用于储存低温液体和能储存的动力燃料的容器

摘要

在尤其是用于储存例如空间飞行器的低温动力燃料并且以作为输送介质使用的驱动气体来工作的容器中借助筛并且在利用表面张力的情况下在至少一个填充和取出装置中使驱动气体与动力燃料分离。气体输入和取出装置具有可重复填充的储备器的形式，储备器在主推进阶段期间排空。进入的液体在弹道阶段期间存储在储备器中。如果剩余液体进入到气体输入及取出装置中，则该剩余液体导出到该装置的内部并且储存在那里，直到系统在下一个主推进阶段中排空。连接在后面地附加有一个分离室，该分离室将液体微粒分离并且排出返回到气体输入和取出装置的内部。

权利要求

1.容器，用于储存空间飞行器工作所用的低温液体或能储存的液态动力燃料，该容器具有一种作为输送介质使用的驱动气体以及具有至少一个气体输入和取出装置，所述气体输入和取出装置呈具有容器壳的可重复填充的储备器的形式，其中，借助于一些筛在利用表面张力的情况下引起驱动气体与所述液体的分离，其特征在于：所述气体输入和取出装置(2)在该容器的上部区域中直接设置在该容器壳(1)上，所述气体输入和取出装置直接与该容器壳相连接并且包括一个基本上圆柱形的壳体(25)，该壳体设置有一系列在该壳体(25)的上部区域中设置在圆周侧的、喇叭状扩宽的并且被挡流板(30)遮挡的开口(3)以及设置有至少一个另外的、设置在该壳体(25)的下部区域中的、喇叭状扩宽的并且被挡流板(32)遮挡的开口(9)，并且该壳体具有一个通到至少一个出口的取出管(29)，其中，这些开口(3，9)中的每一个设置有一些相互间相继地设置的、伸到这些开口(3，9)中的板(14)并且通过双筛(12)与该壳体(25)的内部相连接，其中，在该壳体(25)的内壁上设置有一些相对于该壳体(25)的纵向轴线平行延伸的板(24)，其中，被设置用于遮挡所述下部的喇叭状的开口(9)的碟状的水平的挡流板(32)具有一个或多个孔(31)。

2.根据权利要求1的容器，其特征在于：该容器被构造用于容纳低温液体。

3.根据权利要求1或2的容器，其特征在于：该容器被构造用于容纳能储存的动力燃料。

4.根据权利要求1或2的容器，其特征在于：该容器被构造用于容纳氧化剂。

5.根据权利要求2的容器，其特征在于：所述低温液体为液态氢或液态氧。

6.根据权利要求3的容器，其特征在于：所述动力燃料为一甲基肼(MMH)或肼(N2H4)

7.根据权利要求4的容器，其特征在于：所述氧化剂为四氧化二氮(N2O4)。

说明书

用于储存低温液体和能储存的动力燃料的容器

技术领域

[0001] 本发明涉及一种容器，用于储存空间飞行器工作所用的低温液体或能储存的液态动力燃料，该容器具有一种作为输送介质使用的驱动气体以及具有可重复填充的储备器形式的至少一个气体输入和取出装置，在所述气体输入和取出装置中借助于一些筛在利用表面张力的情况下引起驱动气体与所述液体的分离。

背景技术

[0002] 在这种形式的容器中，驱动气体用于将容纳在其中的液态组分、即一方面动力燃料和另一方面氧化剂输送到燃烧或反应室中。作为驱动气体通常使用惰性气体、如氦(He)或氮(N2)，这种惰性气体在压力下被压到动力燃料罐或氧化剂罐中并且这种惰性气体由此将动力燃料和氧化剂压到通到各自的发动机的管道系统中。在此重要的是作为输送介质使用的驱动气体与到达发动机中的液态组分即动力燃料或氧化剂之间的完全且可靠的分开，因为所述液态组分必须绝对不被掺入外界气体。

[0003] 在低温液体中，尤其是在液态氢中，动力燃料的变热由于蒸发效应而在时间上通常导致容器中压力升高。为了保护容器结构完好性，出现的过压必须在达到上限值时从容器导出。该问题尤其是在低温的航天系统中出现，这种航天系统必须在较长的时间上在失重状态下的轨道中被操纵。处于容器中的气体在此通常也用于空间飞行器的姿态调节。这是与附加驱动系统相比较成本低廉且对于姿态调节足够的推力产生方案。冷气体在此从动力燃料容器通过一个或多个推进喷管定向地释放到真空中。

[0004] 如果在该过程中气体-液体混合物从容器释放到真空中，则液体和气体的不同密度视混合比例而定导致不恒定的推力剖面，并且航天器的调节算法于是必须按照任务要求来校正推力的这些变化。此外，只要动力燃料于是不再供航天器的主发动机使用，就不期望液体从气体取出装置输出。

[0005] 为了可靠地分开气体相和液体相，迄今在航天方面采用下面的方法：

[0006] -通过动力燃料的变热使从动力燃料容器排放出的液体蒸发。该方法需要高的能量要求来蒸发液体。

[0007] -施加附加加速度，该附加加速度使得动力燃料在压力卸载的时刻不处于气体出口处。这需要借助于附加驱动系统定向的加速度，这通常相对昂贵。附加地需要在压力卸载之前适配任务剖面。

[0008] 此外，已由US 40 27 494 A公知了使用相分离器来使液态相与气态相分开，其中，在该公知的装置中一个相分离器用于具有低加速度的工作状态并且该分开在使用超导磁体的情况下进行。此外，US 48 48 987 A描述了一种相分离器，在该相分离器中设置有一些泵和一系列阀。最后，在US 7077 885 B2中所述的相分离器中使用螺旋桨，该螺旋桨使液体-气体混合物旋转，并且在该螺旋桨中，用聚乙烯或尼龙制成的膜片使液体——在此情况下为水——分开。最后的公知的系统被设置用于与燃料电池一起使用并且不适用于分开低温液体。其它已由US 44 35 196 A和US 46 17 031 A公知的装置局限于在地球重力场中使用。

发明内容

[0009] 本发明的任务在于，这样构造开头所述类型的容器，使得不仅对于低温的而且对于非低温的动力燃料和液体，在加速度极为不同的情况下，即从弹道飞行阶段期间的低加速度直到主推进阶段的高加速度——如在航天系统中出现的那样，保证可靠的相分开。

[0010] 根据本发明，提出了一种容器，用于储存空间飞行器工作所用的低温液体或能储存的液态动力燃料，该容器具有一种作为输送介质使用的驱动气体以及具有至少一个气体输入和取出装置，所述气体输入和取出装置呈具有容器壳的可重复填充的储备器的形式，在所述气体输入和取出装置中借助于一些筛在利用表面张力的情况下引起驱动气体与液体的分离，其中，气体输入和取出装置在该容器的上部区域中直接设置在容器壳上，所述气体输入和取出装置直接与该容器壳相连接并且包括一个基本上圆柱形的壳体，该壳体设置有一系列在壳体的上部区域中设置在圆周侧的、喇叭状扩宽的并且被挡流板遮挡的开口以及设置有至少一个另外的、设置在壳体的下部区域中的、喇叭状扩宽的并且被挡流板遮挡的开口，并且该壳体具有一个通到至少一个出口的取出管，其中，开口中的每一个设置有一些相互间相继地设置的、伸到开口中的板并且通过双筛与壳体的内部相连接，其中，在壳体的内壁上设置有一些相对于壳体的纵向轴线平行延伸的板，其中，被设置用于遮挡下部的喇叭状的开口的碟状的水平的挡流板具有一个或多个孔。

[0011] 本发明这样解决该任务：本发明提出，在这种容器中，气体输入和取出装置在该容器的上部区域中直接设置在容器壳上，所述气体输入和取出装置直接与该容器壳相连接并且包括一个基本上圆柱形的壳体，该壳体设置有一系列在壳体的上部区域中设置在圆周侧的、喇叭状扩宽的并且被挡流板遮挡的开口以及设置有至少一个另外的、设置在壳体的下部区域中的、喇叭状扩宽的并且被挡流板遮挡的开口，并且该壳体具有一个通到至少一个出口的取出管，其中，开口中的每一个设置有一些相互间相继地设置的、伸到开口中的板并且通过双筛与壳体的内部相连接，其中，在壳体的内壁上设置有一些相对于壳体的纵向轴线平行延伸的板，其中，被设置用于遮挡下部的喇叭状的开口的碟状的水平的挡流板具有一个或多个孔。

[0012] 朝该容器扩宽并且由此构造成大致喇叭状的开口通过装入毛细板这样构造，使得液体的进入在最大程度上得到避免。如果例如由于较大的液体运动而使液体进入到气体输入和取出装置的内部，则该液体借助于毛细板被导出到储备器的内部并且由此与气体分开。在根据本发明的容器中设置的气体输入和取出装置在此具有优点：该气体输入和取出装置与板仅由无源部件构成并且基本上不具有阀。整个系统因此不需要例如在规定预加速度或通过动力燃料蒸发来引起相分开的系统中所需的附加控制。因此，根据本发明的容器的特征在于与有源系统相比显著简化的结构、提高的耐用度和降低的成本，并且允许在加速度降低的阶段期间、即弹道阶段期间以及在如在航天中在末级和转移航天器中出现的加速的飞行阶段中无液体地输送气体。

[0013] 在根据本发明的容器中在气体输入和取出装置的壳体的下部区域中仅设置一个喇叭状的开口，由此获得特别简单的结构并且从而在其可安装性、重量和以后的维护方面获得优化，其中，后述情况尤其是在可重复使用的航天系统中是重要方面，对于该重要方面，根据本发明的容器以特殊方式适用于所述航天系统。

[0014] 根据本发明的容器的另一个优点在于，该容器在气体输入和取出装置与容器壳之间具有良好的热连接。驱动气体主要处于上部的容器顶的区域中，在那里，温度相对于低温液态动力燃料的温度特别高并且容器壳通过热量导入到容器中而特别好地变热。根据本发明，气体输入和取出装置直接与上部的容器盖相连接，由此，该布置在容器壳的出口区域中附加地作为换热器起作用并且由此附加地负责较恒定的温度条件，尤其是当容器中的压力气体在压力卸载期间快速冷却时。这主要对用压力气体工作的姿态调节系统起积极作用。该效果在气体温度相对于液体绝对地通常显著地上升的低温动力燃料中特别强烈。

[0015] 另外，气体输入和取出装置与容器的容器盖的根据本发明提出的直接连接具有优点：气体输入和取出装置以此方式在非常靠后的时刻也仍可安装到容器中。必要的检验测试、例如用于证明结构强度的振动测试因此可作为部件(Komponenten)与容器盖一起实施，其方式是仅仅容器盖必须被夹紧地振动。与整个容器的结构完好性必须得到检验的系统不同，部件层面(Komponentenebene)上的这种测试显著节省了成本。

[0016] 有利的是，该容器被构造用于容纳低温液体、如液态氢或液态氧。

[0017] 有利的是，该容器被构造用于容纳能储存的动力燃料、如一甲基肼(MMH)或肼(N2H4)。

[0018] 有利的是，该容器被构造用于容纳氧化剂、如四氧化二氮(N2O4)。

附图说明

[0019] 下面要借助于一个实施例来详细描述本发明。附图表示：

[0020] 图1具有装入其中的气体输入和取出装置的末级容器的上部分的剖面，[0021] 图2在高加速度的阶段期间根据图1的容器中液体的位置的视图，[0022] 图3在低加速度的阶段期间根据图1的容器中液体的位置的视图，[0023] 图4在水平起动和着陆的航天器中容器的剖面，示出了该容器中的液体的位置，[0024] 图5根据图1的装置的取出装置的不同的剖面视图，

[0025] 图6取出装置的一个作为替换方案的实施形式，

[0026] 图7根据图5的装置的一个细节的分解视图，

[0027] 图8在按照图5中的剖面C-C所示的装置中一个多级的液体分离的过程的视图，以及

[0028] 图9在按照图5中的剖面C-C所示的装置中在加速的阶段期间液体排出的视图。

具体实施方式

[0029] 图1中所示容器壳1涉及具有如通常在航天器中所使用的弯曲形状的动力燃料容器的上部区域。在容器壳1的上部分中存在一个气体输入和取出装置2。气体输入和取出装置2的上部区域中的、即容器壳1的容器盖6附近的喇叭状的开口3建立动力燃料容器的内部与气体输入和取出装置2的内部之间的连接。穿引装置4使装置2与容器外部的仅在一定程度上示出的管路系统5相连接。在这里所示实施例的情况中，穿引通过容器盖6进行，但其中该穿引装置也可在使用附加连接管路的情况下设置在容器壳1的任意部位上。喇叭状的开口3处于气体输入和取出装置2的上部分上，即在动力燃料容器中完全处于上部，除了这些喇叭状的开口之外，还在气体输入和取出装置2的下部区域中设置有一个另外的开口9。

[0030] 视对容器提出的特殊要求而定，气体输入和取出装置2的上部分中的喇叭状的开口3的数量可在一个开口与如在这里描述的实施例的情况中所示的四个开口之间变化。开口3、9的位置这样选择，使得在绝大部分不同的任务阶段期间至少一个喇叭状的开口3或9不完全被液体7包围。开口3在容器1中的位置在此可按照需求进行优化，其中，也可发生全部喇叭状的开口3、9的短时覆盖。在这些阶段期间，该系统的内部填充有液体7，而被排挤的气体量被排出。

[0031] 图2和图3中示出了容器中的、液体7在不同的任务阶段期间可能所处的位置。任务阶段的区别如下：

[0032] -具有高加速度的阶段(图2)：这些阶段包含一些任务阶段，在这些任务阶段期间图中未示出的主发动机已点火并且在箭头8的方向上产生加速度。液体则如在图2的上部分中所示的那样处于容器的下部区域中。而如果如在图2的下部分中所示的那样使容器旋转，则液体积聚在容器的外部边缘区域中并且于是不具有到气体输入和取出装置2的连接。

[0033] -最初，即在地面上的任务开始时，容器以及由此气体输入和取出装置2也在最大程度上填充有液体7。在第一次主点火期间储备器排空。取出动力燃料的阶段使得所缺失的液体被气体替换，其方式是气体通过所述装置引入到容器中。这样确定储备器的尺寸，使得第一次点火一结束，下部的开口9就不再与液体具有连接。该系统于是在最大程度上不具有液体。

[0034] -具有低加速度的弹道飞行阶段，例如在释放卫星期间(图3)：液体于是以杂乱的运动处于容器中并且可偶尔润湿喇叭状的开口3和9。

[0035] 视所计划的任务而定，也可在一个容器中集成多个气体输入和取出装置。在图4的上部分中，这以用于水平起动和着陆的航天器的容器34为例予以示出，其中，在该图中，相同的构件用与在上述图中相同的参考标号来标记。液体于是可如在图4的中间部分和下部分中所示的那样在地面上的阶段期间以及在飞行期间处于容器34中的不同区域中，其中，气体输入和取出装置按照任务剖面进行分布。在这里所示实施例的情况中，两个气体输入和取出装置2通过一个管路35这样彼此相连接，使得气体可通过任意取出装置2被抽吸出并且输入给图中未示出的用户。在此，所连接的气体输入和取出装置2的数量原则上是任意的。

[0036] 上述图的每个气体输入和取出装置2具有图5中所示的多级结构，该多级结构具有一个壳体25和一些设置在该壳体上的喇叭状的开口3和9。在喇叭状的开口3和9的内部存在一系列板10——被碟状的遮挡装置30、32遮挡住，这些板依次这样设置，使得这些板与喇叭状的开口3和9形成锐角。液体7被毛细推动地增强地积聚在板10与喇叭状的开口3和9所形成的角部11中。各一个双筛套筒12构成喇叭颈部，所述双筛套筒的结构在图7中详细示出。在此，两个筛13各由两个孔板14限定边界。另外，在由筛13和孔板14组成的组合体之间存在两个套筒15和16，这些套筒中内部的套筒16设置有一些孔。如果液体进入到喇叭颈部中，则筛13与孔板14之间的或套筒15与有孔套筒16之间的区域的润湿导致固体结构被完全润湿并且导致在双筛套筒12的内部区域中夹入气体泡。

[0037] 液体的进入通过两个筛13的所谓起泡点压力来降低。该起泡点压力是这样的压力：流动必须施加该压力以便将气体泡从双筛套筒12的内部区域去除。较大量液体的进入由此有效地降低到最小程度。必需的起泡点压力在此与液体-气体混合物的流动速度相关。

[0038] 在双筛套筒12后面存在一个润湿截止件17，该润湿截止件或者可由焊接棱边或者作为替换方案可由相对于喇叭颈部管壁18垂直地伸出的环形盘构成。

[0039] 喇叭状的开口3和9通到壳体25的在这里所示实施例的情况中构造成圆柱形的内部区域19中，该内部区域捕集进入的剩余量的液体。作为替换方案，为了增大容积，内部区域19也可具有其它几何形状或可变的直径，例如球状的内部区域或者二次圆形(quadratische Rundform)来取代圆柱形。在内部区域19的下部区域中存在一个板20，该板与内部区域19的下侧22形成一个间隙21。

[0040] 内部区域19设置有一系列毛细板23和24，这些毛细板将通过喇叭状的开口3和9进入的剩余量的液体导出到储备器区域中、即内部区域19中。毛细板23和24在喇叭状的开口3附近仅构造得窄，以便在那里不可聚集大的液体量。另外，为了避免较大量的液体处于喇叭状的开口9附近，毛细板在内部区域的底部之前终止或者仅窄地一直延伸到下侧
22，以便使在底部22附近聚集的液体导出到毛细板23和24中。毛细板23和24安置在壳体25的内面上。为了优化毛细的填充特性，这些板23和24交替地构造得较短和较长。

[0041] 壳体25的中央区域不具有毛细板24，由此优选气体处于该区域中。另外，在填充和取出装置2的上端部26上存在一个另外的螺旋状的分离室27，如从图9中的剖面A-A中所获知的那样。分离室27这样构造，使得螺旋状地安置有一个筛元件28。该曲率导致处于气体中的剩余液体积聚在筛元件28上。这里星形布置的毛细板24的一个毛细板29在此这种程度地延长，使得从分离室27排出的剩余液体又输入给储备器区域19。相的分离因此在最大程度上被毛细推动地进行。

[0042] 取出装置2固定地与容器盖6相连接，由此形成良好的热接触。至少在用低温液体工作的容器中相对于液体7热的容器盖6导致取出装置具有相对于液体7高的温度。取出装置于是如无源换热器那样起作用并且负责流出的压力气体的温度较均匀。

[0043] 填充和取出管5将所分离的气体从气体输入和取出装置并且由此从动力燃料容器导出。内部区域的上部分26在此也可这样构造，使得填充和取出管在侧面从作为离心器起作用的筛元件28出来并且通过容器被向下引导，如图6中所示。作为对图5中所示实施形式的替换方案，管5在此也可在侧面从内部区域19通出。图8中示意性地示出了在喇叭状的开口之一被液体加载的情况下的流动并且以喇叭状的开口3之一和喇叭状的开口9为例示意性地示出了液体与气体的分离。

[0044] 该布置可这样长时间地实现可靠的相分开，直到储备器区域25的毛细板23的区域完全填充有液体。储备器25的大小因此被这样确定尺寸，使得该大小足够用于弹道阶段。储备器25通过下部的喇叭状的开口9的排空可通过施加加速度来实现。因此，下部的碟状的遮挡装置32这样构造，使得该遮挡装置具有一个或多个孔31。由此避免液体可在排空期间聚集在碟状的遮挡装置32中。系统通过下部的喇叭状的开口9的排空最后在图9中示意性地示出。箭头33在此描述加速度的方向。