CN115745713A - 一种高密度氢氧推进剂同步制备***及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高密度氢氧推进剂同步制备***及其方法，属于低温设备领域。本发明通过将高密度氢氧推进剂的制备过程耦合在开式氦液化循环流程中，可实现高密度氢氧推进剂组合的高效一体化制备，且制备规模将远大于低温冷机、抽空减压等传统方法，符合航天发射场对致密化低温推进剂制备和加注***要求。本发明的***中各回热器所处温区合理，构成温差均匀的梯度温度场，有效提升高密度氢氧推进剂同步制备***的热力学效率。本发明利用价格低廉、安全性高的液氮介质两级预冷压缩后的高温氦工质，可有效降低氦气压缩机、氦膨胀机等部件的功率。

Description

一种高密度氢氧推进剂同步制备***及其方法

技术领域

本发明涉及低温推进剂致密化领域，特别涉及一种高密度氢氧推进剂同步制备***及其方法。

背景技术

液氢、液氧是当今比冲最高的一组液体火箭推进剂，能够达到450s，应用于上面级时可显著提高火箭运送有效载荷的能力。由于液氢/液氧低温推进剂优越的属性，被NASA确定为载人登月、载人深空探测等工程中首选的推进剂。我国出版的《2006年中国的航天》***中也明确指出，采用液氢/液氧、液氧/煤油低温推进剂的新一代运载火箭将成为我国航天运载器的主要发展方向。

目前，液氢液氧推进剂在使用时都处于热力学饱和态，其存在的突出缺点是密度和单位体积显冷量小，热物理性能明显不足，成为了航天技术发展的瓶颈。因此，以液氧深度过冷和液氢浆态化及固态化的低温推进剂致密化技术成为了解决上述问题的首选，可以显著提升液氢液氧推进剂密度及热容，减小箭体尺寸和结构重量。

然而，现有的低温推进剂致密化装置通常仅针对单一液氧推进剂或液氢推进剂，若实现液氢液氧组合的同步过冷将导致***复杂、体积庞大且运行效率低下。同时，对于液氧推进剂的深度过冷，当前技术难以将其过冷至液氮三相点温度63.2K以下，若通过抽空减压法，则受限于液氧三相点压力148Pa的限制，整体效率低下，不能进行规模化制备。对于液氢推进剂的大规模浆态化及固态化制备，往往需要消耗宝贵的液氦，所以在高密度液氢推进剂连续生产制备时，***整体的经济性较差。

发明内容

本发明的目的是提供一种高密度氢氧推进剂同步制备***，设计了一种新型开式氦液化循环流程，并将高密度氢氧推进剂的制备过程耦合在循环***中，实现两者的高效同步制备目标。

本发明拟采用如下技术方案实现本发明的目的：

第一方面，本发明提供了一种高密度氢氧推进剂同步制备***，其包括氮气预冷器、液氮预冷器、第一回热器、第二回热器、第三回热器、第四回热器、第五回热器、氦循环管路、第一氦工质膨胀支路、第二氦工质膨胀支路、液氮管路、液氧管路、液氢管路和液氦管路；

所述氮气预冷器、液氮预冷器、第二回热器和第四回热器中均设有第一通路、第二通路和第三通路，其中氮气预冷器和液氮预冷器中的第一通路分别与第二通路和第三通路构成换热接触，第二回热器和第四回热器中的第二通路分别与第一通路和第三通路构成换热接触；所述第一回热器、第三回热器和第五回热器中均设有构成换热接触的第一通路和第二通路；

所述氦循环管路中充满氦工质，氦循环管路依次连接氦气压缩机、氮气预冷器的第一通路、液氮预冷器的第一通路、第一回热器的第一通路、第二回热器的第一通路、第三回热器的第一通路、第四回热器的第一通路、第五回热器的第一通路、节流阀、液氦贮箱、第五回热器的第二通路、第四回热器的第二通路、第三回热器的第二通路、第二回热器的第二通路、第一回热器的第二通路、液氮预冷器的第二通路、氮气预冷器的第二通路后重新循环至氦气压缩机，氦循环管路内部的氦工质在管路内不断进行自气态到液态再到气态的循环；

所述第一氦工质膨胀支路的入口端连接第一回热器的第一通路的出口端，第一氦工质膨胀支路的出口端连接第二回热器的第二通路的入口端，第一氦工质膨胀支路上安装有第一氦膨胀机，流出第一回热器的部分高压氦工质进入第一氦膨胀机进行等熵膨胀并产生冷量后与第三回热器中第二通路流出的氦工质汇合进入第二回热器的第二通路中；

所述第二氦工质膨胀支路的入口端连接第三回热器的第一通路的出口端，第二氦工质膨胀支路的出口端连接第四回热器的第二通路的入口端，第二氦工质膨胀支路上安装有第二氦膨胀机，流出第三回热器的部分高压氦工质进入第二膨胀机进行等熵膨胀并产生冷量后与第五回热器中第二通路流出的氦工质汇合进入第四回热器的第二通路中；

所述液氮管路的入口端连接液氮供应源，液氮管路依次经过液氮预冷器的第三通路和氮气预冷器的第三通路后出口端排空；

所述液氧管路的入口端连接液氧供应源，液氧管路依次连接液氧泵、液氮浴换热器、第二回热器的第三通路后接入致密化液氧贮罐，液氧供应源输送的液氧推进剂经过液氮浴换热器和第二回热器的两级过冷后存储于致密化液氧贮罐中；

所述液氢管路的入口端连接液氢供应源，液氢管路依次连接液氢泵、第四回热器的第三通路后接入致密化液氢制备及储存容器，液氢供应源输送的液氢推进剂经过第四回热器过冷后进入致密化液氢制备及储存容器中，与液氦直接接触式换热形成浆氢或固氢并直接储存。

所述液氦管路依次连接液氦贮箱底部的液氦出口、致密化液氢制备及储存容器、氦气纯化器后接入第五回热器中第二通路入口端之前的氦循环管路；液氦贮箱中存储的液氦通过液氦管路输入致密化液氢制备及储存容器中，与液氢管路输入的过冷后液氢直接接触式换热并形成浆氢或固氢，浆氢或固氢存储在致密化液氢制备及储存容器中，而液氦则由液态转化为气态后进入氦循环管路进行循环。

作为上述第一方面的优选，所述第一氦膨胀机和第二氦膨胀机的出口均设置有温度计和压力计。

作为上述第一方面的优选，所述制备***中的换热器、管路、氦膨胀机均与环境做绝热处理。

作为上述第一方面的优选，所述液氮浴换热器采用开式液氮浴换热器，液氧管路连通换热器中浸没于液氮浴中的换热管道，液氮对液氧管路中的液氧进行冷却后产生氮气并直接排空，且开式液氮浴换热器连接液氮源用于补充消耗的液氮。

作为上述第一方面的优选，所述氮气预冷器、第一回热器、第三回热器和第五回热器采用气气式换热器。

作为上述第一方面的优选，所述液氮预冷器、第二回热器和第四回热器采用气液式换热器。

作为上述第一方面的优选，所述氮气预冷器、液氮预冷器、第一回热器、第二回热器、第三回热器、第四回热器、第五回热器中构成换热的通路均按逆流方式布置。

作为上述第一方面的优选，所述氦气纯化器采用能够从氦氢混合气中分离纯化纯氦的吸附分离设备、膜分离设备或燃烧冷凝设备。

作为上述第一方面的优选，所述氦气压缩机有多台，采用串联形式布置于氦循环管路上。

第二方面，本发明提供了一种利用上述第一方面任一方案所述制备***的高密度氢氧推进剂同步制备方法，其包括：

S1、将液氮介质通过自增压方法输入液氮管路，依次流经液氮预冷器的第三通路和氮气预冷器的第三通路连续释放冷量，随后排空；

S2、保持液氮介质的不断输入液氮管路，启动氦气压缩机、第一氦膨胀机和第二氦膨胀机，氦循环管路中的氦工质首先经过氦气压缩机压缩后升温升压，再依次流经氮气预冷器的第一通路、液氮预冷器的第一通路、第一回热器的第一通路进行三级冷却降温；

S3、第一回热器的第一通路输出的氦工质分成主流和支流两部分，支流氦工质通过第一氦工质膨胀支路进入第一氦膨胀机进行等熵膨胀降温降压，出口温度降低至液氧三相点温度以下后再次进入氦循环管路，并与来自第三回热器的返回氦工质混合后进入第二回热器的第二通路释放冷量，而主流氦工质则依次流经第二回热器的第一通路和第三回热器的第一通路连续吸收冷量降温；

S4、第三回热器的第一通路输出的氦工质继续分成主流和支流两部分，支流氦工质通过第二氦工质膨胀支路进入第二氦膨胀机进行等熵膨胀降温降压，出口温度降低至液氢三相点温度以下后再次进入氦循环管路，与来自第五回热器的返回氦工质混合后进入第四回热器的第二通路释放冷量，而主流氦工质则依次流经第四回热器的第一通路和第五回热器的第一通路连续吸收冷量降温；

S5、第五回热器的第一通路输出的氦工质经节流阀节流后由气态转变为气液两相态，液氦直接存储在液氦贮箱中用于浆氢或固氢的制备，低温气态氦工质则与液氦管路返回的气态氦工质混合后依次流经第五回热器的第二通路、第四回热器的第二通路、第三回热器的第二通路、第二回热器的第二通路、第一回热器的第二通路、液氮预冷器的第二通路和氮气预冷器的第二通路连续释放冷量，最终氦循环管路中的氦工质再次进入氦气压缩机进行压缩，往复循环为各低温推进剂的深度过冷提供冷量；

S6、启动液氧泵，不断向液氮浴换热器中通入液氮，通过液氧管路将液氧推进剂首先输入液氮浴换热器中，吸收液氮冷量完成第一级过冷，液氮浴换热器中液氮介质汽化直接排空；随后液氧推进剂进入第二回热器的第三通路，同时吸收第三回热器输出的返回氦工质和第一氦膨胀机输出的一级膨胀后氦工质的冷量完成第二级过冷，当液氧出口温度临近三相点温度时，完成液氧致密化并存储至致密化液氧贮罐中；

S7、启动液氢泵，通过液氢管路将液氢推进剂首先输入第四回热器的第三通路，吸收第五回热器输出的返回氦工质和第二氦膨胀机输出的二级膨胀后氦工质的冷量进行过冷，形成三相点状态液氢并随后进入致密化液氢制备及储存容器中；通过增压方式将液氦贮箱中的液氦通过液氦管路输入致密化液氢制备及储存容器中，通过喷淋方式与三相点状态液氢直接换热，将三相点状态液氢转化成为浆氢或固氢形态，而液氦换热汽化后从容器顶部排出并通过液氦管路进入氦气纯化器进行纯化，纯化得到的纯氦气并入氦循环管路中与来自液氦贮箱的氦工质混合重新循环。

本发明相比现有技术突出且有益的技术效果是：可实现高密度氢氧推进剂组合的高效一体化制备，且制备规模将远大于低温冷机、抽空减压等传统方法，符合航天发射场对致密化低温推进剂制备和加注***要求。低温推进剂致密化效果显著，对于液氧推进剂，过冷温度可趋近于三相点温度54.4K，对于液氢推进剂，借助液氦介质可制备高质量的浆氢及固氢。各回热器所处温区合理，构成温差均匀的梯度温度场，有效提升高密度氢氧推进剂同步制备***的热力学效率。利用价格低廉、安全性高的液氮介质两级预冷压缩后的高温氦工质，可有效降低氦气压缩机、氦膨胀机等部件的功率。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果做进一步说明，以充分的了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明一种高密度氢氧推进剂同步制备***的结构示意图。

图中：氦气压缩机1、氮气预冷器2、液氮预冷器3、第一回热器4、第二回热器5、第三回热器6、第四回热器7、第五回热器8、节流阀9、液氦贮箱10、第一氦膨胀机11、第二氦膨胀机12、液氧泵13、液氮浴换热器14、致密化液氧贮罐15、液氢泵16、致密化液氢制备及储存容器17、氦气纯化器18、氦循环管路19、第一氦工质膨胀支路20、第二氦工质膨胀支路21、液氮管路22、液氧管路23、液氢管路24、液氦管路25。

具体实施方式

下面结合附图以具体实施例对本发明作进一步描述。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。本发明各个实施例中的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，可以是直接连接到另一个元件或者是间接连接即存在中间元件。相反，当元件为称作“直接”与另一元件连接时，不存在中间元件。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于区分描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

参见图1所示，在本发明的一个较佳实施例中，提供了一种高密度氢氧推进剂同步制备***，组成该***的组件包括：氦气压缩机1、氮气预冷器2、液氮预冷器3、第一回热器4、第二回热器5、第三回热器6、第四回热器7、第五回热器8、节流阀9、液氦贮箱10、第一氦膨胀机11、第二氦膨胀机12、液氧泵13、液氮浴换热器14、致密化液氧贮罐15、液氢泵16、致密化液氢制备及储存容器17、氦气纯化器18、氦循环管路19、第一氦工质膨胀支路20、第二氦工质膨胀支路21、液氮管路22、液氧管路23、液氢管路24和液氦管路25。该同步制备***的设计，是为了满足航天发射场对于不同的低温推进剂的致密化加注要求，通过该***可以开式氦液化循环流程为基础将高密度氢氧推进剂的制备过程耦合在循环***中，现致密化液氢、致密化液氧两种低温推进剂的高效同步制备。

下面分别对高密度氢氧推进剂同步制备***中各组件的具体连接形式和工作原理进行详细描述。

在该同步制备***中，各组件是通过氦循环管路19、第一氦工质膨胀支路20、第二氦工质膨胀支路21、液氮管路22、液氧管路23、液氢管路24和液氦管路25连接配合的，其中氦循环管路19主要用于对氦工质进行循环，第一氦工质膨胀支路20、第二氦工质膨胀支路21设置在氦循环管路19上，通过分支管路连接两级氦膨胀机来提供满足液氧过冷和液氢过冷需求的冷量，初始的氦工质压缩后先通过液氮、返回氦工质进行预冷，再经过多个回热器和冷却器进行换热逐级降温后节流，形成气液混合态，液氦通过液氦管路25用于液氢的进一步过冷，而氦气则沿着氦循环管路19逐渐回流释放冷量，为氦工质、液氧、液氢的致密化提供冷量。而液氮管路22则用于为氦工质的预冷提供液氮工质。液氧管路23、液氢管路24则分别用于实现液氧、液氢的致密化和存储。上述各种工质和推进剂的换热需要依赖于氮气预冷器2、液氮预冷器3、第一回热器4、第二回热器5、第三回热器6、第四回热器7、第五回热器8等换热器来实现。为了满足换热需求，各换热器中需要设置不同的换热通路来对不同工质进行换热，具体如下：

氮气预冷器2中设有第一通路、第二通路和第三通路，其中第一通路分别与第二通路和第三通路构成换热接触，第一通路作为热工质侧，而第二通路和第三通路均作为冷工质侧。

液氮预冷器3中设有第一通路、第二通路和第三通路，其中第一通路分别与第二通路和第三通路构成换热接触，第一通路作为热工质侧，而第二通路和第三通路均作为冷工质侧。

第二回热器5中设有第一通路、第二通路和第三通路，其中第二通路分别与第一通路和第三通路构成换热接触，第一通路和第三通路作为热工质侧，而第二通路均作为冷工质侧。

第四回热器7中设有第一通路、第二通路和第三通路，其中第二通路分别与第一通路和第三通路构成换热接触，第一通路和第三通路作为热工质侧，而第二通路均作为冷工质侧。

第一回热器4中设有构成换热接触的第一通路和第二通路，第一通路作为热工质侧，而第二通路作为冷工质侧。

第三回热器6中设有构成换热接触的第一通路和第二通路，第一通路作为热工质侧，而第二通路作为冷工质侧。

第五回热器8中设有构成换热接触的第一通路和第二通路，第一通路作为热工质侧，而第二通路作为冷工质侧。

在本发明实施例中，上述氮气预冷器2、第一回热器4、第三回热器6和第五回热器8均采用气气式换热器，上述液氮预冷器3、第二回热器5和第四回热器7均采用气液式换热器。

上述氦循环管路19是传递液氧和液氢致密化所需冷量的核心，氦循环管路19中充满氦工质。氦循环管路19依次连接氦气压缩机1、氮气预冷器2的第一通路、液氮预冷器3的第一通路、第一回热器4的第一通路、第二回热器5的第一通路、第三回热器6的第一通路、第四回热器7的第一通路、第五回热器8的第一通路、节流阀9、液氦贮箱10、第五回热器8的第二通路、第四回热器7的第二通路、第三回热器6的第二通路、第二回热器5的第二通路、第一回热器4的第二通路、液氮预冷器3的第二通路、氮气预冷器2的第二通路后重新循环至氦气压缩机1。氦循环管路19内部的氦工质在管路内不断进行自气态到液态再到气态的循环。

本发明中，上述氦气压缩机1可以设置多台，采用串联形式连续布置于氦循环管路19上，以提升氦气压缩效果。

在氦循环管路19内部的氦工质循环过程中，液氮提供的冷量不足以使其温度达到液氧和液氢的三相点以下，因此氦循环管路19上需要进一步通过设置两条支路来引入两级氦膨胀机进行降温。

其中，第一氦工质膨胀支路20的入口端连接第一回热器4的第一通路的出口端，第一氦工质膨胀支路20的出口端连接第二回热器5的第二通路的入口端，第一氦工质膨胀支路20上安装有第一氦膨胀机11，流出第一回热器4的部分高压氦工质进入第一氦膨胀机11进行等熵膨胀并产生冷量后与第三回热器6中第二通路流出的氦工质汇合进入第二回热器5的第二通路中。

同样的，第二氦工质膨胀支路21的入口端连接第三回热器6的第一通路的出口端，第二氦工质膨胀支路21的出口端连接第四回热器7的第二通路的入口端，第二氦工质膨胀支路21上安装有第二氦膨胀机12，流出第三回热器6的部分高压氦工质进入第二膨胀机12进行等熵膨胀并产生冷量后与第五回热器8中第二通路流出的氦工质汇合进入第四回热器7的第二通路中。

液氮管路22的入口端连接液氮供应源，液氮管路22依次经过液氮预冷器3的第三通路和氮气预冷器2的第三通路后出口端排空。液氮供应源的具体形式不限，只要能够通过液氮管路22供应液氮即可。液氮供应源供应的液氮，在液氮预冷器3中经过第一次换热形成低温氮气，然后再在氮气预冷器2中进一步吸热形成高温氮气，最后排空。液氮供应源中优选采用自增压的方式将液氮输入液氮管路22内，即液氮置于容器中，而液氮管路22入口端伸入容器内的液氮液面以下，部分液氮在容器中通过吸热形成气态，进而增加容器中的压力，并将其余液氮压入液氮管路22中。

在上述氦循环管路19、第一氦工质膨胀支路20、第二氦工质膨胀支路21和液氮管路22的配合下，氦工质先被氦气压缩机1进行压缩形成高温高压氦工质，然后在氮气预冷器2中经由氦循环管路19返回的氦工质以及液氮管路22中的低温氮气进行冷却降温，再输入液氮预冷器3中继续由氦循环管路19返回的氦工质以及液氮管路22中的液氮进行冷却降温，再输入第一回热器4中由氦循环管路19返回的低温氦工质进行冷却降温。由此，经过氮气预冷器2、液氮预冷器3、第一回热器4的三级降温后，氦工质形成低温气态，但此时尚未达到液氧和液氢致密化所需的低温温度。因此，上述第一氦工质膨胀支路20和第二氦工质膨胀支路21需要从氦循环管路19中引出两路氦工质支流，分别进行等熵膨胀从而降低氦工质温度，这两路等熵膨胀后的氦工质需重新引入氦循环管路19中，一方面用于对液氧和液氢进行致密化，另一方面用于对氦循环管路19中氦工质主流进行降温。因此，氦循环管路19中氦工质主流依次流经第二回热器5、第三回热器6、第四回热器7、第五回热器8过程中，温度逐渐下降，最后经过节流阀9的节流后由气态转变为气液两相态，液氦直接存储在液氦贮箱10中，用于浆氢或固氢的制备，而气态的低温氦气则继续从液氦贮箱10顶部排出，以返回氦工质形式进入氦循环管路19回路中，重新通过第五回热器8、第四回热器7、第三回热器6、第二回热器5继续释放冷量后返回氦气压缩机1，完成一个从气态到液态再到气态的循环。

基于上述氦循环管路19和液氮管路22所提供的冷量，即可实现液氧和液氢的同步液化，两者分别通过液氧管路23和液氢管路24来实现，同时需借助液氦管路25来辅助引入液氦进行浆氢或固氢制备。

本发明中的液氧管路23的入口端连接液氧供应源，液氧管路23依次连接液氧泵13、液氮浴换热器14、第二回热器5的第三通路后接入致密化液氧贮罐15。液氧供应源的具体形式不限，以能够供应液氧推进剂为准。液氧供应源在液氧泵13所提供的动力作用下，将液氧推进剂沿液氧管路23进行输送，液氧推进剂经过液氮浴换热器14和第二回热器5的两级过冷后，以临近液氧三相点的温度存储于致密化液氧贮罐15中。

在本发明的实施例中，上述液氮浴换热器14可采用开式液氮浴换热器。开式液氮浴换热器以液氮作为冷源，换热器中盛放液氮的换热腔室敞口且内部布置换热管道从而形成液氮浴环境。液氧管路23连通换热器中浸没于液氮浴中的换热管道，换热腔室中的液氮对液氧管路23中的液氧进行冷却后产生氮气并直接排空。且开式液氮浴换热器连接液氮源，当因冷却液氧而产生液氮消耗后，液氮源可直接向开式液氮浴换热器补充液氮。

本发明中的液氢管路24的入口端连接液氢供应源，液氢管路24依次连接液氢泵16、第四回热器7的第三通路后接入致密化液氢制备及储存容器17。液氢供应源的具体形式不限，以能够供应液氢推进剂为准。液氢供应源在液氢泵16所提供的动力作用下，将液氢推进剂沿液氢管路24进行输送，液氢推进剂经过第四回热器7中第二管路内的返回氦工质和二级膨胀后氦工质的过冷后，以临近液氢三相点的温度(13.96K)存储于致密化液氢制备及储存容器17中。液氢从标准沸点(20.37K)过冷至三相点温度(13.96K)后，密度会增加8.8％，单位体积显冷量将增加20％，但若从三相点状态继续降温则会形成浆氢或固氢，当出现60％的固氢时密度将增加16.8％，单位体积显冷量增加34％。因此，为了进一步制备浆氢或固氢，本发明中通过液氦管路25将液氦引入致密化液氢制备及储存容器17中，三相点温度(13.96K)温度下的液氢与液氦直接接触式换热即可形成浆氢或固氢并在致密化液氢制备及储存容器17中直接储存。

本发明中的液氦管路25依次连接液氦贮箱10底部的液氦出口、致密化液氢制备及储存容器17、氦气纯化器18后接入第五回热器8中第二通路入口端之前的氦循环管路19。液氦在重力作用下一般蓄积在液氦贮箱10底部，因此液氦管路25的入口端需要伸入液氦液面以下，液氦在液氦管路25中的输送动力可由低温流体泵来提供，亦可参照前述液氮的输送方式通过自增压的方式来提供。液氦贮箱10中存储的液氦通过液氦管路25输入致密化液氢制备及储存容器17中，与液氢管路24输入的过冷后液氢直接接触式换热并形成浆氢或固氢，浆氢或固氢存储在致密化液氢制备及储存容器17中，而液氦则由液态转化为气态后进入氦循环管路19进行循环。为了保证液氦与液氢的充分接触换热，致密化液氢制备及储存容器17中可以设置喷淋装置，将液氦以喷淋方式从上到下喷入致密化液氢制备及储存容器17中。在液氦与液氢接触过程中，液氦吸收热量汽化，而液氢则绝大部分转变成浆氢或固氢，但是由于两者是直接接触的，因此产生的氦气中难免会混入部分氢气，形成氦氢混合气。因此，氦氢混合气从致密化液氢制备及储存容器17顶部气体出口排出后，需要继续通过液氦管路25进入氦气纯化器18中进行纯化。

在本发明中，氦气纯化器18可以采用任何能够从氦氢混合气中分离纯化纯氦的设备，例如吸附分离设备、膜分离设备或燃烧冷凝设备。吸附分离设备可选择性吸附氢气或者氦气，从而纯化氦气；膜分离设备可通过膜组件来分离氢气和氦气；燃烧冷凝设备可通过对氢气进行燃烧，然后冷凝燃烧产生的水，进而得到纯化氦气。

由于液氧和液氢的致密化所需冷量是依赖于两级氦膨胀机对氦工质的等熵膨胀来实现的，因此为了保证液氧和液氢的致密化过程可靠实现，上述第一氦膨胀机11和第二氦膨胀机12的出口均可以设置有温度计和压力计，可根据液氧过冷和液氢过冷需求设定一级氦膨胀机出口压力，实现液氧、液氢的高效快速致密化。一般而言，第一氦膨胀机11的氦工质出口温度需要控制为54.4K以下，所述第二氦膨胀机12的氦工质出口温度需要控制为13.86K以下。因此，在本发明的同步制备***中，各回热器所处温区合理，构成温差均匀的梯度温度场，有效提升高密度氢氧推进剂同步制备***的热力学效率。利用价格低廉、安全性高的液氮介质两级预冷压缩后的高温氦工质，可有效降低氦气压缩机、氦膨胀机等部件的功率。

另外，由于上述同步制备***中的工质均处于低温或超低温状态，因此***中的各种换热器、管路、氦膨胀机均需要与外部环境做绝热处理，即***中的各种换热器、管路、氦膨胀机等均需要采用高性能真空绝热材料进行包裹，避免与外部环境直接发生换热。

另外，为了提升换热效率，上述氮气预冷器2、液氮预冷器3、第一回热器4、第二回热器5、第三回热器6、第四回热器7、第五回热器8中构成换热的通路均按逆流方式布置，使换热的冷、热流体按逆流方式进行换热。

在本发明的另一较佳实施例中，利用上述图1所示的同步制备***，提供了一种高密度氢氧推进剂同步制备方法，其包括以下步骤：

S1、将液氮介质通过自增压方法输入液氮管路22，依次流经液氮预冷器3的第三通路和氮气预冷器2的第三通路连续释放冷量，随后排空。

S2、保持液氮介质的不断输入液氮管路22，启动氦气压缩机1、第一氦膨胀机11和第二氦膨胀机12，氦循环管路19中的氦工质首先经过氦气压缩机1压缩后升温升压，由低压常温态转变高压高温状态，再依次流经氮气预冷器2的第一通路、液氮预冷器3的第一通路、第一回热器4的第一通路进行三级冷却降温。

S3、第一回热器4的第一通路输出的氦工质分成主流和支流两部分，支流氦工质通过第一氦工质膨胀支路20进入第一氦膨胀机11进行等熵膨胀降温降压，由高压态转变为低压态且温度大幅降低，出口温度降低至液氧三相点温度(54.4K)以下后再次进入氦循环管路19，并与来自第三回热器6的返回氦工质混合后进入第二回热器5的第二通路释放冷量，而主流氦工质则依次流经第二回热器5的第一通路和第三回热器6的第一通路连续吸收冷量降温。

S4、第三回热器6的第一通路输出的氦工质继续分成主流和支流两部分，支流氦工质通过第二氦工质膨胀支路21进入第二氦膨胀机12进行等熵膨胀降温降压，由高压态转变为低压态且温度大幅降低，出口温度降低至液氢三相点温度(13.86K)以下后再次进入氦循环管路19，与来自第五回热器8的返回氦工质混合后进入第四回热器7的第二通路释放冷量，而主流氦工质则依次流经第四回热器7的第一通路和第五回热器8的第一通路连续吸收冷量降温。

S5、第五回热器8的第一通路输出的氦工质经节流阀9节流后由气态转变为气液两相态，液氦直接存储在液氦贮箱10中用于浆氢或固氢的制备，低温气态氦工质则与液氦管路25返回的气态氦工质混合后依次流经第五回热器8的第二通路、第四回热器7的第二通路、第三回热器6的第二通路、第二回热器5的第二通路、第一回热器4的第二通路、液氮预冷器3的第二通路和氮气预冷器2的第二通路连续释放冷量，由低温态转变为常温态，最终氦循环管路19中的氦工质再次进入氦气压缩机1进行压缩，往复循环为各低温推进剂的深度过冷提供冷量。

需要注意的是，在后续的液氧、液氢进行低温致密化的过程中，上述S1～S5步骤需要始终运行。

S6、保持氦循环管路19中的氦工质不断往复循环提供冷量，启动液氧泵13，不断向液氮浴换热器14中通入液氮，通过液氧管路23将液氧推进剂首先输入液氮浴换热器14中，吸收液氮冷量完成第一级过冷，液氮浴换热器14中液氮介质汽化直接排空；随后液氧推进剂进入第二回热器5的第三通路，同时吸收第三回热器6输出的返回氦工质和第一氦膨胀机11输出的一级膨胀后氦工质的冷量完成第二级过冷，当液氧出口温度临近三相点温度时，完成液氧致密化并存储至致密化液氧贮罐15中。

S7、保持氦循环管路19中的氦工质不断往复循环提供冷量，启动液氢泵16，通过液氢管路24将液氢推进剂首先输入第四回热器7的第三通路，吸收第五回热器8输出的返回氦工质和第二氦膨胀机12输出的二级膨胀后氦工质的冷量进行过冷，形成三相点状态液氢并随后进入致密化液氢制备及储存容器17中；通过增压方式将液氦贮箱10中的液氦通过液氦管路25输入致密化液氢制备及储存容器17中，通过喷淋方式与三相点状态液氢直接换热，将三相点状态液氢转化成为浆氢或固氢等高密度形态，而液氦换热汽化后从容器顶部排出并通过液氦管路25进入氦气纯化器18进行纯化，纯化得到的高纯氦气并入氦循环管路19中与来自液氦贮箱10的氦工质混合重新循环。

需要特别说明的是，上述液氧推进剂、液氢推进剂进行致密化的过程中，其最终存储到贮罐中的推进剂温度需要接近各自的三相点温度，具体终点温度需要根据所需的致密化程度进行确定。不同的终点温度对应于不同的推进剂密度，温度越低其致密化程度相对越高，但能耗也随之增大，因此需要根据实际需要进行合理平衡。

综上，本发明可通过开式氦液化循环流程将高密度氢氧推进剂的制备过程耦合在循环***中，使液氧和液氢实现同步过冷致密化，获得具有更高密度及更大热容的致密化低温推进剂，可显著提升加注量，减小运载火箭的箭体尺寸和结构重量，延长存储时间。对于需要不同低温推进剂的航天发射场而言，本发明能够解决不同低温推进剂需要分开制备、效率低下的问题，大大提高航天发射场的低温推进剂供应能力和供应质量。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种高密度氢氧推进剂同步制备***，其特征在于，包括氮气预冷器(2)、液氮预冷器(3)、第一回热器(4)、第二回热器(5)、第三回热器(6)、第四回热器(7)、第五回热器(8)、氦循环管路(19)、第一氦工质膨胀支路(20)、第二氦工质膨胀支路(21)、液氮管路(22)、液氧管路(23)、液氢管路(24)和液氦管路(25)；

所述氮气预冷器(2)、液氮预冷器(3)、第二回热器(5)和第四回热器(7)中均设有第一通路、第二通路和第三通路，其中氮气预冷器(2)和液氮预冷器(3)中的第一通路分别与第二通路和第三通路构成换热接触，第二回热器(5)和第四回热器(7)中的第二通路分别与第一通路和第三通路构成换热接触；所述第一回热器(4)、第三回热器(6)和第五回热器(8)中均设有构成换热接触的第一通路和第二通路；

所述氦循环管路(19)中充满氦工质，氦循环管路(19)依次连接氦气压缩机(1)、氮气预冷器(2)的第一通路、液氮预冷器(3)的第一通路、第一回热器(4)的第一通路、第二回热器(5)的第一通路、第三回热器(6)的第一通路、第四回热器(7)的第一通路、第五回热器(8)的第一通路、节流阀(9)、液氦贮箱(10)、第五回热器(8)的第二通路、第四回热器(7)的第二通路、第三回热器(6)的第二通路、第二回热器(5)的第二通路、第一回热器(4)的第二通路、液氮预冷器(3)的第二通路、氮气预冷器(2)的第二通路后重新循环至氦气压缩机(1)，氦循环管路(19)内部的氦工质在管路内不断进行自气态到液态再到气态的循环；

所述第一氦工质膨胀支路(20)的入口端连接第一回热器(4)的第一通路的出口端，第一氦工质膨胀支路(20)的出口端连接第二回热器(5)的第二通路的入口端，第一氦工质膨胀支路(20)上安装有第一氦膨胀机(11)，流出第一回热器(4)的部分高压氦工质进入第一氦膨胀机(11)进行等熵膨胀并产生冷量后与第三回热器(6)中第二通路流出的氦工质汇合进入第二回热器(5)的第二通路中；

所述第二氦工质膨胀支路(21)的入口端连接第三回热器(6)的第一通路的出口端，第二氦工质膨胀支路(21)的出口端连接第四回热器(7)的第二通路的入口端，第二氦工质膨胀支路(21)上安装有第二氦膨胀机(12)，流出第三回热器(6)的部分高压氦工质进入第二膨胀机(12)进行等熵膨胀并产生冷量后与第五回热器(8)中第二通路流出的氦工质汇合进入第四回热器(7)的第二通路中；

所述液氮管路(22)的入口端连接液氮供应源，液氮管路(22)依次经过液氮预冷器(3)的第三通路和氮气预冷器(2)的第三通路后出口端排空；

所述液氧管路(23)的入口端连接液氧供应源，液氧管路(23)依次连接液氧泵(13)、液氮浴换热器(14)、第二回热器(5)的第三通路后接入致密化液氧贮罐(15)，液氧供应源输送的液氧推进剂经过液氮浴换热器(14)和第二回热器(5)的两级过冷后存储于致密化液氧贮罐(15)中；

所述液氢管路(24)的入口端连接液氢供应源，液氢管路(24)依次连接液氢泵(16)、第四回热器(7)的第三通路后接入致密化液氢制备及储存容器(17)，液氢供应源输送的液氢推进剂经过第四回热器(7)过冷后进入致密化液氢制备及储存容器(17)中，与液氦直接接触式换热形成浆氢或固氢并直接储存。

所述液氦管路(25)依次连接液氦贮箱(10)底部的液氦出口、致密化液氢制备及储存容器(17)、氦气纯化器(18)后接入第五回热器(8)中第二通路入口端之前的氦循环管路(19)；液氦贮箱(10)中存储的液氦通过液氦管路(25)输入致密化液氢制备及储存容器(17)中，与液氢管路(24)输入的过冷后液氢直接接触式换热并形成浆氢或固氢，浆氢或固氢存储在致密化液氢制备及储存容器(17)中，而液氦则由液态转化为气态后进入氦循环管路(19)进行循环。

2.如权利要求1所述的高密度氢氧推进剂同步制备***，其特征在于，所述第一氦膨胀机(11)和第二氦膨胀机(12)的出口均设置有温度计和压力计。

3.如权利要求1所述的高密度氢氧推进剂同步制备***，其特征在于，所述制备***中的换热器、管路、氦膨胀机均与环境做绝热处理。

4.如权利要求1所述的高密度氢氧推进剂同步制备***，其特征在于，所述液氮浴换热器(14)采用开式液氮浴换热器，液氧管路(23)连通换热器中浸没于液氮浴中的换热管道，液氮对液氧管路(23)中的液氧进行冷却后产生氮气并直接排空，且开式液氮浴换热器连接液氮源用于补充消耗的液氮。

5.如权利要求1所述的高密度氢氧推进剂同步制备***，其特征在于，所述氮气预冷器(2)、第一回热器(4)、第三回热器(6)和第五回热器(8)采用气气式换热器。

6.如权利要求1所述的高密度氢氧推进剂同步制备***，其特征在于，所述液氮预冷器(3)、第二回热器(5)和第四回热器(7)采用气液式换热器。

7.如权利要求1所述的高密度氢氧推进剂同步制备***，其特征在于，所述氮气预冷器(2)、液氮预冷器(3)、第一回热器(4)、第二回热器(5)、第三回热器(6)、第四回热器(7)、第五回热器(8)中构成换热的通路均按逆流方式布置。

8.如权利要求1所述的高密度氢氧推进剂同步制备***，其特征在于，所述氦气纯化器(18)采用能够从氦氢混合气中分离纯化纯氦的吸附分离设备、膜分离设备或燃烧冷凝设备。

9.如权利要求1所述的高密度氢氧推进剂同步制备***，其特征在于，所述氦气压缩机(1)有多台，采用串联形式布置于氦循环管路(19)上。

10.一种利用如权利要求1～9任一所述制备***的高密度氢氧推进剂同步制备方法，其特征在于，包括：

S1、将液氮介质通过自增压方法输入液氮管路(22)，依次流经液氮预冷器(3)的第三通路和氮气预冷器(2)的第三通路连续释放冷量，随后排空；

S2、保持液氮介质的不断输入液氮管路(22)，启动氦气压缩机(1)、第一氦膨胀机(11)和第二氦膨胀机(12)，氦循环管路(19)中的氦工质首先经过氦气压缩机(1)压缩后升温升压，再依次流经氮气预冷器(2)的第一通路、液氮预冷器(3)的第一通路、第一回热器(4)的第一通路进行三级冷却降温；

S3、第一回热器(4)的第一通路输出的氦工质分成主流和支流两部分，支流氦工质通过第一氦工质膨胀支路(20)进入第一氦膨胀机(11)进行等熵膨胀降温降压，出口温度降低至液氧三相点温度以下后再次进入氦循环管路(19)，并与来自第三回热器(6)的返回氦工质混合后进入第二回热器(5)的第二通路释放冷量，而主流氦工质则依次流经第二回热器(5)的第一通路和第三回热器(6)的第一通路连续吸收冷量降温；

S4、第三回热器(6)的第一通路输出的氦工质继续分成主流和支流两部分，支流氦工质通过第二氦工质膨胀支路(21)进入第二氦膨胀机(12)进行等熵膨胀降温降压，出口温度降低至液氢三相点温度以下后再次进入氦循环管路(19)，与来自第五回热器(8)的返回氦工质混合后进入第四回热器(7)的第二通路释放冷量，而主流氦工质则依次流经第四回热器(7)的第一通路和第五回热器(8)的第一通路连续吸收冷量降温；

S5、第五回热器(8)的第一通路输出的氦工质经节流阀(9)节流后由气态转变为气液两相态，液氦直接存储在液氦贮箱(10)中用于浆氢或固氢的制备，低温气态氦工质则与液氦管路(25)返回的气态氦工质混合后依次流经第五回热器(8)的第二通路、第四回热器(7)的第二通路、第三回热器(6)的第二通路、第二回热器(5)的第二通路、第一回热器(4)的第二通路、液氮预冷器(3)的第二通路和氮气预冷器(2)的第二通路连续释放冷量，最终氦循环管路(19)中的氦工质再次进入氦气压缩机(1)进行压缩，往复循环为各低温推进剂的深度过冷提供冷量；

S6、启动液氧泵(13)，不断向液氮浴换热器(14)中通入液氮，通过液氧管路(23)将液氧推进剂首先输入液氮浴换热器(14)中，吸收液氮冷量完成第一级过冷，液氮浴换热器(14)中液氮介质汽化直接排空；随后液氧推进剂进入第二回热器(5)的第三通路，同时吸收第三回热器(6)输出的返回氦工质和第一氦膨胀机(11)输出的一级膨胀后氦工质的冷量完成第二级过冷，当液氧出口温度临近三相点温度时，完成液氧致密化并存储至致密化液氧贮罐(15)中；

S7、启动液氢泵(16)，通过液氢管路(24)将液氢推进剂首先输入第四回热器(7)的第三通路，吸收第五回热器(8)输出的返回氦工质和第二氦膨胀机(12)输出的二级膨胀后氦工质的冷量进行过冷，形成三相点状态液氢并随后进入致密化液氢制备及储存容器(17)中；通过增压方式将液氦贮箱(10)中的液氦通过液氦管路(25)输入致密化液氢制备及储存容器(17)中，通过喷淋方式与三相点状态液氢直接换热，将三相点状态液氢转化成为浆氢或固氢形态，而液氦换热汽化后从容器顶部排出并通过液氦管路(25)进入氦气纯化器(18)进行纯化，纯化得到的纯氦气并入氦循环管路(19)中与来自液氦贮箱(10)的氦工质混合重新循环。

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