本发明涉及低温推进剂致密化，特别涉及一种浆氢制备系统及其方法。
背景技术：
1、随着航天事业的大力发展，浆氢作为一种最具应用前景的推进燃料，理应受到重视，但关于浆氢技术研究的成熟度还不高，尤其是浆氢制备技术。浆氢是指将微小固氢颗粒悬浮在液氢中的一种固液混合物，且在一定含固质量分数(60％)以下具有流动特性。目前，浆氢制备的方法主要包括以下四种方法：1、喷雾法；2、氦气注入法；3、螺旋刮片法；4、冻结-自然融化法。喷雾法是指将液氢通过一个喷嘴，绝热膨胀后产生固氢颗粒，固体颗粒形状并不规则，取决于喷孔尺寸以及压力参数，然而该方法发现制备的固氢颗粒与液氢混合后会逐渐融化，不适合于浆氢高效生产。氦气注入法是指将纯净氦气注入液氢底部，通过浓度差扩散制冷原理制备浆氢。该方法简单可靠，但会浪费大量的氦气，不适用于大规模浆氢制备。螺旋刮片法是指将低温氦气通入液氢装置气枕内热交换的冷板之中，并将氢气冻结在冷板外壁面，再通过螺旋刀片旋转刮削产生固氢颗粒，掉落于气枕下方的液氢内形成浆氢，固氢颗粒粒径尺寸在0.1mm-0.5mm之间。该方法优势是可以连续制备浆氢，但螺旋刀片对生产装置提出了更高的要求，且尚未开展中试和大规模生产验证。冻结-融化法是指通过一台真空泵对液氢容器进行抽空减压，当液氢温度降低至三相点温度时气液界面会冻结形成固氢层，当停止抽气时，固氢层会沿容器壁自然融化破碎成不规则的固氢块或蓬松絮状结构，沉落到液氢内形成浆体。通过反复冻结-融化后可形成批量浆氢产品，固氢颗粒尺寸维持在0.5mm-0.7mm之间。申请人前期经过大量对比分析，得出浆氢大规模制备并应用于低温火箭燃料中时采用冻结-自然融化方法是最为经济可行的。然而，申请人通过试验观察发现采用冻结-自然融化法制备浆氢时，制备效率低，且极易获得均匀度不理想的液氢-大块固氢混合物，而非真正的浆氢产品。究其原因是在冻结过程中容易因时间控制不理想而生成片状或块状的厚实固氢层，从而在之后的融化过程中转变为密实的固体，导致浆氢制备不成功。同时，为了推向实际应用，浆氢制备还需具备连续制备、连续加注、循环维稳的技术要求，但相关研究尚未见公开报道。因此，亟待提出一种浆氢高效制备、连续制备、连续加注、及应用贮箱内含固量维持的综合系统操作工艺。
技术实现思路
1、基于此，有必要提供一种高效制备浆氢的浆氢制备系统及其方法。
2、一种浆氢制备系统，包括：
3、制备组件，所述制备组件包括并联连接的第一杜瓦和第二杜瓦；
4、供给组件，所述供给组件包括补气瓶组和液氢槽车，所述液氢槽车分别与所述第一杜瓦和所述第二杜瓦的第一液氢入口连接，所述液氢槽车用于向所述第一杜瓦和所述第二杜瓦输送液氢，所述补气瓶组分别与所述第一杜瓦和所述第二杜瓦的第一氢气入口连接；
5、抽空机组，所述抽空机组的数量为两个，两个所述抽空机组并联连接，且两个所述抽空机组分别与所述第一杜瓦和所述第二杜瓦的第一氢气出口连通，所述抽空机组用于降低所述第一杜瓦或第二杜瓦内部的压力，以使所述第一杜瓦或所述第二杜瓦内部的液氢的温度降低至三相点温度，并使部分液氢转化至固氢，所述补气瓶组用于通入微正压氢气至所述第一杜瓦或所述第二杜瓦内，以形成浆氢；
6、火箭储箱，所述火箭储箱的第一入口分别与所述第一杜瓦和所述第二杜瓦的第一液氢出口连通，所述第一杜瓦和所述第二杜瓦用于输送浆氢至所述火箭储箱，所述第一杜瓦和所述第二杜瓦交替运行，以实现所述浆氢的连续制备。
7、可选的，所述浆氢制备系统还包括预冷组件，所述预冷组件包括氦气供应罐和氦气循环管路，所述氦气供应罐的出口端与氦气循环管路连通，所述氦气供应罐的出口端分别与所述第一杜瓦和所述第二杜瓦的第一氢气入口连通，以对所述第一杜瓦和所述第二杜瓦进行氦气吹扫，所述氦气供应罐的出口端还与氦气循环管路连通，以用于输出氦气至所述氦气循环管路，所述氦气循环管路首尾依次连接有第一换热器、第二换热器和所述火箭储箱，所述氦气用于在所述氦气循环管路不断循环，且所述第一换热器设置于所述第一杜瓦的内部，所述第二换热器设置于所述第二杜瓦的内部，所述第一换热器用于供氦气与所述第一杜瓦进行换热，所述第二换热器用于供所述第一换热器输出的氦气与所述第二杜瓦进行换热，以实现所述氦气对所述火箭储箱的预冷。
8、可选的，还包括排放组件，所述排放组件包括阻火器、氢气燃烧组件和氦气排放组件，所述阻火器的入口分别与所述第一杜瓦和所述第二杜瓦的第二氢气出口、所述抽空机组的出口以及所述火箭储箱的第一出口连通，所述阻火器的出口与所述氢气燃烧组件连通；所述氦气排放组件与所述火箭储箱的第二出口连通。
9、可选的，还包括回收组件，所述回收组件包括氢气压缩机组，所述阻火器的出口还与所述氢气压缩机组的入口连通，所述氢气压缩机组的出口与所述补气瓶组连通，以实现氢气的回收利用。
10、可选的，所述供给组件还包括氢气瓶组，所述氢气瓶组与所述补气瓶组并联连接，所述氢气瓶组通过两个所述抽空机组分别与所述第一杜瓦和所述第二杜瓦的第一氢气出口连通，当所述抽空机组使用引射器时，氢气瓶组为所述抽空机组提供高压工作气流，高压气流与所述第一杜瓦或所述第二杜瓦输出的氢气混合后进入所述阻火器。
11、一种基于上述的浆氢制备系统的制备方法，包括以下步骤：
12、通入惰性气体吹扫整个浆氢制备系统；
13、制备浆氢：将所述液氢槽车中的液氢输送至所述第一杜瓦中，利用所述抽空机组对所述第一杜瓦进行抽真空，降低所述第一杜瓦内的压力，并使所述第一杜瓦内的温度降低至三相点温度，此时液氢界面处开始出现固氢层，继续抽空直至真空度恒定，当固氢层达到预设厚度时，将所述补气瓶组输送的氢气减压至微正压，然后输送至所述第一杜瓦内，微正压氢气作用于固氢层上，在热声震荡的作用下使片状或块状的固氢块变成大小均匀的微小类球状固氢颗粒，从而获得均匀的浆氢。
14、可选的，制备浆氢的步骤之后还包括：加注浆氢；
15、所述加注浆氢的步骤包括：将浆氢输送至所述火箭储箱内，浆氢在所述火箭储箱内由于漏热融化会导致浆氢的含固量降低或转变为液氢，所述火箭储箱内形成有含固量降低的浆氢和液氢的混合液，所述火箭储箱将混合液输送至所述第二杜瓦内，并对所述第二杜瓦进行抽空减压降温的操作，控制所述液氢槽车输送液氢至所述第二杜瓦，当所述第一杜瓦内的浆氢量降低到预设数值时，控制所述补气瓶组对所述第二杜瓦进行增压操作，以使所述第二杜瓦制备浆氢并将所述第二杜瓦制备的浆氢输送至所述火箭储箱，然后控制火箭储箱将混合液输送至所述第一杜瓦内，同时控制所述液氢槽车向所述第一杜瓦加注液氢，并保持所述抽空机组对所述第一杜瓦的抽空减压降温操作，从而实现所述第一杜瓦和所述第二杜瓦的交替运行，进而实现浆氢的连续制备以及加注。
16、可选的，所述加注浆氢的步骤之前包括：对所述火箭储箱进行预冷。
17、可选的，对所述火箭储箱进行预冷的步骤包括：将所述氦气供应罐内的氦气经由所述氦气循环通道依次进入第一换热器、第二换热器内换热，最后进入所述火箭储箱，以对所述火箭储箱进行预冷，完成预冷的氦气经由所述氦气循环通道重新进入所述第一换热器对所述火箭储箱进行预冷循环，直至所述火箭储箱内部的温度预冷至液氢的三相点温度，以使所述火箭储箱能够满足加注浆氢的条件。
18、可选的，对所述火箭储箱进行预冷的步骤包括：将所述氦气供应罐内的氦气经由所述第一换热器、所述第二换热器内换热后进入所述火箭储箱，以维持所述火箭储箱内部的压力为微正压状态，将所述第一杜瓦中的液氢或浆氢输送至所述火箭储箱，以对所述火箭储箱进行预冷，然后预冷后的液氢或浆氢再由所述火箭储箱回输至所述第一杜瓦内对所述火箭储箱进行预冷循环，直至所述火箭储箱内部的温度预冷至液氢的三相点温度，以使所述火箭储箱能够满足加注浆氢的条件。
19、本技术的浆氢制备系统，通过液氢槽车向第一杜瓦输送液氢，抽空机组对第一杜瓦的内部进行抽空减压降温操作，以使第一杜瓦内部的液氢出现固氢，当固氢层达到预设厚度时，补气瓶组输送微正压氢气至第一杜瓦内，利用相对固氢(7kpa、14k)而言的高温氢气(微正压、300k)直接作用在固氢表面，通过瞬间增压产生的热振荡和压力波振荡综合作用下来破碎整块或大块固氢块形成大小均匀的微小类球状固氢颗粒，使其均匀悬浮于液氢之中形成浆氢产品，得到均匀的浆氢，能够提升浆氢的品质，且缩短了固氢的融化时间，从而大幅度提高了浆氢的制备效率。相较于现有制备浆氢的技术如冻结融化法、螺旋刮削法以及氦气喷射法，冻结-瞬间增压法克服了制备耗时长以及成本昂贵的缺点，达到短时间大规模安全制备浆氢的效果。本技术还通过设置有双罐结构，使得第一杜瓦和第二杜瓦交替运行，能够实现浆氢的连续制备。
1.一种浆氢制备系统，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的浆氢制备系统，其特征在于，所述浆氢制备系统还包括预冷组件，所述预冷组件包括氦气供应罐和氦气循环管路，所述氦气供应罐的出口端与氦气循环管路连通，所述氦气供应罐的出口端分别与所述第一杜瓦和所述第二杜瓦的第一氢气入口连通，以对所述第一杜瓦和所述第二杜瓦进行氦气吹扫，所述氦气供应罐的出口端还与氦气循环管路连通，以用于输出氦气至所述氦气循环管路，所述氦气循环管路首尾依次连接有第一换热器、第二换热器和所述火箭储箱，所述氦气用于在所述氦气循环管路不断循环，且所述第一换热器设置于所述第一杜瓦的内部，所述第二换热器设置于所述第二杜瓦的内部，所述第一换热器用于供氦气与所述第一杜瓦进行换热，所述第二换热器用于供所述第一换热器输出的氦气与所述第二杜瓦进行换热，以实现所述氦气对所述火箭储箱的预冷。
3.根据权利要求2所述的浆氢制备系统，其特征在于，还包括排放组件，所述排放组件包括阻火器、氢气燃烧组件和氦气排放组件，所述阻火器的入口分别与所述第一杜瓦和所述第二杜瓦的第二氢气出口、所述抽空机组的出口以及所述火箭储箱的第一出口连通，所述阻火器的出口与所述氢气燃烧组件连通；所述氦气排放组件与所述火箭储箱的第二出口连通。
4.根据权利要求3所述的浆氢制备系统，其特征在于，还包括回收组件，所述回收组件包括氢气压缩机组，所述阻火器的出口还与所述氢气压缩机组的入口连通，所述氢气压缩机组的出口与所述补气瓶组连通，以实现氢气的回收利用。
5.根据权利要求3所述的浆氢制备系统，其特征在于，所述供给组件还包括氢气瓶组，所述氢气瓶组与所述补气瓶组并联连接，所述氢气瓶组通过两个所述抽空机组分别与所述第一杜瓦和所述第二杜瓦的第一氢气出口连通，当所述抽空机组使用引射器时，氢气瓶组为所述抽空机组提供工作气流，工作气流与所述第一杜瓦或所述第二杜瓦输出的氢气混合后进入所述阻火器。
6.一种基于权利要求1-5任一项所述的浆氢制备系统的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
7.根据权利要求6所述的浆氢制备方法，其特征在于，制备浆氢的步骤之后还包括：加注浆氢；
8.根据权利要求7所述的浆氢制备方法，其特征在于，所述加注浆氢的步骤之前包括：对所述火箭储箱进行预冷。
9.根据权利要求8所述的浆氢制备方法，其特征在于，对所述火箭储箱进行预冷的步骤包括：将所述氦气供应罐内的氦气经由所述氦气循环通道依次进入第一换热器、第二换热器内换热，最后进入所述火箭储箱，以对所述火箭储箱进行预冷，完成预冷的氦气经由所述氦气循环通道重新进入所述第一换热器对所述火箭储箱进行预冷循环，直至所述火箭储箱内部的温度预冷至液氢的三相点温度，以使所述火箭储箱能够满足加注浆氢的条件。
10.根据权利要求8所述的浆氢制备方法，其特征在于，对所述火箭储箱进行预冷的步骤包括：将所述氦气供应罐内的氦气经由所述第一换热器、所述第二换热器内换热后进入所述火箭储箱，以维持所述火箭储箱内部的压力为微正压状态，将所述第一杜瓦中的液氢或浆氢输送至所述火箭储箱，以对所述火箭储箱进行预冷，然后预冷后的液氢或浆氢再由所述火箭储箱回输至所述第一杜瓦内对所述火箭储箱进行预冷循环，直至所述火箭储箱内部的温度预冷至液氢的三相点温度，以使所述火箭储箱能够满足加注浆氢的条件。
