CN102926889B - 一种高效利用双组元推进剂的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于双组元推进系统技术领域。为有效利用推进剂，提出了一种高效利用双组元推进剂的方法，通过在高压气瓶和贮箱之间增加气体旁路，实现了以下功能：提高推进剂剩余量测量精度；主动控制并联贮箱平衡排放；主动控制系统混合比；可作为机械减压支路的功能备份，消除系统单点故障，提高系统可靠性。一种高效利用双组元推进剂的方法可广泛用于各种桁架式卫星，并可推广至所有采用双组元推进系统的卫星，提升双组元推进系统性能，提高双组元推进系统的在轨管理能力。

Description

一种高效利用双组元推进剂的方法
技术领域
本发明涉及一种高效利用双组元推进剂的方法，属于卫星双组元推进系统技术。
背景技术
卫星双组元推进系统具有比冲高的特点，使用MON-1(氧化剂)和MMH(燃烧剂)2种推进剂作为工质，但是两种推进剂组元需要按照特定的混合比(质量比)进入发动机燃烧才能达到最好的效果。
由于通常在轨的双组元推进系统没有在轨混合比主动控制能力，其混合比指标只能依靠推进剂管道、发动机和推力器的设计和生产来保证，最终的混合比偏差指标要求通常是不大于3％，那么对于携带3100kg推进剂的15年寿命卫星来说，需要预留93kg推进剂作为混合比偏差的余量。如果卫星推进系统具备了在轨主动控制混合比的能力，将混合比偏差控制在1％以内，只需预留31kg推进剂作为混合比偏差余量即可，这样就能够节省62kg推进剂，相当于卫星1年多的寿命。此外，如果混合比偏离设计值，将会造成一种推进剂消耗完而另一种推进剂还有剩余的情况，这不仅仅是浪费推进剂，而且无法使用的推进剂相当于增加了航天器的重量，还得消耗更多的推进剂。例如混合比偏差较大，达到了3％的情况下，卫星寿命末期就会有57kg的氧化剂或36kg的燃烧剂无法使用，那么为了将这些无用的推进剂送到轨道，已经消耗了与其质量相当的推进剂，综合起来，相当于浪费了114kg推进剂。
对于并联贮箱结构的推进系统来说，一个重要的问题是推进剂平衡排放能力。若两只并联贮箱的推进剂排放不平衡，则当一只贮箱内推进剂排空后，再继续就会把贮箱内的气体排出，使得推进剂管道中的推进剂夹气，推力器和发动机无法工作，卫星寿命结束。而且另一只贮箱内剩余推进剂就会成为呆重，不仅无法使用，还会导致额外浪费推进剂。对于携带推进剂3000kg的卫星来说，每只贮箱内加注量为934kg氧化剂或566kg燃烧剂，若贮箱并联排放的不平衡率为3％，到卫星寿命末期会有28kg氧化剂和17kg燃烧剂成为呆重，还要额外消耗45kg推进剂将这些呆重(推进剂)送到卫星轨道。若能够将贮箱并联平衡排放指标控制到1％以内，综合起来就能够节省约60kg推进剂。此外，若并联贮箱排放不平衡，将导致卫星质心偏斜，严重时可导致变轨发动机点火时姿态无法控制。
典型的航天器用并联贮箱结构双组元推进系统的系统配置如图1所示，4只推进剂贮箱统一由机械减压气路供气。并联贮箱的平衡排放只能由贮箱下游的管路流阻实现被动控制，系统混合比也只能通过在减压气路上配置压降相近的单向阀来实现被动控制，整个推进系统无主动控制系统混合比和贮箱并联平衡排放的能力。
发明内容
本发明的解决问题：克服现有技术的不足，提供一种高效利用双组元推进剂的方法，在提高剩余推进剂测量精度的基础上，实现对并联贮箱平衡排放和系统混合比的主动控制，大幅提高推进剂利用效率。
本发明的技术解决方案：一种高效利用双组元推进剂的方法，在气瓶(1)和每组元推进剂贮箱(8)之间用气体旁路(11)连接，所述气体旁路(11)由2只自锁阀(7)和1只气容(13)连接而成，气容(13)处于2只自锁阀(7)之间。
为提高气体旁路(11)的可靠性，在气体旁路(11)两端增加第一常开电爆阀(12)或常闭电爆阀(14)，起到故障隔离作用。
为避免2种组元的推进剂蒸汽通过气体旁路(11)在上游相遇而发生爆炸，在2个气体旁路(11)的之间设置第二常开电爆阀(15)，在使用气体旁路(11)前启爆该第二常开电爆阀(15)，将2组气体旁路(11)的连接断开，并且把气瓶(1)分为2组，分别与2个气体旁路(11)连接，并通过气体旁路(11)分别给每种组元的推进剂贮箱(8)供气。
为了能够在地面上对气体旁路(11)性能进行测试，在气体旁路(11)上游设置加排阀(3)
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明实现了对剩余推进剂的精确测量以及对并联贮箱平衡排放和系统混合比的主动控制，大幅提高推进剂利用效率，并且还能够作为机械减压支路的功能备份，消除系统单点故障，提高系统可靠性。具体如下：
1、精确测量剩余推进剂。通过气体旁路(11)，可以将气瓶(1)内的高压气体以精确的体积注入到推进剂贮箱(8)内，利用压力传感器(2)精确测量注入前后气瓶(1)和推进剂贮箱(8)的压力，根据气体状态方程即可精确计算出每只推进剂贮箱(8)内气体和液体的体积。剩余推进剂精确测量是为了获得当前系统混合比和并联贮箱平衡排放情况，制定后续的控制目标。
2、主动控制并联贮箱平衡排放。通过控制并联的推进剂贮箱(8)中每只推进剂贮箱(8)的压力能够实现对并联贮箱平衡排放指标的主动控制，例如通过提高推进剂贮箱MON-A的压力，就能够增加推进剂贮箱MON-A排出的氧化剂(MON-1)的流量，从而控制推进剂贮箱MON-A和MON-B的平衡排放指标。
3、主动控制系统混合比。通过控制不同组元推进剂贮箱(8)的压力能够实现对系统混合比指标的主动控制，例如通过提高推进剂贮箱MMH-A和MMH-B的压力，就能够提高轨控发动机(9)和姿控推力器(10)燃烧剂入口压力，使得燃烧剂(MMH)的流量增大，从而降低系统的混合比。
4、作为机械减压支路的功能备份，消除系统单点故障。图1中推进剂贮箱(8)的压力只能由减压器(4)和单向阀(5)维持和控制，若减压器(4)和单向阀(5)任何一个出现故障，都能导致系统失效，属于单点故障。在增加了气体旁路(11)后，可以在减压器(4)和单向阀(5)发生故障时，通过控制气体旁路(11)中自锁阀(7)的开关来控制推进剂贮箱(8)的压力，从而消除系统的单点故障。
经过地面测试，本发明可将混合比偏差控制到0.8％以内，将贮箱并联平衡排放指标控制到0.8％以内，相当于节省了5％～6％的推进剂，对于GEO轨道15年寿命卫星来说，相当于3～4年寿命。
附图说明
图1为典型的航天器用并联贮箱结构双组元推进系统原理图；
图2为本发明实现的系统原理图。
具体实施方式
如图1所示，典型的航天器用并联贮箱结构双组元推进系统基本由气瓶1、压力传感器2、加排阀3、减压器4、单向阀5、常开电爆阀6、自锁阀7、推进剂贮箱8、轨控发动机9和姿控推力器10组成，其中气瓶1用于存储高压气体(通常是氦气)；推进剂贮箱8用于存储推进剂；气瓶1和推进剂贮箱8之间由减压器4和单向阀5连接，并配置必须的压力传感器2、加排阀3、常开电爆阀6和自锁阀7；减压器4用于对气瓶1中的高压气体进行减压并注入推进剂贮箱8，以维持推进剂贮箱8的压力稳定；单向阀5用于防止不同组元的推进剂贮箱8内的推进剂蒸汽反向扩散到减压器下游的交汇点，避免发生爆炸危险；压力传感器2用于测量气瓶1和推进剂贮箱8的压力；加排阀3用于地面操作，给气瓶1和推进剂贮箱8加注或排放推进剂和气体；常开电爆阀6用于切断推进剂贮箱8和上游供气管道之间的连接，切断时机是在轨控发动机完成任务后或者上游供气管道发生故障时；自锁阀7用于控制气体或推进剂管道的通断。
在气瓶1和每组元推进剂贮箱8之间用气体旁路11连接，所述气体旁路11由2只自锁阀7和1只气容13连接而成，气容13处于2只自锁阀7之间。
为提高气体旁路11的可靠性，在气体旁路11两端增加第一常开电爆阀12或常闭电爆阀14，起到故障隔离作用。
为避免2种组元的推进剂蒸汽通过气体旁路11在上游相遇而发生爆炸，在2个气体旁路11的之间设置第二常开电爆阀15，在使用气体旁路11前启爆该第二常开电爆阀15，将2组气体旁路11的连接断开，并且把气瓶1分为2组，分别与2个气体旁路11连接，并通过气体旁路11分别给每种组元的推进剂贮箱8供气。
为了能够在地面上对气体旁路11性能进行测试，在气体旁路11上游设置加排阀3。
一种高效利用双组元推进剂的方法能够实现以下功能：
1、精确测量剩余推进剂。如图2所示，以测量推进剂贮箱MON-A为例，在测量前确认常闭电爆阀14已起爆，自锁阀LV2、LV3、LV5和LV6处于关闭状态，自锁阀LV1和LV4处于开启状态，然后打开自锁阀LV5使气瓶中的高压气体充入气容13，待稳定后关闭自锁阀LV5，随即打开自锁阀LV6将气容13里的气体注入推进剂贮箱MON-A。通过压力传感器2采集注入前后气容13和推进剂贮箱MON-A的压力变化，即可通过基于气体状态方程的剩余量测量模型精确计算出贮箱MON-A中的剩余推进剂。测量其它推进剂贮箱8内的剩余推进剂的方法类似。
2、主动控制并联贮箱平衡排放。根据精确测量得到的贮箱剩余推进剂量，可计算出并联贮箱的平衡排放情况。将剩余推进剂量以及当前系统的压力和温度数据带入到相应的并联贮箱平衡排放仿真模型中，即可得到同种推进剂贮箱(MON-A和MON-B，MMH-A和MMH-B)需要调整的压差目标。以调整推进剂贮箱MON-A和MON-B的并联平衡排放指标为例，根据计算结果，若需要提高推进剂贮箱MON-A压力，首先确认常闭电爆阀14已起爆，自锁阀LV2、LV3、LV5和LV6处于关闭状态，自锁阀LV1和LV4处于开启状态，然后打开自锁阀LV5使气瓶中的高压气体充入气容13，待稳定后关闭自锁阀LV5，随即打开自锁阀LV6将气容13里的气体注入推进剂贮箱MON-A，根据推进剂贮箱MON-A的压力变化情况决定自锁阀LV6的关闭时机，使得推进剂贮箱MON-A与MON-B的压差达到目标值。其它的调整情况类似。
3、主动控制系统混合比。根据精确测量得到的贮箱剩余推进剂量，可计算出系统的混合比，以及剩余推进剂的组元比。将剩余推进剂量以及当前系统的压力和温度数据带入到系统混合比仿真模型中，即可得到2种组元的推进剂贮箱(MON-A、MON-B和MMH-A、MMH-B)需要调整的压力幅度。例如，根据计算结果，若需要提高系统混合比，则需要提高推进剂贮箱MON-A和MON-B的压力，首先确认常闭电爆阀14已起爆，自锁阀LV2、LV3、LV5和LV6处于关闭状态，自锁阀LV1和LV4处于开启状态，然后打开自锁阀LV5使气瓶中的高压气体充入气容13，待稳定后关闭自锁阀LV5，随即打开自锁阀LV6将气容13里的气体注入推进剂贮箱MON-A，根据推进剂贮箱MON-A的压力变化情况决定自锁阀LV6的关闭时机，使得推进剂贮箱MON-A的压力达到目标值。之后关闭自锁阀LV1和LV4，开启自锁阀LV2和LV3，再打开自锁阀LV5使气瓶中的高压气体充入气容13，待稳定后关闭自锁阀LV5，随即打开自锁阀LV6将气容13里的气体注入推进剂贮箱MON-B，根据推进剂贮箱MON-B的压力变化情况决定自锁阀LV6的关闭时机，使得推进剂贮箱MON-B的压力也达到目标值。降低系统混合比的操作是提高推进剂贮箱MMH-A和MMH-B的压力，操作过程类似。
4、作为机械减压支路的功能备份。若机械减压支路(减压器4和单向阀5所在管路)失效，可利用气体旁路11完成机械减压支路的功能。以控制推进剂贮箱MON-A和MON-B的压力为例，首先确认常闭电爆阀14已起爆，将自锁阀LV5置于关闭状态，自锁阀LV1、LV2、LV3、LV4和LV6置于开启状态，然后通过控制自锁阀LV5的开关来控制气体从气瓶1注入到推进剂贮箱8中，并维持推进剂贮箱8的压力稳定。另外，控制自锁阀LV6的开关也能够实现上述功能。控制推进剂贮箱MMH-A和MMH-B的压力的方法类似。
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。

Claims (3)

1.一种高效利用双组元推进剂的方法，其特征在于：在气瓶(1)和每组元推进剂贮箱(8)之间用气体旁路(11)连接，所述气体旁路(11)由2只自锁阀(7)和1只气容(13)连接而成，气容(13)处于2只自锁阀(7)之间；为避免2种组元的推进剂蒸汽通过气体旁路(11)在上游相遇而发生爆炸，在2个气体旁路(11)的之间设置第二常开电爆阀(15)，在使用气体旁路(11)前启爆该第二常开电爆阀(15)，将2组气体旁路(11)的连接断开，并且把气瓶(1)分为2组，分别与2个气体旁路(11)连接，并通过气体旁路(11)分别给每种组元的推进剂贮箱(8)供气。
2.根据权利要求1所述的高效利用双组元推进剂的方法，其特征在于：为提高气体旁路(11)的可靠性，在气体旁路(11)两端增加第一常开电爆阀(12)或常闭电爆阀(14)，起到故障隔离作用。
3.根据权利要求1所述的高效利用双组元推进剂的方法，其特征在于：为了能够在地面上对气体旁路(11)性能进行测试，在气体旁路(11)上游设置加排阀(3)。
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