CN105346733B - 星体着陆器贮箱推进剂管理装置及其制作方法 - Google Patents

Abstract

一种星体着陆器贮箱推进剂管理装置及其制作方法，包括支撑盖、底座、阻尼管理区以及焊接于底座上的内网管理层、外网管理层，内网管理层嵌套内置于外网管理层，阻尼管理区的气液混合推进剂被引流至外网管理层，经外网管理层进行气液分离后变成单相液体推进剂，进入由外网管理层形成的外网管理区，单相液体推进剂通过内网管理层流到由内网管理层形成的内网管理区，再排出贮箱；在外网管理层失效前，内网管理层完全浸没于推进剂之中，以保证内网管理层流动面积恒定以及大流量下液体过网的低流阻；内网管理区在内网管理层失效前的排放过程中完全处于满液状态，以防止大流量排放时，因旋流导致气体吸入液路出口，保证可靠供应发动机不夹气推进剂。

Description

星体着陆器贮箱推进剂管理装置及其制作方法

技术领域

本发明涉及空间飞行器动力系统设备领域，尤其涉及一种应用于星体着陆器的同时要求轻质化、大流量、低流阻和高排放效率的表面张力推进剂管理装置。

背景技术

目前空间飞行器动力系统中的贮箱推进剂管理装置，主要用来在微重力环境下进行推进剂管理，分离液体推进剂和增压气体，保证贮箱排出设定流量的不夹气、无压力扰动的推进剂供给发动机。推进剂贮箱主要采用隔膜物理隔绝气液或利用液体表面张力分离气液两种管理方式。这两种管理方式各有利弊，其中利用液体表面张力管理方式，因其使用寿命长、重量轻和可靠性高而应用于卫星等空间飞行器。

随着空间推进技术的发展，尤其是月球着陆任务对大流量、低流阻和高排放效率的表面张力推进剂管理装置提出了直接的需求，着陆器推进剂贮箱需要完成环月飞行过程中的姿态控制，动力下降段的推进剂供应，参与探测器系统11个飞行阶段的5个阶段(运载发射段、地月转移段、近月制动段、环月飞行段、动力下降段)的工作。而现有的表面张力推进剂管理装置，通常适用于490N及以下推力的姿轨控发动机，难以满足5000N至7500N发动机的流量需求，尤其是贮箱排放末期的流量更加远不能满足发动机需求。着陆器推进子系统对贮箱管理装置的流量、流阻、排放效率和质量同时提出严格的控制要求，现有的推进剂管理装置在功能上无法满足着陆器使用的需求。

目前，嫦娥三号着陆器采用的是金属隔膜管理方式，美国落月采用的是非金属隔膜管理方式，未见月球着陆器贮箱的表面张力推进剂管理装置结构的报道。

中国专利公开号ZL200610119767.1的发明专利公开了一种航天器表面张力推进剂气泡收集器设计方法，该方法给出了卫星用小流量气液分离装置的结构，不能保证贮箱大流量和高排放效率排放，尤其不能适应末期大流量低流阻排放要求，且环境适应性差。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种星体着陆器贮箱推进剂管理装置及其制作方法，采用网式和板式复合结构的表面张力推进剂管理结构，实现大流量、低流阻和高排放效率，解决现有技术中大面积网片力学环境适应性差、大面积网片焊接工艺性能差和现有管理装置大流量排放时排放效率低等问题。本发明管理装置可应用于月球、火星着陆器等其他类似具有着陆需求的航天飞行器表面张力贮箱的推进剂管理。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种星体着陆器贮箱推进剂管理装置，包括支撑盖、底座、阻尼管理区以及焊接于底座上的内网管理层和外网管理层，所述内网管理层嵌套内置于外网管理层内，所述阻尼管理区内的气液混合推进剂被引流输送至外网管理层，经外网管理层进行气液分离后变成单相液体推进剂，进入由外网管理层形成的外网管理区内，单相液体推进剂通过内网管理层流到由内网管理层形成的内网管理区内，再排出贮箱；在外网管理层失效前，内网管理层完全浸没于推进剂之中，以保证内网管理层流动面积恒定以及大流量下液体过网的低流阻；内网管理区在内网管理层失效前的排放过程中完全处于满液状态，以防止大流量排放时，因旋流导致气体吸入液路出口，保证可靠供应发动机不夹气推进剂。

所述内网管理层主要由内收顶网片和内收柱段构成。

所述外网管理层主要由外收顶网片、外收底网片、椎顶和外收柱段构成，所述外收顶网片、外收底网片和外收柱段三个独立网片拼接构成三面包围的推进剂流动通道结构。

所述阻尼管理区主要由多个多孔叶片以及外收柱段构成。

所述多孔叶片周向均布弧焊于外收柱段之上。

所述液路出口包括底座和液嘴。

一种用于制作上述月球着陆器贮箱推进剂管理装置的方法，包括如下步骤：

1)将所述外收底网片嵌于底座内，焊接构成底座组件；

2)将所述外收顶网片嵌于支撑盖内，焊接构成支撑盖组件；

3)将内收顶网片嵌于内收柱段内，焊接构成内收组件；

4)将支撑盖组件和内收组件束焊焊接构成内层芯部组件；

5)将内层芯部组件与底座组件束焊焊接；

6)将所述外收柱段与底座组件束焊焊接；

7)将椎顶嵌入支撑盖和外收柱段之间，嵌入装配完成后，椎顶分别与支撑盖和外收柱段束焊焊接；

8)将所述底座9和液嘴10束焊连接，形成完整的月球着陆器贮箱大流量推进剂管理装置。

本发明有益效果如下：

1)推进剂收集结构与贮箱底部液路出口一体化设计，将内外网管理层直接焊接于底座之上，优化了管理装置流动区域的结构，保证了大流量排放时贮箱的排放效率。既满足了贮箱剩余推进剂量为容积的100％～4％时，排放流量640g/s的需求；又满足了贮箱剩余推进剂量为容积的4％～0.05％时，排放末期排放流量430g/s的要求，并保证了该流量下排放效率达到99.5％。

2)内网管理层嵌套内置于外网管理层之中的双层推进剂收集结构，充分保证了排放过程中的推进剂流动面积，满足了大流量排放时排放流阻的要求。实现了640g/s排放(贮箱剩余推进剂量为容积的100％～4％)和430g/s排放(贮箱剩余推进剂量为容积的4％～0.05％)贮箱排放流阻小于0.02MPa的要求。

3)多孔叶片结构的阻尼管理区的构建既能在在微重力环境下限制推进剂晃动，并其将引流输送至外网管理层的网片上；又能有效地控制星体着陆阶段月面巡视和平移过程中贮箱内剩余推进剂的晃动。

附图说明

图1是本发明所提供的星体着陆器推进剂管理装置结构示意图；

图2是贮箱排放末期外网管理层局部暴露于增压气体中贮箱内的气液界面轮廓图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

本发明所提供的星体着陆器推进剂管理装置为全金属结构，采用与推进剂I级相容的材料制造。

其中：

外收底网片8嵌于底座9内，激光焊接构成底座组件；

外收顶网片2嵌于支撑盖1内，激光焊接构成支撑盖组件，内收顶网片3嵌于内收柱段5内，激光焊接构成内收组件，然后将支撑盖组件和内收组件束焊焊接构成内层芯部组件；而后再将内层芯部组件与底座组件束焊焊接。

外收柱段6与底座组件束焊焊接；然后将椎顶4嵌入支撑盖1和外收柱段6之间，注意外收柱段6和内层芯部组件与底座组件束焊焊接引起的零件变形，必要时将椎顶4进行机加工返修，以保证装配尺寸。嵌入装配完成后，椎顶4分别与支撑盖1和外收柱段6束焊焊接；

多孔叶片7装卡于外收柱段6上，再进行弧焊焊结固定，要求双面焊；单件管理装置的外收柱段6上周向均布安装六片多孔叶片7。

底座9和液嘴10束焊连接，形成完整的月球着陆器贮箱大流量推进剂管理装置。

在贮箱工作过程中，贮箱内腔被表面张力金属网分隔三个子腔，腔I(即阻尼管理区)为气液混合的阻尼管理腔，腔I中的推进剂由多孔叶片引流并送至外收顶网片、外收底网片和外收柱段的金属网片进行气液分离后进入腔II(外网管理区)；腔II内单相液体推进剂通过内收顶网片和内收柱段组成的内网管理层流到腔III(内网管理区)并排出贮箱。

在贮箱工作过程中，贮箱剩余液体量为容积的10％～0.05％时，液面不断下降，外收顶网片和外收柱段的大部分已经暴露于气体中时，在表面张力元件的管理之下，气体被阻挡在腔I，推进剂沿壳体的底部从外收底网片和外收柱段根部向上流入腔II，保证流动面积不小于7400mm²，最大限度的保证了腔I内的推进剂排放。在外网管理层失效进气之前，腔II一直处于单相液态，内网管理层流动面积一直处于最大状态，保证了贮箱排放流阻和流量的稳定；外网管理层失效进气之后，腔II处于气液两相状态，腔III在内网管理层的保护之下，仍然处于单相液态，有效地防止了因大流量排放或旋流导致腔II中气体吸入液路出口，保证了排放效率。

为了验证制造的工艺性能稳定性，需进行末期大流量排放试验，加注50L浓度99.9％乙醇进行末期排放试验。要求分别观测记录640g/s和430g/s排放流量时，外网管理层失效的临界位置。排放过程中，外网管理层外气液界面如附图2所示，图中黑色阴影区为液体，黑色阴影区外侧为气体。排放过程中记录排放流阻和排放效率。

本发明所提供的管理装置，将推进剂收集结构与贮箱底部液路出口一体化设计，将内外网管理层直接焊接于底座之上，优化了管理装置流动区域的结构，保证了排放效率；内外网管理层分别刚性焊接底座之上的双底部支撑，并采用内网管理层嵌套内置于外网管理层之中的刚性支撑嵌套结构，增加整个管理装置的刚度，大幅提高外网管理层的大面积网片的抗震性能，使得大面积网片的应用成为可能。既要满足流量需求，保证网片总流动面积，又要避免单片网片的面积超大，降低其制造难度，外网管理层采用化整为零分区管理的办法，由外收顶网片、外收底网片和外收柱段三个独立网片区域拼接构成三面包围结构，优化了流场的流动通道提高排放效率，增加推进剂流动面积，降低了流阻，并提高力学环境适应性。针对防旋和防晃的要求，在外网管理层上通过弧焊安装多孔叶片，构建推进剂阻尼管理区，满足月面巡视和平移过程中抑制贮箱内剩余推进剂的晃动抑制。

采用此种结构后，相对于传统的局部管理式表面张力贮箱，显著提高了贮箱的排放性能，满足了星体着陆器动力系统要求贮箱同时具备大流量、低流阻和高排放效率的要求，并能有效地控制着陆器着陆阶段贮箱内剩余推进剂的晃动。

Claims (6)

1.一种星体着陆器贮箱推进剂管理装置，其特征在于，包括支撑盖、底座、阻尼管理区以及焊接于底座上的内网管理层和外网管理层，所述内网管理层嵌套内置于外网管理层内，所述阻尼管理区内的气液混合推进剂被引流输送至外网管理层，经外网管理层进行气液分离后变成单相液体推进剂，进入由外网管理层形成的外网管理区内，单相液体推进剂通过内网管理层流到由内网管理层形成的内网管理区内，再排出贮箱；在外网管理层失效前，内网管理层完全浸没于推进剂之中，以保证内网管理层流动面积恒定以及大流量下液体过网的低流阻；内网管理区在内网管理层失效前的排放过程中完全处于满液状态，以防止大流量排放时，因旋流导致气体吸入液路出口，保证可靠供应发动机不夹气推进剂；所述外网管理层主要由外收顶网片、外收底网片、椎顶和外收柱段构成，所述外收顶网片、外收底网片和外收柱段三个独立网片拼接构成三面包围的推进剂流动通道结构，所述外收底网片嵌于底座内。

2.根据权利要求1所述的星体着陆器贮箱推进剂管理装置，其特征在于，所述内网管理层主要由内收顶网片和内收柱段构成。

3.根据权利要求1所述的星体着陆器贮箱推进剂管理装置，其特征在于，所述阻尼管理区主要由多个多孔叶片以及外收柱段构成。

4.根据权利要求3所述的星体着陆器贮箱推进剂管理装置，其特征在于，所述多孔叶片周向均布弧焊于外收柱段之上。

5.根据权利要求4所述的星体着陆器贮箱推进剂管理装置，其特征在于，所述液路出口包括底座和液嘴。

6.一种用于制作如权利要求1所述的星体着陆器贮箱推进剂管理装置的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)将所述外收底网片嵌于底座内，焊接构成底座组件；

2)将所述外收顶网片嵌于支撑盖内，焊接构成支撑盖组件；

3)将内收顶网片嵌于内收柱段内，焊接构成内收组件；

4)将支撑盖组件和内收组件束焊焊接构成内层芯部组件；

5)将内层芯部组件与底座组件束焊焊接；

6)将所述外收柱段与底座组件束焊焊接；

7)将椎顶嵌入支撑盖和外收柱段之间，嵌入装配完成后，椎顶分别与支撑盖和 外收柱段束焊焊接；

8)将所述底座（9）和液嘴（10）束焊连接，形成完整的月球着陆器贮箱大流量推进剂管理装置。