构的外层冷却管道；外层冷却管道的中心轴线与预冷总管道中心轴线重合。

进一步地，所述外层冷却总管道包括相对设置的第一冷却件及第二冷却件，第一冷却件和第二冷却件为半圆弧管状结构；

第一冷却件和第二冷却件之间相互扣合并密封连接，形成一个主体为圆柱形结构的外层冷却管道，并在扣合连接处形成两个安装容腔；狭缝布气管和宽缝收集管分别设置在两个安装容腔内。

进一步地，所述第一冷却件包括第一圆弧段，以及平滑过渡连接在第一圆弧段两侧的两个第一连接段；

第二冷却件包括第二圆弧段，以及平滑过渡连接在第二圆弧段两侧的两个第二连接段；

第一连接段和第二连接段通过两个连接件密封卡接，形成两个安装容腔，第一连接段和第二连接段之间的距离从扣合处至冷却介质容置空腔处逐渐增大，安装容腔大端靠近冷却介质容置空腔；

狭缝布气管和宽缝收集管分别设置在两个安装容腔的大端。

进一步地，所述连接件包括压条基质、卡扣压条以及软质密封条；

压条基质分别设置于第一连接段、第二连接段的外侧壁上，并与卡扣压条配合，用于第一连接段和第二连接段的一次密封；

软质密封条设置于安装容腔小端，并分别位于狭缝布气管、宽缝收集管与卡扣压条之间，用于第一连接段和第二连接段的二次密封。

进一步地，还包括沿预冷排放气体流向设置在预冷总管道排气端的外层冷却单向阀门，用于防止预冷总管道吸入空气后水汽结冰。

进一步地，还包括沿预冷总管道排放气体流向依次设置在其排气端的预冷控制阀门与预冷流量控制孔板；

预冷流量控制孔板用于调整预冷总管道的排放气体流量。

进一步地，所述狭缝的宽度为0.1mm-0.3mm；

宽缝的宽度为2mm-8mm；

冷却介质为液氧与氮气，其体积配比为7:3。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

1、本发明用于液体火箭发动机小流量预冷排放的试验***，由于在预冷总管道的外部套设外层冷却单元，形成简易双层结构；可以满足间歇性并联液体火箭发动机的小流量排放，特别是在液体火箭发动机较长时间的小流量排放后的大流量排放，能够满足液体火箭发动机对排放阻力的需求，避免了排放阻塞及排放状态不能模拟火箭发动机飞行时真实状态的问题。对于并联的液体火箭发动机的预冷总管道，不论是大流量排放还是小流量排放，或者长时间的中断排放后恢复，均可以满足使用要求。

2、本发明在外层冷却总管道与预冷总管道之间形成的冷却介质容置空腔内通过狭缝布气管充入一定流量的液氧等冷却介质(液氧与氮气的混合气体)，氮气扩散后与液氧接触，使得液氧快速气化，增加了与冷却介质容置空腔内部的接触面积，且气化后的液氧与预冷总管道换热后，通过一条较宽的缝隙(宽缝)进入宽缝收集管，其中，狭缝与宽缝的大小可以依据并联液体火箭发动机的预冷量进行确定。通过在液氧冷却介质中按一定比例注入氮气，即起到了将液氧快速气化，提升冷却接触面积及换热效率，同时可以对氧气进行稀释，起到安全排放的目的。

3、为了确保现场的安全，液氧气化后的体积与氮气的体积按7:3配比，确保其从宽缝收集管中排出的混合气体与大气中的氧气、氮气比例基本一致，不需将排放位置引致较远的位置，可以就近在安全位置排放，大大降低了用于液体火箭发动机小流量预冷排放的试验***的可靠性及排放的风险。

4、本发明设计了适应低密封要求的卡扣式快速拼装双层管路外层结构(第一冷却件、第二冷却件以及连接件)。能够满足工作时间周期紧张，需在现场完成用于液体火箭发动机小流量预冷排放的试验***快速建立的情况，简化了安装难度，提高了作业效率。

附图说明

图1为本发明用于液体火箭发动机小流量预冷排放的试验***的结构示意图，其中Ⅰ表示液体火箭发动机分机Ⅰ，Ⅱ表示液体火箭发动机分机Ⅱ。

图2为本发明用于液体火箭发动机小流量预冷排放的试验***实施例一中预冷总管道与外层冷却总管道的结构示意图。

图3为本发明用于液体火箭发动机小流量预冷排放的试验***实施例一中预冷总管道、外层冷却总管道、狭缝布气管及宽缝收集管的断面结构示意图。

图4为本发明用于液体火箭发动机小流量预冷排放的试验***实施例二中预冷总管道、外层冷却总管道、狭缝布气管及宽缝收集管的断面结构示意图。

图5为图4中A处的放大结构示意图。

图中附图标记为：

1-预冷总管道，2-外层冷却总管道，3-第一温度测量单元，4-流量测量单元，5-第二温度测量单元，6-压力测量单元，7-狭缝布气管，8-宽缝收集管，9-狭缝，10-宽缝，11-第一冷却件，12-第二冷却件，13-第一圆弧段，14-第一连接段，15-第二圆弧段，16-第二连接段，17-压条基质，18-卡扣压条，19-软质密封条，20-内外管支撑件，21-外层冷却单向阀门，22-预冷控制阀门，23-预冷流量控制孔板，24-并联发动机。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的技术方案，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1、图2所示，一种用于液体火箭发动机小流量预冷排放的试验***，包括预冷总管道1、外层冷却单元、第一温度测量单元3、流量测量单元4、第二温度测量单元5、压力测量单元6；预冷总管道1的一端用于与并联发动机24的预冷排放口分别对接，另一端连通大气；外层冷却单元套设于预冷总管道1的外部(双层夹套结构)，并与预冷总管道1之间形成冷却介质容置空腔；从预冷总管道1的入口至预冷总管道1的出口依次设置有第一温度测量单元3、流量测量单元4、第二温度测量单元5及压力测量单元6。

如图3所示，外层冷却单元包括外层冷却总管道2、设置在外层冷却总管道2上的狭缝布气管7与宽缝收集管8；

狭缝布气管7靠近并联发动机24的预冷排放口的一端设置有与外部冷却介质装置连接的入口，用于向狭缝布气管7中输送冷却介质(液氧与氮气)；狭缝布气管7远离并联发动机24预冷排放口的一端为盲端狭缝布气管7上沿其长度方向开设有狭缝9，狭缝9的宽度为0.1mm，且狭缝9位于冷却介质容置空腔内，用于向冷却介质容置空腔输送冷却介质；

宽缝收集管8上沿其长度方向开设有宽缝10，宽缝10的宽度为5mm；宽缝收集管8远离并联发动机24的预冷排放口的一端连通外部，宽缝10位于冷却介质容置空腔内，用于收集冷却介质容置空腔内的冷却介质；宽缝收集管8靠近并联发动机24的一端为盲端；狭缝9的宽度小于宽缝10的宽度。外层冷却总管道2的内壁上设置有多个内外管支撑件20。

外层冷却总管道2包括相对设置的第一半圆弧管及第二半圆弧管，狭缝布气管7连接在第一半圆弧管与第二半圆弧管的一侧管壁上，宽缝收集管8连接在第一半圆弧管与第二半圆弧管的另一侧管壁上，形成一个主体为圆柱形结构的外层冷却管道，外层冷却管道的中心轴线与预冷总管道1中心轴线重合。

本实施例中，沿预冷排放气体流向设置有预冷总管道1排气端的外层冷却单向阀门21，用于防止预冷总管道1吸入空气后水汽结冰。沿预冷总管道1排放气体流向依次设置在其排气端的预冷控制阀门22与预冷流量控制孔板23；预冷流量控制孔板23用于调整预冷总管道1的排放气体流量。还设置有多个位于第一圆弧段13、第二圆弧段15内壁上的多个内外管支撑件20，内外管支撑件20不连通，其位置不固定，内外管支撑件20的宽度依据现场情况设计，一般为20mm-100mm，本实施例中设置为50mm。

用于液体火箭发动机小流量预冷排放的试验***实施例一的工作过程如下：

首先，预冷总管道1中是液氧，冷却介质容置空腔中是液氧与氮气融合体，为换热更充分、更快，对预冷总管道1中的氧气进行降温并排放。通过狭缝9向狭缝布气管7内充入氮气进行布气，氮气充入后沿狭缝9快速扩散。

其次，在外层冷却总管道2与预冷总管道1之间的空腔(冷却介质容置空腔)内，充入一定流量的液氧，氮气扩散后与液氧接触，使得液氧快速气化，增加了与冷却介质容置空腔内部的接触面积，且气化后的液氧与内管(预冷总管道1)换热后，通过一条较宽的缝隙(宽缝10)进入混合气体排放管(宽缝收集管8)，其中，狭缝9与宽缝10的大小可以依据并联液体火箭发动机的预冷量进行确定。在使用的时候会有一定量的泄露，大量的氧气进入周围环境会造成一定的***风险，因此，通过对液氧冷却中按一定比例注入氮气，即起到了将液氧快速气化，提升冷却接触面积及换热效率，并且进行氧气的稀释，起到安全排放的目标。为了确保现场的安全，液氧气化后的体积与氮气的体积按7:3配比，确保其从混合气体排放管中排出的混合气体与大气中的氧气、氮气比例基本一致，这样就不需将排放位置引致较远的位置，可以找就近的安全位置排放，大大降低了用于液体火箭发动机小流量预冷排放的试验***的可靠性及排放的风险。

最后，观察第一温度测量单元3、流量测量单元4、第二温度测量单元5、压力测量单元6；当第一温度测量单元3与第二温度测量单元5的温度均低于-170℃时，可以开始液体火箭发动机(并联的)预冷。液体火箭发动机内的液氧沿预冷总管道1排出，完成液体火箭发动机预冷。对于并联的液体火箭发动机由于使用了本发明的***，液体火箭发动机的预冷总管道1中不论是大流量排放还是小流量排放，或者时长时间的中断排放后恢复，均可以满足使用要求。

实施例二

如图4所示，本实施例与实施例一的区别在于外层冷却总管道2包括相对设置的第一冷却件11及第二冷却件12，第一冷却件11与第二冷却件12为半圆弧管状结构；第一冷却件11和第二冷却件12之间相互扣合并密封连接，形成一个主体为圆柱形结构的外层冷却管道，并在扣合连接处形成两个安装容腔，外层冷却管道的中心轴线与预冷总管道1中心轴线重合；狭缝布气管7和宽缝收集管8分别设置在两个安装容腔内。

第一冷却件11包括第一圆弧段13，以及平滑过渡连接在第一圆弧段13两侧的两个第一连接段14；第二冷却件12包括第二圆弧段15，以及平滑过渡连接在第二圆弧段15两侧的两个第二连接段16；

如图5所示，第一连接段14和第二连接段16通过连接件密封卡接，形成两个安装容腔，第一连接段14和第二连接段16之间的距离由扣合处至冷却介质容置空腔逐渐增大，安装容腔大端靠近冷却介质容置空腔；其中连接件包括压条基质17、卡扣压条18以及两条软质密封条19；

压条基质17分别设置于第一连接段14、第二连接段16的外侧壁上，并与卡扣压条18配合，实现第一连接段14和第二连接段16的准密封；软质密封条19设置于安装容腔小端，并分别位于狭缝布气管7或宽缝收集管8与卡扣压条18之间。

狭缝布气管7和宽缝收集管8分别设置在两个安装容腔的大端。

考虑到现场施工管道的复杂性、整体加工难度大、周期长且现场适应性差，因此本实施例设计了适应低密封要求的卡扣式快速拼装双层管路外层结构。当工作时间周期紧张，在现场完成用于液体火箭发动机小流量预冷排放的试验***的快速建立时，能够方便且快速完成预冷总管道1与外层冷却单元连接。

在使用前准备好外层冷却单元的预制；再将不锈钢板进行压制成型，并在其上焊接压条基础(压条基质17)，并提前预制快速压条(卡扣压条18)；预冷总管道1的长度可以根据安装标准长度进行确定，比如2m长的一根预冷总管道1，还需要准备好2m长度的狭缝布气管7和宽缝收集管8各一根。

现场使用预制好的外层冷却单元，进行现场拼接及切断，使其与预冷总管道1长度一致，再安装狭缝布气管7及宽缝收集管8，然后在第一连接段14与第二连接段16连接处的相对面之间安装好软质密封条19，使用快速压条可完成预冷***的快速组装。本实施例中软质密封条19可以采用双面胶形式，简化安装难度。

实施例二的其余结构与实施例一相同。

Claims (8)

1.一种用于液体火箭发动机小流量预冷排放的试验***，其特征在于：包括预冷总管道(1)、外层冷却单元、第一温度测量单元(3)、流量测量单元(4)、第二温度测量单元(5)、压力测量单元(6)以及多个内外管支撑件(20)；所述预冷总管道(1)的一端用于与并联发动机(24)的预冷排放口分别对接，另一端连通大气；从预冷总管道(1)的入口至预冷总管道(1)的出口依次设置有第一温度测量单元(3)、流量测量单元(4)、第二温度测量单元(5)及压力测量单元(6)；

所述外层冷却单元包括外层冷却总管道(2)、设置在外层冷却总管道(2)上的狭缝布气管(7)与宽缝收集管(8)；

所述外层冷却总管道(2)套设于预冷总管道(1)的外部，并与预冷总管道(1)之间形成冷却介质容置空腔；

所述狭缝布气管(7)靠近并联发动机(24)的预冷排放口的一端设置有与外部冷却介质装置连接的入口，用于向狭缝布气管(7)中输送冷却介质；狭缝布气管(7)远离并联发动机(24)预冷排放口的一端为盲端；所述狭缝布气管(7)上开设有狭缝(9)，狭缝(9)位于冷却介质容置空腔内，用于向冷却介质容置空腔输送冷却介质；

所述宽缝收集管(8)远离并联发动机(24)的预冷排放口的一端连通外部，靠近并联发动机(24)的一端为盲端；所述宽缝收集管(8)上开设置有宽缝(10)，宽缝(10)位于冷却介质容置空腔内，用于收集冷却介质容置空腔内的冷却介质；所述狭缝(9)的宽度小于宽缝(10)的宽度；

所述预冷总管道(1)和外层冷却总管道(2)之间设置所述多个内外管支撑件(20)。

2.根据权利要求1所述的用于液体火箭发动机小流量预冷排放的试验***，其特征在于：所述外层冷却总管道(2)包括相对设置的第一半圆弧管及第二半圆弧管；

所述狭缝布气管(7)设置于第一半圆弧管与第二半圆弧管的一侧管壁之间，所述宽缝收集管(8)设置于第一半圆弧管与第二半圆弧管的另一侧管壁之间，形成一个主体为圆柱形结构的外层冷却管道；所述外层冷却管道的中心轴线与预冷总管道(1)中心轴线重合。

3.根据权利要求1所述的用于液体火箭发动机小流量预冷排放的试验***，其特征在于：所述外层冷却总管道(2)包括相对设置的第一冷却件(11)及第二冷却件(12)，第一冷却件(11)和第二冷却件(12)为半圆弧管状结构；

所述第一冷却件(11)和第二冷却件(12)之间相互扣合并密封连接，形成一个主体为圆柱形结构的外层冷却管道，并在扣合连接处形成两个安装容腔；所述狭缝布气管(7)和宽缝收集管(8)分别设置在两个安装容腔内。

4.根据权利要求3所述的用于液体火箭发动机小流量预冷排放的试验***，其特征在于：所述第一冷却件(11)包括第一圆弧段(13)，以及平滑过渡连接在第一圆弧段(13)两侧的两个第一连接段(14)；

所述第二冷却件(12)包括第二圆弧段(15)，以及平滑过渡连接在第二圆弧段(15)两侧的两个第二连接段(16)；

所述第一连接段(14)和第二连接段(16)通过两个连接件密封卡接，形成两个安装容腔，第一连接段(14)和第二连接段(16)之间的距离从扣合处至冷却介质容置空腔处逐渐增大，安装容腔大端靠近冷却介质容置空腔；

所述狭缝布气管(7)和宽缝收集管(8)分别设置在两个安装容腔的大端。

5.根据权利要求4所述的用于液体火箭发动机小流量预冷排放的试验***，其特征在于：所述连接件包括压条基质(17)、卡扣压条(18)以及软质密封条(19)；

所述压条基质(17)分别设置于第一连接段(14)、第二连接段(16)的外侧壁上，并与所述卡扣压条(18)配合，用于第一连接段(14)和第二连接段(16)的一次密封；

所述软质密封条(19)设置于安装容腔小端，并分别位于狭缝布气管(7)、宽缝收集管(8)与卡扣压条(18)之间，用于第一连接段(14)和第二连接段(16)的二次密封。

6.根据权利要求2或5所述的用于液体火箭发动机小流量预冷排放的试验***，其特征在于：还包括沿预冷排放气体流向设置在预冷总管道(1)排气端的外层冷却单向阀门(21)，用于防止预冷总管道(1)吸入空气后水汽结冰。

7.根据权利要求6所述的用于液体火箭发动机小流量预冷排放的试验***，其特征在于：还包括沿预冷总管道(1)排放气体流向依次设置在其排气端的预冷控制阀门(22)与预冷流量控制孔板(23)；

所述预冷流量控制孔板(23)用于调整预冷总管道(1)的排放气体流量。

8.根据权利要求7所述的用于液体火箭发动机小流量预冷排放的试验***，其特征在于：所述狭缝(9)的宽度为0.1mm-0.3mm；

所述宽缝(10)的宽度为2mm-8mm；

所述冷却介质为液氧与氮气，其体积配比为7:3。

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