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航天低温推进剂供应系统技术在液化天然气领域的应用分析

摘要:本文主要介绍了火箭发动机试验推进剂供应系统所采用的

先进低温技术,并对LNG领域的低温技术的需求情况进行了调研,通

过分析,认为可以把航天领域先进的低温技术应用于LNG领域,从而

取得民用化的巨大社会效益。

关键词:液氢航天LNG低温技术

液氢是一种低温(液氢在常压下的沸点约为-253℃)高能的清洁燃

料,在航天领域里被广泛作为推进剂使用,因此液氢液氧发动机的研究

进展也非常快,也建设了大量与之相配套的地面试验系统及发射系统,

火箭氢氧发动机是由管路把阀门、涡轮泵、推力室等部件连接起来组

成的有机整体[1],是复杂的热流体动力系统。液氢有很强的冷却能力,

可以解决推力室的冷却问题,液氢液氧是当今比冲最高的一组液体火

箭推进剂,其液氢液氧比常温的推进剂的比冲要高出30%～40%,以液

氢液氧作为推进剂已成为各国发展航天的必由之路,而地面试验是发

动机研制的一个重要组成部分,而推进剂供应系统在试验中又起着至

关重要的作用,因此集成了大量的低温系统技术。

液化天然气是气田开采出来的天然气,经过脱水、脱酸性气体和

重烃类,然后压缩、膨胀、液化而成。LNG在常压下的沸点约为

-162℃、LNG不仅是清洁能源,而且使用方便、高效、安全,我国为实

现能源结构多元化、清洁化,已经大力发展使用天然气,而液化天然气

的储存运输及应用需要强大的低温系统技术来实现,尤其是LNG码头

接收站的建设。

1火箭发动机试验低温推进剂供应系统

推进剂供应系统是试验中为发动机提供推进剂的系统及全部设

备的总称,包括液氢供应系统和液氧供应系统,随着重型运载火箭的开

发,火箭发动机的推力也要求越来越大,这种大推力发动机的试验使得

推进剂供应系统发生了阶跃性变化,系统设计中解决了液氢贮存的大

型贮箱、长距离液氢输送、加注、计量、保温、低温放泄露,阀门控

制及截断等大量的技术难题。

1.1液氢供应系统组成

由相应的控制设备(继电器、压力变送器、增压调节装置等)、阀

门、主管道、补偿器、排液、过滤器、流量计、液氢贮箱、排气管道

及抽空系统等方面组合而成的就是液氢供应系统。其指挥系统就是按

照实验流通把上述的设备通过相应的控制程序来进行,这样系统就可

以组织成可以进行远程控制上的有机整体。

1.2液氧供应系统组成

液氧供应系统组成与液氢供应系统组成基本相同。系统设计及建

设满足液氧的使用要求,如密封垫禁用玻璃钢,采用与液氧的强氧化性

相适应的材料等。系统建成至今,已经过若干次试验考验,工作稳定、

可靠。

1.3推进剂供应系统相关技术

火箭发动机试验推进剂供应系统集成了氢气生产液化、液氢储

存、液氢运输、液氢管路输送、液氢低温测量测控、低温节流断流、

安全、环保等技术于一身,其中液氢的贮箱储存及供应技术,液氢的管

路输送技术是比较典型的低温技术应用过程。

由于重型火箭的推力非常大,因此发动机试验一次需要的液氢是

几百到几千立方,而液氢的产量是有限的,因此需要提前生产并储存大

量的液氢,试验时在转注到供发动机试验临时装载的大型低温贮箱里,

发动机试验时从这些大型的低温贮箱里用管路直接输送到发动机的

推力室。由于发动机入口出对液氢的温度品质很高,因此液氢在储存

时通常采用高真空多层绝热容器,而且为了计量的准确性,一般采用立

式的圆柱型容器,校准试验对流量的测量精度相对较高,而且试验次数

相对其它研究性试验较多,因此将校准试验使用的液氢贮箱设计为一

个独立的标定贮箱,相比于其它贮箱,提高内筒体椭圆度、直线度的加

工精度和内筒体的刚度,以满足计量需要。标定贮箱内设差压式液位

计和分节式液位计,差压式液位计提供加注和试验过程中的液位测量,

分节式液位计用于稳态流量测量(涡轮流量计提供瞬态流量)。试验中

需要临时贮存几百方液氢,为确保试验安全,根据相应的设计标准配置

安全阀和爆破膜串联组合的超压泄放装置,避免了大口径低温安全阀

的微漏问题,并且采用双路备份。试验时,从液氢贮箱向发动机供给液

氢通常通过气体增压或低温泵输送两种方式确保液氢稳定流动,采用

增压方式的话增压气体流量的稳定是保证发动机泵前压力稳定的基

础,是试