CN106134390B - 一种空间推进系统的实现方法 - Google Patents

一种空间推进系统的实现方法

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金广明
宣晓萍
苏翠娥
郑东晓
江铭伟
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本发明属于空间推进技术领域。所要解决的技术问题是提供一种空间推进系统的实现方法,能有效克服现有技术的缺陷,可以适应空间飞行器在轨长寿命、安全性高的发展要求。本发明设计了“井”字结构气路供应系统和交叉供应的推进剂供应系统以及可实现推进剂地面重复加注/泄出金属膜盒式贮箱,本发明带来以下有益效果:1)两种推进剂贮箱气腔做到物理隔离,相互无连通;2)解决气体泄漏的故障隔离,不会因为一个气瓶的泄漏而导致系统不能工作;3)满足长期在轨飞行器适应多次被补加的贮箱设计要求。

Description

一种空间推进系统的实现方法
技术领域
本发明属于空间推进技术领域。
技术背景.
1992年9月21日,中国批准了载人航天工程,并命名为“921工程”。从1999年,神舟1号飞船成功入轨,拉开了中国载人航天的序幕,经过十多年的技术贮备与发展,为将要建的中国空间站打下坚实的技术基础。空间实验室作为空间站的前期技术探索,推进系统的主要技术要求如下所示:
(1)在轨工作寿命2年,设计寿命3年;
(2)提供空间实验室和组合体变轨、轨道维持、姿态控制、姿态修正等所需冲量所需的推力,为力矩陀螺卸载提供动力。
(3)发动机主、备份组之间应具有反复多次切换及系统重构能力;
(4)地面加注后具备推进剂泄出一次后再加注的能力。
从上可看出,寿命要求从神舟飞船系列在轨飞行180天,到空间实验室的在轨2年,中国空间飞行器在轨长寿命、安全性要求日益增加,因此空间推进系统的设计方案随着长寿命、高安全的要求必须进行改进设计才能满足使用要求。
现有技术中某一型号空间飞行器的推进系统采用的是双组元恒压挤压方式。推进系统由气路供应部份、液路供应部份和发动机组成。工作原理是利用高压气瓶中的气体,通过减压阀减至系统工作所需要的额定工作压力,进入到贮箱气腔;由贮箱进出口的压差,将贮箱内推进剂挤压到下游管路,推进剂充填至发动机电磁阀前。由于推进剂是双组元,分别是氧化剂和燃料,其工作方式为推进剂进入发动机头部,从喷注器出口喷出就可点燃,因此通过电磁阀的开关,可实现发动机喷火工作。该推进系统方案的特点有三点:
(1)氧化剂贮箱和燃料贮箱的气腔是相通的;
(2)挤压两组元贮箱的气瓶之间通过阀门开关实现连通;
(3)贮存推进剂的贮箱是金属膜片式贮箱。即金属膜片贮箱由上下半球壳体、金属膜片组成。金属膜片贮箱加注时气腔抽真空加注,因此膜片保持不变形,如需加注后泄出,则需气腔加压,膜片向下凹下,将推进剂挤出。由于膜片的形变过程是塑性区,即使液腔加压重新将膜片顶上去,膜片也不能恢复到原始状态,影响贮箱的排放效率,因此金属膜片贮箱的使用要求是膜片只能一次动作,不可重复加注和泄出。
由于中国空间飞行器长寿命需求日益激增,该推进系统不适应长寿命的因素也同样有三点:
(1)由于氧化剂和燃料相遇就能引起爆炸,虽然贮箱由金属膜片将气液腔隔离,但是长期在轨使用,一旦出现故障贮箱膜片泄漏,则将引起灾难性后果;
(2)挤压贮箱的高压气瓶共分成两组,两组气瓶之间用电爆阀隔离,如果在使用过程中,减压阀长期工作过程中,性能变差或失效,则只能打开横向电爆阀,使得一组气瓶的气体通过旁路的减压阀,减至工作压力。若此时出现二次故障,只要有一个气瓶出现泄漏,则系统无任何措施隔离泄漏气体,推进系统将彻底失效,无法再承担飞行器的姿轨控,导致飞行器的在轨寿命结束;
(3)本系统方案使用的是金属膜片式贮箱,膜片贮箱只能一次加注。这将带来两个问题,飞行器上天前,在发射基地推进剂加注完毕后,如遇到突发状况,需要推进剂泄出,则该金属膜片贮箱将要从推进膜块中取下,需要更换新的贮箱;而且不能适应于在轨推进剂加注的需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种空间推进系统的实现方法,能有效克服现有技术的缺陷,可以适应空间飞行器在轨长寿命、安全性高的发展要求。
为解决上述技术问题,本发明的技术解决方案是:
一种空间推进系统的实现方法,所述推进系统采用恒压挤压模式,系统主要由三部份组成:气路供应系统、推进剂供应系统、发动机;其特征在于:所述推进剂供应系统采用将氧化剂贮箱和燃料贮箱分开设置为两种组元独立的贮箱的方式构建,其中,每种组元的贮箱有2个;
所述气路供应系统中以两个气瓶为一组,通过“井”字结构气路连接到对应的两个贮箱上为贮箱提供挤压气体,每个气瓶不仅可以分别从其主气路为对应的贮箱提供挤压气体,并且可当其主气路上出现故障时借用一组中另一气瓶的主气路连通到对应的贮箱并提供挤压气体;只有相同组元的贮箱挤压气路采用“井”字结构气路实现气路供应,不同组元的贮箱均采用互相之间分离独立的管路提供挤压气体;
所述“井”字结构气路包括由管路以及依次设置在从气瓶1至对应贮箱11气腔之间的加排阀2、电爆阀3、测试口4、高压自锁阀5、减压阀6、安全阀7、第一加注阀8构成的两套主气路;
所述加排阀2用于作为地面的充气服务阀,给气瓶1充气;
所述电爆阀3用于在地面给气瓶1加注完高压气体后安全可靠的将高压气瓶与下游管路有效隔离,并在需要推进系统工作时通过电爆打开保证气瓶1中高压气体进入下游管路;
所述测试口4用于在地面进行系统检漏测试时,从该测试口4充气,检查电爆阀3和贮箱11气腔前管路的密封性能;
所述高压自锁阀5在需要推进系统工作时打开,实现气路的连通,当推进系统不工作时,关闭高压自锁阀5,避免减压阀6长期承压后,性能变差;
所述减压阀6用于将高压气体减压至额定工作压力的气体,供应给贮箱11的气腔;
所述安全阀7用于当减压阀6出口压力高于工作压力到某一个设定值时,即打开进行泄压,可保护贮箱11不受过大的压力,避免结构破坏;
所述第一加注阀8用于贮箱11地面加注完推进剂后,利用该第一加注阀8给贮箱气腔充气,保护膜盒。
在轨运行时,正常模式下,气瓶下游的电爆阀3、高压自锁阀5依次打开,高压气体通过减压阀6降至额定工作压力后,进入贮箱11的气腔,完成气路的增压;
所述“井”字结构气路还包括设置在两条主气路的加排阀2上游的一条横向连通管路以及设置在两条主气路的安全阀7下游的一条横向连通管路;所述上游的横向连通管路上设置有双向高压自锁阀9;所述下游的横向连通管路上设置有低压自锁阀10;
当一条主气路上的电爆阀3或高压自锁阀5未打开时,打开横向连通管路上双向高压自锁阀9和低压自锁阀10,将这一气瓶中的气体通过一组中另一气瓶的主气路流入到故障管路的对应的贮箱11气腔,完成故障模式下的挤压气体供应工作;
当一个气瓶出现泄漏的问题,则只需要关闭横向连通的双向高压自锁阀9和泄漏气瓶下游的高压自锁阀5,就能实现对泄漏气瓶的隔离,并打开横向连通管路上低压自锁阀10,则可利用另一气瓶完成对两个贮箱的挤压气体供应;
所述推进剂供应系统主要包括贮箱11、系统管路、第二加注阀12、液路电爆阀13、液路自锁阀14;
所述第二加注阀12是地面为贮箱11加注推进剂使用的;
所述液路电爆阀13是当地面加注完推进剂后,能有效保证贮箱11与下游系统管路的隔离,并在需要推进系统工作时通过电爆打开保证推进剂进入下游系统管路;
所述液路自锁阀14用于管理系统管路上推进剂到下游发动机的供应。
所述推进剂供应系统的正常工作模式为:上游挤压气体进入贮箱11的气腔,当贮箱11气液腔形成了一个稳定的压差,此时打开液路电爆阀13,推进剂流过过滤器后,通过下游液路自锁阀14的开关,实现推进剂供应至指定发动机电磁阀前;
所述推进剂供应系统还包括在相同组元的两个贮箱11出口之间设置的连通管路及横向自锁阀15,当某贮箱下游液路电爆阀13发生故障未打开时,打开横向自锁阀15,使得该贮箱11的推进剂可以通过另一贮箱11下游的液路电爆阀13进入系统管路,供应到指定发动机入口前;
所述贮箱11采用金属膜盒结构,贮箱内部由膜盒组件17将气、液腔物理隔离;膜盒组件17外为气腔,膜盒组件17内为液腔;膜盒组件17为由多个不锈钢金属膜片焊接而成,膜盒组件17在增压气体压力或加注液体压力的作用下,可沿贮箱11轴线方向作压缩或伸展移动,实现贮箱11的排放工作或再加注。
本发明带来以下有益效果:
1)两种推进剂贮箱气腔做到物理隔离,相互无连通;2)解决气体泄漏的故障隔离,不会因为一个气瓶的泄漏而导致系统不能工作;3)满足长期在轨飞行器适应多次被补加的贮箱设计要求。
附图说明
图1:为本发明实施例气路供应系统原理图;
图2:为本发明实施例推进剂供应系统原理图;
图3:本发明实施例金属膜盒贮箱的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
具体功能及实施方案如下:
如图1所示:1为气瓶,2为加排阀、3为电爆阀、4为测试口、5为高压自锁阀、6为减压阀、7为安全阀、8为加注阀、9为双向高压自锁阀、10为低压自锁阀,11为贮箱。
正常模式下即每一个贮箱11都有一个气瓶1为其供应挤压气体。在轨运行时,依次打开气瓶1下游的电爆阀3、高压自锁阀5,高压气体通过减压阀6降至额定工作压力后,进入贮箱11的气腔,完成了气路的增压。
本发明的发明点在于:同组元挤压气路采用“井字形”的方案,不同组元提供挤压气体的气瓶之间无阀门沟通,实现了物理隔离,即使贮箱11气腔有推进剂蒸汽泄漏,也不会出现在气腔两种组元相遇的可能性,确保了系统的使用安全。
同组元气路正常工作模式:在轨运行时,气瓶1下游的电爆阀3、高压自锁阀5依次打开,高压气体通过减压阀6降至额定工作压力后,进入贮箱11的气腔,完成气路的增压;
故障模式下:
当一条主气路上的电爆阀3或高压自锁阀5未打开时,打开横向连通管路上双向高压自锁阀9和低压自锁阀10,将这一气瓶中的气体通过一组中另一气瓶的主气路流入到故障管路的对应的贮箱11气腔,完成故障模式下的挤压气体供应工作。
当一个气瓶出现泄漏的问题,则只需要关闭横向连通的双向高压自锁阀9和泄漏气瓶下游的高压自锁阀5,就能实现对泄漏气瓶的隔离,并打开横向连通管路上低压自锁阀10,则可利用另一气瓶完成对两个贮箱11的挤压气体供应。
如图2所示,图中,12为加注阀、13为液路电爆阀、14为液路自锁阀、15为横向自锁阀。
正常模式下:
上游挤压气体进入膜盒11贮箱的气腔,当贮箱11气液腔形成了一个稳定的压差,贮箱11出口就有一恒定流量的推进剂流入到下游管路,此时打开液路电爆阀13,推进剂流过过滤器后,通过下游管理发动机的各个液路自锁阀14的开关,实现推进剂供应至发动机电磁阀前。
推进系统的发动机共有三种,490N轨控发动机、150N、25N姿控发动机。8台B组和16台C组姿控发动机分成主、备份完全相同的两组。4台490N的轨控发动机分成主备两份。方案中为了实现主备份发动机的切换,管理发动机前的液路自锁阀进行了主备份设计,如要实现主份发动机工作,只需打开对应主份液路自锁阀即可。且进入任意一组发动机推进剂供应管路的每一种组元都是分别从两个贮箱出口的管路进入,这种设计方法的用意是当一个液路自锁阀不能打开时,可通过另一个贮箱管路上液路自锁阀的可关实现推进剂的供应,实现了系统故障时的重组功能。
推进剂供应系统中,两贮箱出口之间横向自锁阀15是在故障模式下使用的,当某贮箱下游液路电爆阀13未打开时,打开横向自锁阀15,使得该贮箱的推进剂通过贮箱下游液路电爆阀13进入管路供应到各指定发动机入口前。
图3为金属膜盒贮箱的示意图,该系统方案中的金属膜盒贮箱主要由壳体组件16、膜盒组件17组成。贮箱内部由膜盒组件17将气、液腔物理隔离(膜盒组件17外为气腔,膜盒组件17内为液腔)。膜盒组件17由多个不锈钢金属膜片焊接而成,膜盒组件17在增压气体压力或加注液体压力的作用下,沿贮箱轴线方向作压缩或伸展移动,实现贮箱的排放工作或再加注,其膜盒结构形式与工作状态类似与手风琴的拉伸。

Claims (1)

1.一种空间推进系统的实现方法,所述推进系统采用恒压挤压模式,系统主要由三部份组成:气路供应系统、推进剂供应系统、发动机;其特征在于:所述推进剂供应系统采用将氧化剂贮箱和燃料贮箱分开设置为两种组元独立的贮箱的方式构建,其中,每种组元的贮箱有2个;
所述气路供应系统中以两个气瓶为一组,通过“井”字结构气路连接到对应的两个贮箱上为贮箱提供挤压气体,每个气瓶不仅可以分别从其主气路为对应的贮箱提供挤压气体,并且可当其主气路上出现故障时借用一组中另一气瓶的主气路连通到对应的贮箱并提供挤压气体;只有相同组元的贮箱挤压气路采用“井”字结构气路实现气路供应,不同组元的贮箱均采用互相之间分离独立的管路提供挤压气体;
所述“井”字结构气路包括由管路以及依次设置在从气瓶(1)至对应贮箱(11)气腔之间的加排阀(2)、电爆阀(3)、测试口(4)、高压自锁阀(5)、减压阀(6)、安全阀(7)、第一加注阀(8)构成的两套主气路;
所述加排阀(2)用于作为地面的充气服务阀,给气瓶(1)充气;
所述电爆阀(3)用于在地面给气瓶(1)加注完高压气体后安全可靠的将高压气瓶与下游管路有效隔离,并在需要推进系统工作时通过电爆打开保证气瓶(1)中高压气体进入下游管路;
所述测试口(4)用于在地面进行系统检漏测试时,从该测试口(4)充气,检查电爆阀(3)和贮箱(11)气腔前管路的密封性能;
所述高压自锁阀(5)在需要推进系统工作时打开,实现气路的连通,当推进系统不工作时,关闭高压自锁阀(5),避免减压阀(6)长期承压后,性能变差;
所述减压阀(6)用于将高压气体减压至额定工作压力的气体,供应给贮箱(11)的气腔;
所述安全阀(7)用于当减压阀(6)出口压力高于工作压力到某一个设定值时,即打开进行泄压,可保护贮箱(11)不受过大的压力,避免结构破坏;
所述第一加注阀(8)用于贮箱(11)地面加注完推进剂后,利用该第一加注阀(8)给贮箱气腔充气,保护膜盒;
在轨运行时,正常模式下,气瓶下游的电爆阀(3)、高压自锁阀(5)依次打开,高压气体通过减压阀(6)降至额定工作压力后,进入贮箱(11)的气腔,完成气路的增压;
所述“井”字结构气路还包括设置在两条主气路的加排阀(2)上游的一条横向连通管路以及设置在两条主气路的安全阀(7)下游的一条横向连通管路;所述上游的横向连通管路上设置有双向高压自锁阀(9);所述下游的横向连通管路上设置有低压自锁阀(10);
当一条主气路上的电爆阀(3)或高压自锁阀(5)未打开时,打开横向连通管路上双向高压自锁阀(9)和低压自锁阀(10),将这一气瓶中的气体通过一组中另一气瓶的主气路流入到故障管路的对应的贮箱(11)气腔,完成故障模式下的挤压气体供应工作;
当一个气瓶出现泄漏的问题,则只需要关闭横向连通的双向高压自锁阀(9)和泄漏气瓶下游的高压自锁阀(5),就能实现对泄漏气瓶的隔离,并打开横向连通管路上低压自锁阀(10),则可利用另一气瓶完成对两个贮箱的挤压气体供应;
所述推进剂供应系统主要包括贮箱(11)、系统管路、第二加注阀(12)、液路电爆阀(13)、液路自锁阀(14);
所述第二加注阀(12)是地面为贮箱(11)加注推进剂使用的;
所述液路电爆阀(13)是当地面加注完推进剂后,能有效保证贮箱(11)与下游系统管路的隔离,并在需要推进系统工作时通过电爆打开保证推进剂进入下游系统管路;
所述液路自锁阀(14)用于管理系统管路上推进剂到下游发动机的供应;
所述推进剂供应系统的正常工作模式为:上游挤压气体进入贮箱(11)的气腔,当贮箱(11)气液腔形成了一个稳定的压差,此时打开液路电爆阀(13),推进剂流过过滤器后,通过下游液路自锁阀(14)的开关,实现推进剂供应至指定发动机电磁阀前;
所述推进剂供应系统还包括在相同组元的两个贮箱(11)出口之间设置的连通管路及横向自锁阀(15),当某贮箱下游液路电爆阀(13)发生故障未打开时,打开横向自锁阀(15),使得该贮箱(11)的推进剂可以通过另一贮箱(11)下游的液路电爆阀(13)进入系统管路,供应到指定发动机入口前;
所述贮箱(11)采用金属膜盒结构,贮箱内部由膜盒组件(17)将气、液腔物理隔离;膜盒组件(17)外为气腔,膜盒组件(17)内为液腔;膜盒组件(17)为由多个不锈钢金属膜片焊接而成,膜盒组件(17)在增压气体压力或加注液体压力的作用下,可沿贮箱(11)轴线方向作压缩或伸展移动,实现贮箱(11)的排放工作或再加注。
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