空间低温性能综合验证贮箱及空间低温性能综合验证方法

技术领域

本发明属于低温贮箱性能验证技术领域，特别涉及一种空间低温性能综合验证贮箱及空间低温性能综合验证方法，适用于液氢、液氧和液态甲烷等低温贮箱绝热性能、抗力学性能和流体管理性能等单项和/或组合验证。

背景技术

液氢/液氧等低温推进剂组合由于其比冲高、无毒无污染，是深空探测的首选推进剂。实际工程应用过程中，地面对流和空间辐射等复杂恶劣的热环境和力环境给低温贮箱应用带来很大困难。低温贮箱在绝热、强度、刚度的综合验证一直是困扰大型低温飞行器的关键问题之一，目前并无对低温贮箱进行综合验证的有效方法。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种空间低温性能综合验证贮箱及其间低温性能综合验证方法，解决了低温贮箱在绝热、强度、刚度的综合验证难以实现的技术问题。本发明中空间低温性能综合验证贮箱可以验证低温贮箱的绝热性能、贮箱壳体的抗力学性能和贮箱内部流体管理性能。综合验证贮箱接口齐全可应用于单相技术的功能与性能验证，也可应用于不低于-253℃的低温贮箱系统综合性能验证。

为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：

一种空间低温性能综合验证贮箱，包括依次连接的上封头、柱段和下封头；

上封头包括上底壳和设于上底壳上的测量法兰、增压法兰、排气法兰和加注法兰；测量法兰用于安装温度测量装置或压力测量装置；增压法兰用于安装增压设备；排气法兰为贮箱内气体的排气口；加注法兰用于连接低温介质加注设备；

下封头包括下底壳和设于下底壳上的热力排气法兰；热力排气法兰用于安装热力学排气装置。

进一步的，上封头还包括设于上底壳上的人口法兰；

下封头还包括设于下底壳上的底部法兰，底部法兰为贮箱内低温介质的泄出口，底部法兰用于安装贮箱内低温介质装填量测量设备。

进一步的，上底壳和下底壳为椭球壳或蝶形壳，厚度不小于1.5倍工作压力下考虑焊接损失时的设计厚度；

上底壳采用板材旋压或超塑工艺成型。

进一步的，上底壳顶部开设人口法兰焊接孔；

分别在在上底壳的+X轴向、+Y轴向、-X轴向、+Y轴与-X轴角平分线方向，开测量法兰焊接孔、增压法兰焊接孔、排气法兰焊接孔和加注法兰焊接孔，法兰方位布局避免应用干涉，各法兰中心轴距上底壳的距离轴线不小于750mm；

热力排气法兰与排气法兰同轴，便于热力学排气装置安装与使用；

X轴与Y轴相互垂直，X轴与Y轴所在平面与贮箱轴线垂直。

进一步的，人口法兰的法兰颈与法兰盘采用圆弧过渡，人口法兰的法兰颈厚度由人口法兰厚度渐变为上底壳厚度。

进一步的，人口法兰采用双层密封，内层密封采用环形接面密封，外层密封采用刃口密封；

外层密封高于内层密封，设外层密封与内层密封的高度之差为d1，内层密封的厚度为d2，d1-d2≥5mm；

人口法兰厚度由上底壳厚度决定其最大厚度，防止人口法兰由重力作用产生相对上底壳轮廓的下凹变形，同时考虑双层密封法兰厚度与双层密封法兰间隙。

进一步的，测量法兰、增压法兰、排气法兰、加注法兰、热力排气法兰和底部法兰的轴向铅直。

进一步的，上封头和柱段之间通过上连接框连接，下封头和柱段之间通过下连接框连接；

上连接框与下连接框的结构相同；

连接框包括筒形部分和锥面部分，锥面部分的大端连接于筒形部分内壁且位于筒形部分的两端之间；

上连接框的锥面部分的小端向上与上底壳焊接，上连接框的筒形部分的下端与柱段焊接，筒形部分的上端与外部支撑连接；下连接框的锥面部分的小端向下与下底壳焊接，下连接框的筒形部分的上端与柱段焊接，筒形部分的下端与外部支撑连接；

锥面部分与筒形部分的连接位置采用圆弧过渡，过渡圆弧半径根据贮箱外载作用的拉力和弯矩通过有限元优化分析确定。

进一步的，柱段为采用多块弧形的加筋壁板组合而成的圆柱形；

加筋壁板通过机铣或化铣加工得到；

加筋壁板的中间区域为蒙皮加筋结构，四周区域为非加筋焊接区域。

加筋壁板的蒙皮厚度和加强筋的尺寸分别通过单元网格蒙皮的强度和加强筋网络的刚度在界面位移协调方法确定。

上述一种空间低温性能综合验证贮箱的应用方法，包括：

首先通过人口法兰将热力学排气装置对应贮箱内部设备，同时通过热力排气法兰安装热力学排气装置对应逐项贮箱外部设备，进而封闭人口；

然后通过测量法兰安装贮箱内部温度和压力分布测量验证设备，通过排气法兰安装泄压排气装置和排气流量测量装置；

接下来通过安装在加注法兰的加注设备向贮箱内加注规定量低温介质，伴随外部热载荷输入贮箱压力升高，同时由于重力作用产生热分层；

然后根据安装于测量法兰设备所采集数据进行热力学排气装置的运行，达到控制贮箱内部压力和抑制贮箱内部热分层。

上述一种空间低温性能综合验证贮箱的空间低温性能综合验证方法，包括：

低温贮箱的绝热性能的验证，具体步骤为：

首先在贮箱外壁进行抗对流泡沫喷涂、抗辐射多层绝热和低温隔热支撑将绝热后低温贮箱放入模拟使用环境的试验设施内部，同时在泡沫、多层和支撑上布置温度传感器，获得外部环境漏热参数；

然后通过安装于测量法兰上的测温耙和压力传感器等测量验证设备，获得模拟工作状态下低温贮箱内部温度和压力分布；

然后通过安装于排气法兰上的泄压排气装置，保证贮箱安全；通过安装于排气法兰上的排气流量测量装置用于测量受热蒸发液氢量；

然后其后通过盲板封闭除加注法兰其他法兰接口，封闭贮箱内部；

接下来通过安装在加注法兰的加注设备向贮箱内加注规定量低温介质；

最后按照试验要求开启试验设施内部模拟使用环境，通过排气法兰上排气流量测量装置测量受热蒸发液氢量，获取低温贮箱漏热蒸发量，验证低温贮箱绝热性能。

贮箱壳体的抗力学性能验证，具体步骤为：

首先通过下连接框面与力学试验台连接，上连接框面与模拟配重连接；

其次通过安装于贮箱上封头、柱段和下封头上的各种焊缝和蒙皮等特征位置的位移、应变和声发射传感器获取抗力学性能验证过程中力学参数，确定贮箱是否满足设计性能和试验控制指标；

然后通过安装于测量法兰上的温度测量装置和压力测量装置测量抗力学性能验证过程中低温贮箱内压力变化情况和低温贮箱内气体和液体分布情况；

接下来通过安装于增压法兰上的扩能器向贮箱内部增压至工作压力或者试验设定压力；

然后通过安装于排气法兰上的贮箱压力控制安全泄放装置，结合安装于测量法兰上的压力测量装置，确保贮箱抗力学性能验证中不高于贮箱安全设计压力；

其后通过盲板封闭除加注法兰其他法兰接口，封闭贮箱内部；

然后通过安装于加注法兰上的低温介质加注设备向贮箱内部加注规定量的液氢等低温介质；

最后通过力学实验台，按照低温贮箱使用工作力学条件或者低温贮箱考核条件验证贮箱壳体的抗力学性能。

贮箱内部流体管理性能验证，具体步骤为：

首先通过人口向贮箱内部安装流体管理装置

然后通过安装于底部法兰上流量测量装备，用于测量贮箱液氢泄出量；

而后通过安装于测量法兰上的温度测量装置和压力测量装置测量流体管理性能验证过程中低温贮箱内压力变化情况和低温贮箱内气体和液体分布情况；

其后通过盲板封闭除增压法兰、加注法兰其他法兰接口；

接下来通过安装于加注法兰上的低温介质加注设备向贮箱内部加注规定量的液氢等低温介质；

然后通过安装于增压法兰上的增压设备或者自增压设备向贮箱内输入规定压力；

最后通过流量与压力对应性，验证不同压力和不同增压介质下贮箱流体管理性能。

本发明与现有技术相比具有如下至少一种有益效果：

(1)本发明中空间低温性能综合验证贮箱结构形式简单，可后期按照验证目的布局压力、温度等多种类型多数量传感器满足验证要求；

(2)本发明中空间低温性能综合验证贮箱可验证多层绝热、热力学排气等单项绝热技术，也可以验证按照任务要求设计的低温贮箱绝热系统；

(3)本发明中空间低温性能综合验证贮箱接口齐全，可进一步扩展，进一步验证后续识别的关键技术；

(4)本发明中空间低温性能综合验证贮箱壳体采用与实际应用低温贮箱的同种壁板加筋和安装结构形式，可以验证结构满足抗力学性能；

(5)本发明中空间低温性能综合验证贮箱可以作为低温贮箱应用产品中各项单机的验证工装，保证单机产品在装配低温贮箱整体前功能和性能满足任务要求。

附图说明

图1为本发明空间低温性能综合验证贮箱的结构示意图，左图为纵向剖视图，右图为俯视图；

图2为本发明验证贮箱的上底壳结构示意图；

图3为本发明验证贮箱的人口法兰结构示意图；

图4为本发明验证贮箱的连接框结构示意图；

图5为本发明验证贮箱的加筋壁结构示意图；

图6为本发明验证贮箱的下底壳结构示意图。

附图标记说明：

1-上底壳；101-上底壳第一连接面；102-上底壳第二连接面；103-上底壳第三连接面；104-第四连接面；105-第五连接面；106-第六连接面；2-连接框；201-连接框第一连接面；202-连接框第二连接面；203-连接框第三连接面；3-加筋壁板；4-下底壳；401-下底壳第一连接面；下底壳402-第二连接面；403-下底壳第三连接面；5-人口法兰；501-人口法兰第一连接面；502-人口法兰第二连接面；503-人口法兰第三连接面；6-测量法兰；7-增压法兰；8-排气法兰；9-加注法兰；10-热力排气法兰；11-底部法兰。

具体实施方式

下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种空间低温性能综合验证贮箱，通过结构设计，使验证贮箱具有接口充足、功能齐全等特点，从而完成本发明。

本发明空间低温性能综合验证贮箱，包括上封头、柱段和下封头；

如图1，上封头包括上底壳1、人口法兰5、测量法兰6、增压法兰7、排气法兰8、加注法兰9，并通过连接框2与柱段连接；

柱段通过加筋壁板3焊接而成；

下封头包括下底壳4、热力排气法兰10、底部法兰11，并通过连接框2与柱段连接。

人口法兰5作为贮箱内外设备供给接口，用于人员进出，安装、调试和维护内部设备；测量法兰6作为贮箱内部测量接口，用于安装温度和压力等测量装置，实现贮箱内温度与压力分布及随时间变化情况，为贮箱试验提供参数；增压法兰7作为贮箱内部压力加载接口，用于安装贮箱增压设备，实现贮箱外部增压或者自身增压到规定压力值；排气法兰8作为贮箱内部压力卸载接口，用于安装贮箱安全装置，保证贮箱工作在安全压力下，同时安装泄压排放量的测量装置；加注法兰9作为贮箱内部介质填充接口，用于安装低温加注设备，实现贮箱加注规定的低温介质；热力排气法兰10作为热力排气压力控制接口，用于安装热力学排气装置，结合排气法兰8调节贮箱内部压力和温度分层抑制；底部法兰11作为贮箱内低温液体介质联通接口，用于贮箱紧急情况下低温液体介质的泄出，或测量贮箱内低温介质装填量。

通过补充接口的组合可以验证低温贮箱的增压、热力学排气、热封层抑制和蒸发量测量等单项功能，也可以集成所有接口验证贮箱的所有功能。

示例性的，采用人口法兰5、测量法兰6、排气法兰8、加注法兰9和热力排气法兰10可以实现热力学排气功能和性能验证。首先通过人口法兰5将热力学排气装置对应贮箱内部设备，同时通过热力排气法兰10安装热力学排气装置对应贮箱外部设备，进而封闭人口(热力学排气装置贮箱内部和外部设备可参考专利“一种适用微重力条件下的热力学排气与流体混合联合装置，申请号：202018011130.1)；然后通过测量法兰6安装贮箱内部温度和压力分布测量验证设备，通过排气法兰8安装泄压排气装置和排气流量测量装置；接下来通过安装在加注法兰9的加注设备向贮箱内加注规定量低温介质，伴随外部热载荷输入贮箱压力升高，同时由于重力作用产生热分层；然后根据安装于测量法兰6设备所采集数据进行热力学排气装置的运行，达到控制贮箱内部压力和抑制贮箱内部热分层。

进一步的，上底壳为贮箱整体要求的椭球壳或蝶形壳，一方面考虑材料本身的随机缺陷，另一方面考虑使用过程中意外超压，厚度不小于1.5倍工作压力下考虑焊接损失的设计厚度。

进一步的，上底壳采用板材旋压或超塑等工艺成型。

进一步的，法兰位置要要考虑到各功能可有效实施，同时保证各功能相互不产生干扰。上底壳对称轴最顶处开人口法兰焊接孔，孔径不小于950mm，分别在+X轴向，+Y轴向、-X轴向和+Y轴与-X轴角平分线方向，法兰中心轴距贮箱轴线不小于750mm开测量法兰焊接孔、增压法兰焊接孔、排气法兰焊接孔和加注法兰焊接孔，孔径依次不小于300mm、210mm、360mm、210mm。XY平面垂直于贮箱中心轴，具体描述见附图1。

进一步的，如图2，上底壳包含上底壳第一连接面101、上底壳第二连接面102、上底壳第三连接面103、第四连接面104、第五连接面105和第六连接面106，上底壳通过上底壳第一连接面101与人口法兰焊接，上底壳通过上底壳第二连接面102与测量法兰焊接，上底壳通过上底壳第三连接面103与增压法兰焊接，上底壳通过第四连接面104与排气法兰焊接，上底壳通过第一连接面105与加注法兰焊接，上底壳通过第六连接面106与连接框焊接。

进一步的，人口法兰5通径不小于450mm，方便贮箱内部各种设备安装和人员进出安装、维护。

进一步的，人口法兰的法兰颈与法兰盘采用圆弧过渡以减小应力集中，法兰颈厚度渐变为上底壳厚度。

进一步的，如图3，人口法兰5包含人口法兰第一连接面501、人口法兰第二连接面502和人口法兰第三连接面503。

进一步的，人口法兰通过人口法兰第一连接面501与上底壳第一连接面101焊接。

进一步的，人口法兰采用双层密封，内层采用环形接面密封，外层采用刃口密封，人口法兰第二连接面502与外密封法兰连接，人口法兰第三连接面503与内密封法兰连接，人口法兰第二连接面502和人口法兰第三连接面503的间距比内密封法兰厚度不小于5mm。

本发明中，测量法兰通径不小于200mm，法兰颈高度不小于80mm。

进一步的，测量法兰与上底壳通过上底壳第二连接面102焊接，保证测量法兰轴向铅直。

本发明中，增压法兰通径不小于80mm，法兰颈高度不小于80mm。

进一步的，增压法兰与上底壳通过上底壳第三连接面103焊接，保证增压法兰轴向铅直。

本发明中，排气法兰通径不小于250mm，法兰颈高度不小于80mm；

进一步的，排气法兰与上底壳通过第四连接面104焊接，保证排气法兰轴向铅直。

本发明中，加注法兰通径不小于80mm，法兰颈高度不小于80mm；

进一步的，加注法兰与上底壳通过第五连接面105焊接，保证加注法兰轴向铅直。

本发明中，连接框采用锻环机械加工而成，连接处采用圆弧过渡降低应力集中；

进一步的，如图4，连接框2包含连接框第一连接面201、连接框第二连接面202和连接框第三连接面203，连接框通过连接框第一连接面201与上底壳通过上底壳第一连接面101焊接，连接框通过连接框第二连接面202与柱段焊接，连接框通过连接框第三连接面203与发动机机架或其他贮箱接口连接。

本发明中，加筋壁板通过轧制板材通过机铣或化铣加工成中间区域为蒙皮加筋结构，四周变为非加筋焊接区域。蒙皮加筋结构为了节省重量的情况下保证壁板刚度，但其结构形势复杂无法保证焊接质量，因此壁板四周采用结构形势较简单的平板结构的非加筋焊接区域，结构形式详见附图5。

进一步的，加筋壁板3通过弯曲为弧形，3块或4块弯曲成型后加筋壁板通过焊接形成柱段。

本发明中，下底壳为贮箱整体要求的椭球壳或蝶形壳，厚度不小于1.5倍工作压力下考虑焊接损失的设计厚度；

进一步的，下底壳采用板材旋压或超塑等工艺成型；

进一步的，下底壳对称轴最低处开底部法兰焊接孔，孔径不小于350mm，热力排气法兰焊接孔径不小于380mm，下封头热力排气法兰与上封头排气法兰同轴；

进一步的，如图6，下底壳4包含下底壳第一连接面401、下底壳第二连接面402和下底壳第三连接面403，下底壳通过下底壳第一连接面402与热力排气法兰焊接，下底壳通过下底壳第二连接面401与底部法兰焊接，下底壳通过下底壳第三连接面403与连接框第一连接面201焊接。

本发明中，热力排气法兰通径不小于250mm，法兰颈高度不小于80mm。

进一步的，热力排气法兰与下底壳通过下底壳第二连接面402焊接，保证加注法兰轴向铅直。

本发明中，底部法兰通径不小于160mm，法兰颈高度不小于80mm。

进一步的，底部法兰与下底壳通过下底壳第一连接面401焊接，保证加注法兰轴向铅直。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。