一种空间低温贮箱多重复合绝热层
阅读说明：本技术 一种空间低温贮箱多重复合绝热层 (Multiple composite heat-insulating layer of space low-temperature storage tank ) 是由 赵积鹏 于斌 马天驹 顾森东 刘志栋 杨文博 赵蕾 王小宁 张海 张建军 张涛 于 2021-09-09 设计创作，主要内容包括：本申请涉及空间贮存技术领域,具体而言,涉及一种空间低温贮箱多重复合绝热层,包括箱体以及壳体,壳体与箱体之间依次设置有纤维缠绕复合层、泡沫绝热层、绝热渐变密度层、蒸汽冷却屏组件以及防辐射遮挡屏。本申请在满足重量和外形尺寸等技术指标的前提下,最大限度的减少了空间低温贮箱的漏热现象,实现了低蒸发损耗或零蒸发宇航长期在轨的服役要求,采用了薄壁壳体复合材料结构、优化的变密度多层绝热结构以及主动换热式蒸汽冷却屏技术,具有绝热效果好、轻质量、低功耗、高效率等优点,满足航天系统对于质量控制、性能指标以及可靠度的高要求。(The utility model relates to a space stores technical field, particularly, relates to a space low temperature storage tank multiple compound heat insulation layer, including box and casing, set gradually fibre winding composite bed, foam heat insulation layer, adiabatic gradual change density layer, steam cooling screen subassembly and radiation protection between casing and the box and shelter from the screen. On the premise of meeting technical indexes such as weight, appearance size and the like, the heat leakage phenomenon of the space low-temperature storage tank is reduced to the maximum extent, the long-term on-orbit service requirement of low-evaporation loss or zero-evaporation aerospace is realized, the thin-wall shell composite material structure, the optimized variable-density multi-layer heat insulation structure and the active heat exchange type steam cooling screen technology are adopted, the heat insulation system has the advantages of good heat insulation effect, light weight, low power consumption, high efficiency and the like, and the high requirements of the aerospace system on quality control, performance indexes and reliability are met.)
技术领域
本申请涉及空间贮存技术领域，具体而言，涉及一种空间低温贮箱多重复合绝热层。
背景技术
在卫星、飞船航天推进领域，相比常温推进剂，采用低温推进剂具有高比冲、体积小、占空比大、推进剂携带量大等优点，在化学推进方面，采用液氢、液氧等低温推进剂替代甲基肼、四氧化二氮等常温推进剂，在电推进方面，采用液氙、液氪等低温推进剂替代常温高压氙气、氪气等常温气体推进剂，以满足高性能、高可靠的航天器任务需求。
航天器在空间飞行时会受到太阳辐射、地球红外辐射、行星反照、黑背景等空间热环境的影响，通过辐射会使空间低温贮箱发生漏热，并且航天器在地面、发射、在轨、变轨等不同阶段的还会存在低温存储的问题，此外低温贮箱在航天器飞行过程中还存在对流换热、固体导热和辐射换热等不同漏热机理的低温存储问题。
发明内容
本申请的主要目的在于提供一种空间低温贮箱多重复合绝热层，最大限度的降低空间低温贮箱漏热的问题，满足在地面、发射阶段较低蒸发率指标的要求以及在轨、变轨阶段零蒸发指标的要求。
为了实现上述目的，本申请提供了一种空间低温贮箱多重复合绝热层，包括箱体以及壳体，壳体与箱体之间依次设置有纤维缠绕复合层、泡沫绝热层、绝热渐变密度层、蒸汽冷却屏组件以及防辐射遮挡屏。
进一步的，壳体为金属内衬壳体，包括上封头、筒体以及下封头。
进一步的，壳体的材料为钛合金或者铝合金。
进一步的，纤维缠绕复合层包括环向纤维缠绕复合层以及螺旋纤维缠绕复合层。
进一步的，纤维缠绕复合层由纤维和树脂组成，其中：纤维的拉伸强度≥4500MPa，模量≥200GPa，延伸率≥1.7％；树脂的拉伸强度≥70MPa，延伸率≥1.8％。
进一步的，泡沫绝热层包括缓冲粘结层、主体泡沫层、密封加固层以及防热反射屏。
进一步的，主体泡沫层的材料为聚氨酯泡沫，密度为29～47kg/m3。
进一步的，绝热渐变密度层包括低密度层区、中低密度层区、中密度层区、中高密度层区以及高密度层区，每个密度层区均由间隔层和防辐射层组成。
进一步的，蒸汽冷却屏组件包括铝合金屏罩、分布式冷管、循环泵、制冷机以及氦气瓶。
进一步的，防辐射遮挡屏为超薄壁全金属光屏。
本发明提供的一种空间低温贮箱多重复合绝热层，具有以下有益效果：
本申请在满足重量和外形尺寸等技术指标的前提下，最大限度的减少了空间低温贮箱的漏热现象，实现了低蒸发损耗或零蒸发宇航长期在轨的服役要求，采用了薄壁壳体复合材料结构、优化的变密度多层绝热结构以及主动换热式蒸汽冷却屏技术，具有绝热效果好、轻质量、低功耗、高效率等优点，满足航天系统对于质量控制、性能指标以及可靠度的高要求。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是根据本申请实施例提供的一种空间低温贮箱多重复合绝热层的示意图；
图2是根据本申请实施例提供的一种空间低温贮箱多重复合绝热层的截面示意图；
图中：1-壳体、11-上封头、12-筒体、13-下封头、2-纤维缠绕复合层、2l- 环向纤维缠绕复合层、22-螺旋纤维缠绕复合层、3-泡沫绝热层、31-缓冲粘结层、32-主体泡沫层、33-密封加固层、34-防热反射屏、4-绝热渐变密度层、41- 低密度层区、42-中低密度层区、43-中密度层区、44-中高密度层区、45-高密度层区、5-蒸汽冷却屏组件、51-制冷机、52-循环泵、53-氦气瓶、54-分布式冷管、55-铝合金屏罩、6-防辐射遮挡屏、7-箱体。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
如图1-2所示，本申请提供了一种空间低温贮箱多重复合绝热层，包括箱体7以及壳体1，壳体1与箱体7之间依次设置有纤维缠绕复合层2、泡沫绝热层3、绝热渐变密度层4、蒸汽冷却屏组件5以及防辐射遮挡屏6。
具体的，本申请实施例提供的空间低温贮箱多重复合绝热层属于被动热防护技术，空间低温贮箱在地面和发射阶段主要以对流换热为主，而在在轨和变轨阶段主要以辐射换热以及固体导热为主，因此，空间低温贮箱在地面和发射阶段需维持较低的蒸发率指标要求，在在轨和变轨阶段则需保证零蒸发指标要求，为了实现上述指标要求，本申请实施例提供了一种4层复合结构的泡沫层、 5个密度区分布的变密度多层绝热结构、具有多条分布式冷管循环回路的主动换热式蒸汽冷却屏组件5以及防辐射遮挡屏6多部件结构组合、功能耦合的多重复合结构绝热层，其中，壳体1和纤维缠绕复合层2作为整体结构强度和刚度承力的主体，并且还能够起到固定支撑的作用；泡沫绝热层3主要在地面和发射阶段发挥绝热作用，以高热阻泡沫材料防止以对流传热为主的空间低温贮箱漏热，保证较低的蒸发率指标；绝热渐变密度层4主要在在轨和变轨阶段发挥绝热作用，采用较高反射率的防辐射屏防止以辐射、固体传导为主的空间低温贮箱漏热，在满足重量和外形尺寸等技术指标的前提下，最大限度减少漏热；蒸汽冷却屏组件5采用主动换热式，主要用于降低多层隔热材料的层间温度梯度、热流密度等，从而降低空间低温贮箱的热流密度，降低漏热；防辐射遮挡屏6主要用于消除太阳辐射、地球红外辐射、行星反照、黑背景等空间热环境的影响。
进一步的，壳体1为金属内衬壳体1，包括上封头11、筒体12以及下封头13。在本申请实施例中，空间低温贮箱的箱体7优选为球形封头圆柱形结构，壳体1设置在箱体7的内部，为金属内衬壳体1，包括金属气口封头、筒体12以及液口封头，三者通过焊接形成内衬壳体1。
进一步的，壳体1的材料为钛合金或者铝合金。当壳体1采用铝合金材料时，封头采用无模旋压工艺，筒体12采用强旋减薄工艺，连接采用搅拌摩擦焊接工艺，焊缝系数≥0.8；当壳体1采用钛合金材料时，封头采用板材夹板热冲压、机加制造、筒体12采用环材机加制造，封头、筒体12薄膜区壁厚 0.8mm，整体采用电子束焊接连接。
进一步的，纤维缠绕复合层2包括环向纤维缠绕复合层21以及螺旋纤维缠绕复合层22。纤维缠绕复合层2采用环向纤维和螺旋纤维组合交替缠绕的复合层结构，靠近金属内衬壳体1的复合层和最外层均为环向纤维缠绕复合层 21。
进一步的，纤维缠绕复合层2由纤维和树脂组成，其中：纤维的拉伸强度≥4500MPa，模量≥200GPa，延伸率≥1.7％；树脂的拉伸强度≥70MPa，延伸率≥1.8％。纤维缠绕复合层2由T800S碳纤维与耐低温环氧树脂组成，纤维和树脂的参数根据实际情况进行选择，整体采用环向和螺旋交替缠绕线型的湿法缠绕工艺，环向纤维缠绕复合层21优选为14层，螺旋纤维缠绕复合层22 优选为12层，复合层总厚度优选为4.2mm。
进一步的，泡沫绝热层3包括缓冲粘结层31、主体泡沫层32、密封加固层33以及防热反射屏34。在本申请实施例中，泡沫绝热层3的总厚度优选为 10mm，综合导热系数优选为8.66×10-4W/(m·K)，由冷端向热端依次为为缓冲粘结层31、主体泡沫层32、密封加固层33以及防热反射屏34，其中，缓冲粘结层31主要发挥绝热层粘结的作用，主体泡沫层32主要起到绝热主体的作用，密封加固层33主要起到隔绝水汽渗透的作用，防热反射屏34主要起到减少辐射楼热的作用。
进一步的，主体泡沫层32的材料为聚氨酯泡沫，密度为29～47kg/m3。主体泡沫层32的材料优选为聚氨酯泡沫，具有防震抗压，超低温热传导率，防止以对流传热为主的空间低温贮箱漏热，保证较低的蒸发率指标
进一步的，绝热渐变密度层4包括低密度层区41、中低密度层区42、中密度层区43、中高密度层区44以及高密度层区45，每个密度层区均由间隔层和防辐射层组成。
具体的，低密度层区41、中低密度层区42、中密度层区43、中高密度层区44以及高密度层区45的密度依次为8层/cm、11层/cm、14层/cm、17层 /cm、20层/cm，绝热渐变密度层4总层数优选为56层，总厚度优选为40mm。此外，绝热渐变密度层4由冷端向热端的防辐射层密度逐渐增加、间隔层密度逐渐降低，任意两个防辐射层之间至少有一个间隔层，防辐射层材料采用双面镀铝聚酰亚胺薄膜，薄膜厚度≥6.2μm，镀铝层厚度为0.12～0.2μm，开孔率为2～6％，间隔层材料采用聚酰亚胺丝网或尼龙网，单层厚度≤0.29mm，，面密度≤0.21kg/m2，间隔层与防辐射层采用聚酰亚胺纤维缝纫线进行封边和固定。
进一步的，蒸汽冷却屏组件5包括铝合金屏罩55、分布式冷管54、循环泵52、制冷机51以及氦气瓶53。蒸汽冷却屏组件5采用主动换热式，主要用于降低多层隔热材料的层间温度梯度、热流密度等，从而降低空间低温贮箱的热流密度，降低漏热，其中，循环泵52和制冷机51形成低温循环管路，根据实际情况分布式冷管54设置为多组，多组分布式冷管54和铝合金屏罩55布置在绝热渐变密度层4的层间，制冷工质为氦气瓶53中的氦气，分布式冷管54、铝合金屏罩55与空间低温贮箱绝热支撑结构连接固定，多组分布式冷管 54与低温循环管路并联形成回路，均设置于空间低温贮箱的外侧，间隔角度一致。
进一步的，防辐射遮挡屏6为超薄壁全金属光屏，主要用于消除太阳辐射、地球红外辐射、行星反照、黑背景等空间热环境的影响。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
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