[发明专利]用于增加流经导管的低温流体的加热效率的系统和方法

说明书

本发明涉及用于增加流经导管的低温流体的加热效率的系统和方法。用于增加在下游方向流经流体导管的低温流体的加热效率的系统包括加热机构、上游阀、下游阀和控制器。加热机构加热所述低温流体，其导致将部分低温流体转变为在上游方向移动的浮力流。上游阀位于加热机构上游并且控制低温流体的上游阀质量流率。下游阀位于加热机构下游并且控制低温流体的下游阀质量流率。控制器将上游阀调节至阻流位置，在此处：上游阀非浮力质量流率基本上匹配下游阀质量流率，并且上游阀至少部分地阻塞浮力流在上游方向流过上游阀。

技术领域

本公开内容一般地涉及低温流体，并且更具体地涉及用于增加流经导管的低温流体的加热效率的系统和方法。

背景技术

某些应用需要流经导管的流体在流体流入导管的下游端处的组件之前被加热。例如，具有液体推进剂火箭发动机的航天运载火箭需要低温氧化剂(例如，液氧-LOX)和低温燃料(例如，液氢-LH₂)在进入发动机区段之前立刻被加热以确保发动机启动期间点火和燃烧的质量。加热低温推进剂因为如下事实而复杂：低温推进剂储罐位于发动机上方。例如，LOX可以从位于发动机上方显著距离(例如，高至100英尺或更大)的LOX储罐向下流经相对大直径导管。

由于相对大直径的导管和发动机启动的最初低流动需求，LOX最初相对慢地移动通过导管。在通过位于导管外部的加热器加热LOX期间，紧邻导管壁的内表面的LOX被转变为沿着导管内表面向上移动的相对低密度浮力流(buoyant flow)，同时其余的较高密度加热的LOX向下流入发动机。由于相对大直径的导管和相对低流率的LOX，向上移动的浮力流牵引(draw)部分加热的LOX向上通过导管。

加热的LOX的上升流的净效应是加热器的效率损失，其需要加热器的功率输出增加和/或加热器的数量增加作为将LOX加热至发动机启动的必需温度的手段。不幸地，增加加热器的功率水平降低了发动机启动系统的运行效率。增加加热器的数量增加了运载火箭的成本和重量。此外，加热器的功率密度可以达到最大点，在此点没有额外的热可以被增加至LOX。另外，向上移动通过导管的部分加热的LOX可以流入LOX储罐并且加热储罐中的大量液体(bulk liquid)，其导致大量液体的密度减小和可用的推进剂质量的量相应减少。推进剂质量的减小降低了可以被发射入太空的有效载荷量。

由此可见，本领域中对用于增加在导管中流动的低温流体的加热效率的系统和方法存在需要。

发明内容

通过本公开内容解决和缓解了上面记载的与增加在导管中流动的低温流体的加热效率相关联的需要，其在实施方式中提供了包括加热机构、上游阀、下游阀和控制器的系统。加热机构加热在下游方向流经流体导管的低温流体，其导致将部分低温流体转变为在上游方向移动的浮力流。上游阀位于加热机构上游并且控制低温流体的上游阀质量流率。上游阀质量流率包括在下游方向流经上游阀的低温流体的上游阀非浮力质量流率减去在上游方向流过上游阀的任何浮力流的上游阀浮力质量流率。下游阀位于加热机构下游并且控制低温流体的下游阀质量流率。控制器将上游阀调节至阻流位置，在其处：上游阀非浮力质量流率基本上匹配下游阀质量流率，并且上游阀至少部分地阻塞浮力流在上游方向流过上游阀。

还公开了航天运载火箭，其包括低温储罐、火箭发动机、用于转移在下游方向从低温储罐流动至火箭发动机的低温流体的流体导管、和用于加热低温流体的系统。系统包括位于流体导管的下游部分并且配置为加热低温流体的加热机构，其导致将部分低温流体转变为在上游方向移动的浮力流。上游阀在加热机构的上游位置处被安装至流体导管并且可操作以控制低温流体的上游阀质量流率。下游阀位于加热机构下游并且可操作以控制低温流体的下游阀质量流率。控制器被配置为将上游阀调节至阻流位置，在其处：上游阀非浮力质量流率基本上匹配下游阀质量流率，并且上游阀至少部分地阻塞浮力流在上游方向流过上游阀。