CN103590924B - 一种大型表面张力贮箱高刚度推进剂管理装置 - Google Patents

Abstract

一种大型表面张力贮箱高刚度推进剂管理装置，包括：中间底、液体通道、放气通道、中间底小收集器、放气杯、中间底大收集器、气泡陷阱；中间底置于贮箱下半部；液体通道的角收集器一端与中间底连接，另一段与气泡陷阱连接，气泡陷阱固定于贮箱出口位置，中间底大收集器位于中间底中间部位，中间底小收集器分布于中间底大收集器周围，放气通道置于中间底上部，一端焊接于中间底边缘处，另一端悬空放置。本发明克服现有小容量网式贮箱的技术不足，是一种推进剂携带量大、可靠性高的大型表面张力贮箱高刚度PMD，增强了大型卫星的适应能力，能够在微重力环境下向发动机或推力器提供满足流量要求的不夹气的推进剂，用于空间微重力环境下的推进剂管理。

Description

一种大型表面张力贮箱高刚度推进剂管理装置

技术领域

本发明涉及一种大型表面张力贮箱高刚度推进剂管理装置，能够在微重力环境下向发动机或推力器提供满足流量要求的不夹气的推进剂。

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。我国现有的表面张力贮箱都是网式的，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通道，属于第一代表面张力贮箱产品。DFH-4卫星平台用表面张力贮箱是世界上最大的表面张力贮箱之一，为满足15年的卫星寿命，需要携带3100kg的推进剂，单个贮箱的容积要求达到1400L以上，而之前我国已有的推进剂贮箱最大容量为606L。为解决大容量贮箱的推进剂贮存与管理问题，开展了大型贮箱PMD技术攻关工作，设计了大型表面张力贮箱高刚度PMD，以满足大容量贮箱的推进剂管理需求。通过攻关，掌握了大型高刚度PMD设计技术、新型高可靠气泡陷阱技术、新型收集器技术、高刚度PMD组装成型技术、大型薄板中间底稳定性控制技术、大提升高度PMD地面验证技术等一系列关键技术，完成的Φ1200表面张力贮箱PMD经受住了非常苛刻的环境条件实验验证，性能达到国际先进水平，为DFH-4卫星的飞行验证和后续军用卫星装备、民用卫星出口做出了巨大贡献。

国外表面张力贮箱的研制开始于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。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,atall.Design,Development,Qualification,and Manufacture of the HS601PropellantTank.AIAA96-2748；W.H.Tam,D.E.Jaekle,Jr.Design and Manufacture of theHS601BlockⅡPropellant Tank Assembly.AIAA98-3199；Walter H.Tam,D.E.JaekleJr.Design and Manufacture of a Propellant Tank Assembly.AIAA2000-3444；GastonNetter,Ulrich Renner,Michael Dreyer.Design and Verification of a StandardSurface Tension Propellant Tank AIAA99-2178。

在国外研制的这些贮箱中，《HS601平台》卫星表面张力贮箱是世界上飞行最多的贮箱，其PMD包括导流板、蓄液器、陷阱、管状收集器和毛细网窗口，工作模式包括卫星变轨时的大流量工作方式和轨道保持及姿控时的小流量工作方式。变轨发动机工作时卫星处于慢自旋状态，加上有向下的加速度，推进剂自动沉底；轨控南北位保工作时使用蓄液器和陷阱内的推进剂，在工作间隙蓄液器通过导流板充液；当陷阱外的液体被全部消耗尽时，通过管状收集器为发动机提供推进剂，直到贮箱排空。每次位保和姿控所需的推进剂由蓄液器提供，在推进系统工作间隙表面张力驱动推进剂填满蓄液器。液体以三种途径排出贮箱：直接从蓄液池通过底部的筛网进入出口池、蓄液池内的推进剂通过管路进入底收集器再进入出口池及蓄液池外的液体通过底收集器直接进入出口池。由于该贮箱为板网结合贮箱，推进剂的管理和蓄留主要依靠板式部件，且排出流量较小，无法满足DFH-4卫星平台用大型表面张力贮箱低流阻、大流量的任务需求；ETS-VIII贮箱是PSI公司2001年为劳拉公司研制的，其PMD由四条导流板和一个蓄液器/气泡陷阱组建构成，导流板从底部延伸到柱段的顶部。PMD采用了陷阱-导流板-蓄液器式的结构是目前最流行的形式，但板式部件继承性差，焊接和装配工艺存在难点，这些与DFH-4卫星紧迫的进度不适应，无法满足当时我国大型贮箱的推进剂管理需求。由此可以看出，尽管国外在公开贡献上发表了一些文章，这些文献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PMD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，开展适合于大型贮箱PMD的详细结构设计工作。

一种大型表面张力贮箱高刚度PMD是国内第一个大型表面张力贮箱推进剂管理装置，国外没有相关的文献和资料可以借鉴，整个部件的研制是在DFH-3贮箱和国外极少公开文献资料的基础上做了大量的创新工作而完成的。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有小容量网式贮箱的技术不足，提供一种推进剂携带量大、可靠性高的大型表面张力贮箱高刚度PMD，增强大型卫星的适应能力，能够在微重力环境下向发动机或推力器提供满足流量要求的不夹气的推进剂，用于空间微重力环境下的推进剂管理。

本发明技术解决方案：一种大型表面张力贮箱高刚度推进剂管理装置，包括中间底、液体通道、放气通道、中间底小收集器、放气杯、中间底大收集器、气泡陷阱。为了实现对贮箱内推进剂全管理，合理设计了推进剂管理装置的总体布局。其中，中间底置于贮箱下半部；液体通道的角收集器一端与中间底连接，另一段与气泡陷阱连接，气泡陷阱固定于贮箱出口位置，中间底大收集器位于中间底中间部位，中间底小收集器分布于中间底大收集器周围，放气杯置于中间底上部，一端焊接于中间底边缘处，另一端悬空放置，这样就形成了该表面张力贮箱高刚度PMD。该PMD置于表面张力贮箱内表面且与内表面保持一定间隙，其作用是收集贮箱内推进剂，阻止增压气体流入PMD，并将推进剂沿着通道输送至气泡陷阱出口，确保贮箱内的推进剂沿着通道流入贮箱出口而进入推力器，能够对大容量贮箱内的推进剂进行有效管理。

所述气泡陷阱为一个空腔结构，上端和低端均采用中间部位加工有10～20个圆孔的压板和200×1400～350×2300目小孔的不锈钢网片构成，不锈钢网片位于两层压板之间，采用电子束焊焊接。在微重力环境下，分布在贮箱内的推进剂在表面张力的作用下通过不锈钢网片传输到气泡陷阱内，而气泡陷阱外部的气体无法进入内部，保证向推力器提供无夹气的推进剂。

放气通道一端与气泡陷阱上端焊接，另一端与其中一根液体通道连通，作用是当加注时气泡陷阱内的气泡能够通过放气通道和液体通道排出PMD。

放气杯的主要作用是保证加注推进剂时，中间底以下的气体能够顺利排出，推进剂能够充满贮箱下舱。所述放气杯的数量为1～3个。

所述液体通道的数量为4～8根。

所述中间底大收集器位于中间底中间部位。

所述中间底小收集器均匀分布于中间底大收集器周围的数量为3～6个。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）由于PMD采用多条液体通道和一个气泡陷阱的结构布局，使得PMD具有非常高的推进剂收集能力，实现了PMD的高挤出效率、100%气泡截留和故障恢复能力，贮箱挤出效率达到99.5%以上，大大延长了贮箱的使用寿命；

（2）本发明涉及的PMD直径达到1230mm、高度700mm，而采用多条液体通道与气泡陷阱整体焊接结构形式，无活动部件，与贮箱壳体焊接后能够具备加压无变形能力，要具备足够的强度和刚度，大大增强了贮箱的环境适应能力。

附图说明

图1为本发明PMD结构示意图；

图2为气泡陷阱结构示意图；

图3为放气杯结构示意图；

图4为发动机第四次点火后推进剂管理装置内推进剂分布示意图；

图5为南北位置保持时推进剂管理装置内推进剂分布示意图；

图6为寿命末期推进剂管理装置内推进剂分布示意图。

具体实施方式

如图1所示的一种大型表面张力贮箱高刚度PMD，置于表面张力贮箱内表面且与内表面保持一定间隙，用于收集贮箱内推进剂，阻止增压气体进入，并将推进剂沿着通道输送至气泡陷阱出口，确保贮箱内的推进剂沿着通道流入贮箱出口而进入推力器。该装置包括以下部件：中间底1、液体通道2、放气通道3、中间底小收集器4、放气杯5、中间底大收集器6、气泡陷阱7。其中，中间底1置于贮箱下半部；液体通道2的角收集器一端与中间底1连接，另一段与气泡陷阱7连接，液体通道2的数量为4～8根；气泡陷阱7固定于贮箱出口位置；中间底大收集器6位于中间底中间部位，中间底小收集器4均匀分布于中间底大收集器6的周围，数量为3～6个；放气通道3为中空圆管通道，一端与气泡陷阱7上端焊接，另一端与其中一根液体通道2连通，作用是当加注时气泡陷阱内的推进剂能够通过放气通道件和液体通道排出PMD；放气杯5置于中间底1上部，一端焊接于中间底1边缘处，另一端悬空放置，放气杯5的数量为1～3个。该PMD由多条流体通道、气泡陷阱、中间底等部件构成，且采用整体焊接，无活动部件，因此便形成了具备高强度和刚度的表面张力贮箱PMD。

如图2所示，气泡陷阱7主要由以下几部分构成：气泡陷阱壳体8、陷阱端盖9、放气收集器10、通道窗口11、气泡过滤器12、陷阱底座13。气泡陷阱为一个空腔结构，上端安装放气收集器10，低端放置气泡过滤器12，侧面安装了通道窗口11，数量为4～8个，用于连接液体通道2。放气收集器10、气泡过滤器12和通道窗口11均采用中间部位加工有一定数量的圆孔的压板和小直径不锈钢网片构成，不锈钢网片位于两层压板之间，采用电子束焊焊接。在微重力环境下，分布在贮箱内的推进剂在表面张力的作用下通过不锈钢网片传输到气泡陷阱内，而气泡陷阱外部的气体无法进入内部，保证向推力器提供无夹气的推进剂。

放气杯5的结构示意图见图3，其构成如下：放气杯堵管14、放气杯骨架15、放气杯网片16、放气杯支压板17、放气杯接管18。放气杯堵管14一般2根，而放气杯接管18为1根，三者均布于放气杯骨架15的侧向，放气杯支压板17为加工有一定数量的圆孔的压板，放气杯网片16置于两块放气杯支压板17之间，三者焊接于放气杯骨架15的上端。放气杯5主要作用是保证加注推进剂时，中间底1以下的气体能够顺利排出，推进剂能够充满贮箱下舱。

中间底小收集器4与中间底大收集器6的主要功能是保证中间底1上下两部分的推进剂能够大流量贯通。

该大型表面张力贮箱高刚度PMD的主要几个工作模式如下：

在卫星第四次点火后，在微重力环境下，贮箱上舱内液体全部耗尽，推进剂剩余全部分布在下舱，如图4所示。随着液体不断消耗，气体会进入下舱。

南北位置保持阶段，产生垂直于贮箱轴线的加速度，液体被甩到侧面，但下舱的管理装置能够保证推进剂的供应，如图5所示。

在贮箱寿命末期，如图6所示。在微重力环境下，液体基本蓄留在中间底与贮箱壳体壁面之间区域。随着气泡陷阱内液体基本排空，分布在夹角处的液体在表面张力作用下沿着液体通道传输到板式PMD底部，通过气泡过滤器进入推力器，直至贮箱内液体排空。气泡陷阱可以阻止高压气体进入贮箱出液口，实现不夹气排液的目的。在贮箱的整个寿命时间内，PMD实现了对液体全管理。

本发明未公开技术属本领域技术人员公知常识。

Claims (2)

1.一种大型表面张力贮箱高刚度推进剂管理装置，包括：中间底、多根液体通道、放气通道、中间底小收集器、放气杯、中间底大收集器和气泡陷阱；其特征在于：所述推进剂管理装置直径达到1230mm、高度700mm，实现了所述推进剂管理装置的高挤出效率、100％气泡截留和故障恢复能力，贮箱挤出效率达到99.5％以上；

所述中间底置于贮箱下半部；液体通道的角收集器一端与中间底连接，另一段与气泡陷阱连接，气泡陷阱固定于贮箱出口位置，中间底大收集器位于中间底中间部位，中间底小收集器分布于中间底大收集器周围，数量为3～6个；放气通道为中空圆管通道，一端与气泡陷阱上端焊接，另一端与其中一根液体通道连通；放气杯置于中间底上部，一端焊接于中间底边缘处，另一端悬空放置；放气杯的数量为1～3个；所述气泡陷阱包括气泡陷阱壳体、陷阱端盖、放气收集器、通道窗口、气泡过滤器、陷阱底座；气泡陷阱上端安装放气收集器，低端放置气泡过滤器，侧面安装了通道窗口，用于连接液体通道；

气泡陷阱为一个空腔结构，上端和低端均采用中间部位加工有10～20个圆孔的压板和200×1400～350×2300目小孔的不锈钢网片构成，不锈钢网片位于两层压板之间，采用电子束焊焊接；所述放气杯包括放气杯堵管、放气杯骨架、放气杯网片、放气杯支压板、放气杯接管；放气杯网片、放气杯支压板、放气杯接管三者均布于放气杯骨架（15）的侧向，放气杯网片置于两块放气杯支压板之间。

2.根据权利要求1所述的一种大型表面张力贮箱高刚度推进剂管理装置，其特征在于：所述液体通道的数量为4～8根。