CN102991729B - 一种轻质网式表面张力贮箱 - Google Patents
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Abstract
一种轻质网式表面张力贮箱，包括气口、上半球形封头、圆柱段、防晃锥、放气杯、中间底隔板、中底收集器、收集器连接管、中收集器、气泡陷阱、液口和下半球形封头；所述球形封头与圆柱段、气口与上半球形封头、液口与下半球形封头分别采用氩弧焊焊接，所述中间底隔板与圆柱段和下半球形封头焊接，将贮箱分为上下两舱，中底收集器位于中间底隔板上，所述防晃锥与中间底隔板焊接固定，位于贮箱上舱，所述收集器连接管、中收集器与气泡陷阱连接组成推进剂管理装置，并置于贮箱下舱。本发明可应用于各类卫星，具有重量轻、能抑止液体晃动以及抗力学环境能力强等优点。通过对其柱段高度进行修改后，可以在不改变安装形式的基础上进行容积的扩展，能够形成系列化产品。
Description
技术领域
本发明涉及一种轻质网式表面张力贮箱，特别适用于高轨卫星以及深空探测器，大大提高其有效载荷能力。
背景技术
推进剂贮箱是航天器上最重要的部件之一，它的作用是存储和管理推进剂，在规定的流量和加速度条件下，为发动机或推力器提供不夹气的推进剂，其核心部件是推进剂管理装置(PMD)。表面张力贮箱是目前世界上使用最为广泛的推进剂贮箱，它分为网式和板式两种。第一代表面张力贮箱都是网式结构的，它利用液体的表面张力通过筛网来收集推进剂，同时阻止气体进入管路。表面张力贮箱的研制开始上个世纪于70年代，到80年代末在轨道航天器上已占据绝对的主导地位，目前除了俄罗斯没有使用外，其它静止轨道通信卫星都采用表面张力贮箱。
美国是研发和生产网式表面张力贮箱最早的国家，包括美国的PSI公司、PMD技术公司等，后续德国的EDS公司也完成了网式表面张力贮箱研制和在轨验证。但该类贮箱的详细结构设计作为公司的核心技术一直未得到公开，我国的科研工作者只能靠自身力量开展网式贮箱的研究工作。国内表面张力贮箱的研制始于上个世纪80年代初期，现有的表面张力贮箱都是网式的，属于第一代表面张力贮箱产品，相当于国外八十年代的水平，这种贮箱曾经为我国的卫星事业做出了重要贡献，但随着卫星事业的不断发展，对贮箱产品的性能要求逐渐提高。基于轻量化设计理念，提出了贮箱应具有质量轻巧、能抑制液体晃动以及抗力学环境能力强的要求。
欧美国家均生产了大量表面张力贮箱，代表性的文章如下：W.H.Tam，W.D.Lay，M.S，“Hersh，at all.Design，Development，Qualification，andManufacture of the HS 601 Propellant Tank”，AIAA96-2748；W.H.Tam，M.D.Drey，D.E.Jae kle Jr，“Design and Manufacture of an Oxidizer TankAssembly”，AIAA2001-3825；Michael J，Debreceni，T.K.Kuo，D.E.Jaekle Jr，“Development of a Composite Wrapped Propellant Tank”，AIAA 2004-3505；Jaekle，D.E.，Jr.，“Propellant Management DeviceConceptual Design and Analysis：Vanes”，AIAA-91-2172，1991；Jaekle，D.E.，Jr.，“Propellant Management Device Conceptual Design and Analysis：Sponges”，AIAA-93-1970，1993；Jaekle，D.E.，Jr.，“PropellantManagement Device Conceptual Design and Analysis：Traps & Troughs”，AIAA-95-2531，1995；Jaekle，D.E.，Jr.，“Propellant Management DeviceConceptual Design and Analysis：Galleries”，AIAA-97-2811，1997。这些文章都是关于贮箱的一些整体结构和装置的原理及功能介绍，没有关于针对实际贮箱详细结构设计的描述，不能作为我国贮箱设计的依据，因此必须根据我国卫星实际需求，开展贮箱的详细结构设计工作。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种可靠性高、质量轻、扩展性好、能抑止液体晃动以及抗力学环境能力强的网式表面张力贮箱，能够满足其它高轨卫星及深空探测器对于该类贮箱的需求。
本发明技术解决方案：一种轻质网式表面张力贮箱，其特征在于：所述贮箱外壳结构形式由球形封头加圆柱段的焊接组合而成；贮箱内部采用分舱式结构；所述贮箱包括：气口(1)、上半球形封头(2)、圆柱段(3)、防晃锥(4)、放气杯(5)、中间底隔板(6)、中底收集器(7)、收集器连接管(8)、中收集器(9)、气泡陷阱(10)、液口(11)和下半球形封头(12)；上半球形封头(2)、下半球形封头(12)置于圆柱段(3)两侧焊接，圆柱段与球形封头圆滑过渡；所述上半球形封头(2)与圆柱段(3)、气口(1)与上半球形封头(2)、液口(11)与下半球形封头(12)分别采用氩弧焊焊接；所述中间底隔板(6)位于下半球形封头(12)与圆柱段(3)连接处，并与圆柱段(3)和下半球形封头(12)焊接，将贮箱分为上舱与下舱，上舱与下舱容积按比例分配，以适应卫星入轨和在轨两种工作模式，能够保证入轨完成后上舱推进剂完全排出；中间底隔板(6)安装中底收集器(7)，防止上舱内推进剂未完全排出时气体进入下舱；所述防晃锥(4)与中间底隔板(6)固定，位于贮箱上舱；所述收集器连接管(8)、中收集器(9)与气泡陷阱(10)连接组成推进剂管理装置，推进剂管理装置置于贮箱下舱；所述气泡陷阱(10)与液口(11)焊接。
所述贮箱容积缩放通过调节圆柱段(3)轴向长度实现，缩小圆柱段(3)轴向长度，则贮箱体积减小，相反则增大。
所述上半球形封头(2)和下半球形封头(12)的壁厚为1.05mm；所述圆柱段(3)壁厚为2.1mm，同等强度条件下其重量大大降低。
所述贮箱分为上舱与下舱的容积按比例是3∶1～4∶1。
所述防晃锥(4)采用厚度1mm的钛板并折弯成锥型，能够有效防止液体晃动。
所述防晃锥(4)上交错布置多个通孔，既能够增加贮箱内部的晃动阻尼，有效防止液体晃动，同时大大减轻防晃锥重量。
所述推进剂管理装置采用外径Φ8mm，壁厚为0.8mm的钛管，在保证推进剂管理装置的强度和刚度的前提下，使推进剂管理装置的总重有效较低，从未有效的降低了贮箱产品的重量。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
(1)本发明的轻质网式贮箱在贮箱的外形结构上采取球形封头加中间圆柱段的结构，此结构既能适应整星的安装需求，又能在最大程度上利用现有的空间结构采取承压能力最强的球形容器结构。相比于其它结构形式，该结构能够在不减弱壳体强度的前提下使壳体做到最轻，从而有效降低了产品的重量。
(2)本发明的轻质网式贮箱在贮箱根据贮箱容积需求，改变中间圆柱段长度，以适应不同卫星需求，其容积可扩展性好。
(3)本发明的轻质网式贮箱在管理装置的结构形式上采取了分舱结构以及通道式布局方式。由于卫星的运行大体可分为入轨和在轨运行两个阶段，贮箱采取分舱式结构可以适应两种不同的运行形式，推进剂管理装置只设置在下舱，有效简化了管理装置的结构，使得贮箱产品更轻，推进剂管理更加高效；而采取通道式布局方式，保证了卫星在轨运行期间在各种加速度环境下的推进剂流量输出要求。
(4)本发明的轻质网式贮箱在贮箱中间底上部设计了防晃锥，该防晃锥能够使贮箱能够适应不同的装填要求，能够有效抑止液体晃动，增强贮箱的抗力学环境能力，使得整星在不改变贮箱产品结构以及其它产品布局的前提下满足不同的发射任务需求，有效扩大了卫星平台的适应能力。
(5)本发明推进剂管理装置采用连接管和收集器结合的通道式布局，确保在卫星寿命末期推进剂剩余量较小的工况下，贮箱仍能正常输出推进剂。
附图说明
图1为本发明轻质网式表面张力贮箱结构示意图；
图2为本发明轻质网式表面张力贮箱防晃锥结构与布局图；
图3为本发明轻质网式表面张力贮箱寿命初期推进剂分布；
图4为本发明轻质网式表面张力贮箱上舱末期推进剂分布；
图5为本发明轻质网式表面张力贮箱姿轨控阶段初期推进剂沉底情况；
图6为本发明轻质网式表面张力贮箱寿命末期推进剂分布情况。
具体实施方式
如图1所示，本发明由气口1、上半球形封头2、圆柱段3、防晃锥4、放气杯5、中间底隔板6、中底收集器7、收集器连接管8、中收集器9、气泡陷阱10、液口11和下半球形封头12组成，球形封头6与圆柱段3、气口1与上半球形封头6、液口11与下半球形封头12分别采用氩弧焊焊接，圆柱段3与上半球形封头6、圆柱段3与下半球形封头12圆滑过渡，运用等强度设计原则，上半球形封头和下半球形封头的壁厚为1.05mm，圆柱段壁厚为2.1mm，其重量大大降低；中间底隔板6位于下半球形封头12与圆柱段3连接处，并且与圆柱段3和下半球形封头12焊接，将贮箱内舱分为上舱与下舱，容积按一定比例分配(上舱与下舱的容积按比例是3∶1～4∶1)，中底收集器7位于中间底隔板6上；防晃锥4与中间底隔板6焊接固定，位于贮箱上舱；收集器连接管8、中收集器9与气泡陷阱10连接组成推进剂管理装置，推进剂管理装置放置于推进剂管理装置置于贮箱下舱，气泡陷阱10位于下半球形封头12中部位置，并与液口11焊接。
本发明的防晃锥4如图2所示，采用厚度1mm的钛板并折弯成锥型，固定于中间底隔板6上方，两者可采用氩弧焊焊接，防晃锥4表面布置4～6排通孔，各排通孔之间合理交错布置，采用通孔可以大大减轻防晃锥重量，提高整星有效载荷携带量，板孔结构能够增加贮箱内部的晃动阻尼，有效防止发射、变轨过程中贮箱上舱内液体晃动。
本发明的轻质网式表面张力贮箱的下舱布置了由收集器连接管8、中收集器9与气泡陷阱10连接组成推进剂管理装置，变轨点火期间，上舱推进剂经由中间底隔板6上的中底收集器7进入下舱。正常情况下，变轨结束后推进剂将全部位于下舱空间内。而下舱中收集器9的位置布置，保证了在卫星姿、轨控阶段，总有中收集器9浸没在推进剂中，从而满足无气推进剂供给的要求。
推进剂在轨使用的各个阶段如图3～图6所示。在卫星发射及变轨阶段，贮箱内液体如图3或图4所示，贮箱内液体处于沉底状态，上舱推进剂经由中间底隔板6上的中底收集器7进入下舱，此阶段结束后上舱液体耗尽，或只剩余少量推进剂；随着液体不断消耗，下舱有气体进入，在气体压力作用下，推进剂进入气泡陷阱，供给推力器，如图5所示；在贮箱寿命末期，如图6所示，在微重力环境下，中底收集器7暴露在下舱气体中，推进剂处于下半球形封头12与中间底隔板6的夹角处，此时利用设计由收集器连接管8、中收集器9与气泡陷阱10组成的推进剂管理装置，通过液体表面张力的作用，在一定的压差范围内维持气液界面的稳定，阻止气体进入贮箱内的收集器连接管8，以保证飞行器在各种姿态飞行工作中，贮箱都能正常的连续或非连续的向发动机及推力器提供无气推进剂。通过下舱的推进剂管理装置实现了对贮箱下舱推进剂的全管理，利用上下舱容积比例匹配来保证变轨结束后上舱推进剂全部用完。
本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。
Claims (6)
1.一种轻质网式表面张力贮箱，其特征在于：所述贮箱外壳结构形式由球形封头加圆柱段的焊接组合而成；贮箱内部采用分舱式结构；所述贮箱包括：气口(1)、上半球形封头(2)、圆柱段(3)、防晃锥(4)、放气杯(5)、中间底隔板(6)、中底收集器(7)、收集器连接管(8)、中收集器(9)、气泡陷阱(10)、液口(11)和下半球形封头(12)；上半球形封头(2)、下半球形封头(12)置于圆柱段(3)两侧焊接，圆柱段与球形封头圆滑过渡；所述上半球形封头(2)与圆柱段(3)、气口(1)与上半球形封头(2)、液口(11)与下半球形封头(12)分别采用氩弧焊焊接；所述中间底隔板(6)位于下半球形封头(12)与圆柱段(3)连接处，并与圆柱段(3)和下半球形封头(12)焊接，将贮箱分为上舱与下舱，上舱与下舱容积按比例分配，以适应卫星入轨和在轨两种工作模式，能够保证入轨完成后上舱推进剂完全排出；中间底隔板(6)上安装中底收集器(7)，防止上舱内推进剂未完全排出时气体进入下舱；所述防晃锥(4)与中间底隔板(6)固定，位于贮箱上舱；所述收集器连接管(8)、中收集器(9)与气泡陷阱(10)连接组成推进剂管理装置，推进剂管理装置设置于贮箱下舱；所述气泡陷阱(10)与液口(11)焊接；
所述贮箱容积缩放通过调节圆柱段(3)轴向长度实现，缩小圆柱段(3)轴向长度，则贮箱体积减小，相反则增大。
2.如权利要求1所述的轻质网式表面张力贮箱，其特征在于：所述上半球形封头(2)和下半球形封头(12)的壁厚为1.05mm；所述圆柱段(3)壁厚为2.1mm，同等强度条件下其重量大大降低。
3.如权利要求1所述的轻质网式表面张力贮箱，其特征在于：所述贮箱分为上舱与下舱的容积按3∶1～4∶1比例进行分配。
4.如权利要求1所述的轻质网式表面张力贮箱，其特征在于：所述防晃锥(4)采用厚度1mm的钛板并折弯成锥型，能够有效防止液体晃动。
5.如权利要求1所述的轻质网式表面张力贮箱，其特征在于：所述防晃锥(4)上交错布置多个通孔，既能够增加贮箱内部的晃动阻尼，有效防止液体晃动，同时大大减轻防晃锥重量。
6.如权利要求1所述的轻质网式表面张力贮箱，其特征在于：所述推进剂管理装置采用外径Φ8mm，壁厚为0.8mm的钛管，在保证推进剂管理装置的强度和刚度的前提下，使推进剂管理装置的总重降低，降低了贮箱产品的重量。
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