CN107701330A - 一种不基于气体旁路的系统混合比主动控制方法 - Google Patents

一种不基于气体旁路的系统混合比主动控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种不基于气体旁路的系统混合比主动控制方法。该方法包括：在轨控发动机点火前的预定时刻，计算氧化剂贮箱与燃烧剂贮箱的目标压力差ΔP；当ΔP>0时，通过控制贮箱入口处自锁阀的开关，将两种贮箱间的压力差调整到△P，然后轨控发动机点火；保持贮箱入口处的全部自锁阀均关闭，当任一种贮箱的实时压力达到压力下限时，将贮箱入口处自锁阀全开；当氧化剂贮箱的实时压力上升至第一设定阈值时，关闭LV1和LV2，当燃烧剂贮箱的实时压力上升至第二设定阈值时，关闭LV3和LV4。本发明实现了对无气体旁路的双组元推进系统进行系统混合比的主动控制的目的。

Description

一种不基于气体旁路的系统混合比主动控制方法
技术领域
本发明涉及双组元推进系统技术，尤其涉及一种不基于气体旁路的系统混合比主动控制方法。
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)两种推进剂作为工质，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。
以前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。
后来开发了通过气体旁路对混合比进行调节的技术，在发动机点火过程中，同时通过气体旁路对氧化剂和燃烧剂贮箱的压力进行调整，氧化剂和燃烧剂贮箱压力之差决定了系统混合比状态，这种系统混合比控制技术需基于设置有气体旁路的双组元推进系统。然而，设置有气体旁路的双组元推进系统存在系统复杂度高、系统重量大、以及硬件成本高等诸多问题。
发明内容
本发明解决的技术问题是：相比于现有技术，提供了一种不基于气体旁路的系统混合比主动控制方法，实现了对无气体旁路的双组元推进系统进行系统混合比的主动控制的目的。
本发明的上述目的通过以下技术方案予以实现：
本发明提供了一种不基于气体旁路的系统混合比主动控制方法，包括如下步骤：
步骤一、在轨控发动机点火前的预定时刻，获取氧化剂贮箱压力Po、燃烧剂贮箱压力Pf、氧化剂温度To和燃烧剂温度Tf；利用所述氧化剂贮箱压力Po、氧化剂温度To和燃烧剂温度Tf，并根据预定的目标混合比指标r，计算目标压力差ΔP；
步骤二、当所述目标压力差ΔP>0时，根据所述燃烧剂贮箱压力Pf，通过控制氧化剂贮箱上游气口端的自锁阀LV1和LV2的开关，以及控制燃烧剂贮箱上游气口端的自锁阀LV3和LV4的开关，将氧化剂贮箱与燃烧剂贮箱间的压力差调整到所述目标压力差ΔP，然后执行轨控发动机点火操作；
步骤三、保持自锁阀LV1、LV2、LV3和LV4处于关闭状态，直至氧化剂贮箱的实时压力Po1或燃烧剂贮箱的实时压力Pf1达到压力下限Pmin；当氧化剂贮箱的实时压力Po1或燃烧剂贮箱的实时压力Pf1达到压力下限Pmin时，打开自锁阀LV1、LV2、LV3和LV4；
步骤四、当氧化剂贮箱的实时压力Po1上升至第一设定阈值Po2时，关闭自锁阀LV1和LV2，当燃烧剂贮箱的实时压力Pf1上升至第二设定阈值Pf2时，关闭自锁阀LV3和LV4；返回执行步骤三，直至轨控发动机点火结束。
进一步地，所述目标压力差ΔP的计算公式为：
ΔP＝[(a+b)Po+cTo+dTf+e-r]/b
式中，a、b、c、d、e为轨控发动机的混合比小偏差方程r＝aPo+bPf+cTo+dTf+e的系数，a、b、c、d、e通过轨控发动机地面试验获得。
进一步地，当所述目标压力差ΔP>0时，根据所述燃烧剂贮箱压力Pf，通过控制氧化剂贮箱上游气口端的自锁阀LV1和LV2的开关，以及控制燃烧剂贮箱上游气口端的自锁阀LV3和LV4的开关，将氧化剂贮箱与燃烧剂贮箱间的压力差调整到所述目标压力差ΔP，包括：
当所述目标压力差ΔP>0时，保持燃烧剂贮箱上游气口端的自锁阀LV3和LV4的开关处于关闭状态，打开氧化剂贮箱上游气口端的自锁阀LV1和LV2的开关，以使得气体充入氧化剂贮箱，直至压力达到Pf+ΔP时，关闭所述自锁阀LV1和LV2的开关。
进一步地，所述第一设定阈值Po2＝Pr，所述第二设定阈值Pf2＝Pr-ΔP，其中，Pr表示无气体旁路双组元推进系统中单向阀最高输出压力，ΔP表示目标压力差且ΔP>0。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
本发明针对没有配置气体旁路的双组元推进系统，通过在轨控发动机点火前的预定时刻，计算氧化剂贮箱与燃烧剂贮箱的目标压力差△P；当△P>0时，通过控制贮箱入口处自锁阀的开关，将两种贮箱间的压力差调整到△P，然后轨控发动机点火；保持贮箱入口处的全部自锁阀均关闭，当任一种贮箱的实时压力达到压力下限时，将贮箱入口处自锁阀全开；当两种贮箱的实时压力分别达到各自的设定阈值时，即时关闭各自对应的贮箱上游气口端自锁阀，返回执行前一步骤，直至轨控发动机点火结束，实现了对无气体旁路的双组元推进系统进行系统混合比的主动控制的目的。
附图说明
图1是本发明实施例中的无气体旁路双组元推进系统的结构图；
图2是本发明实施例中的一种不基于气体旁路的系统混合比主动控制方法的流程图。
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。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
图1是本发明实施例中的无气体旁路双组元推进系统的结构图，如图1所示，典型的航天器用无气体旁路的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、自锁阀6、推进剂贮箱7、轨控发动机8和姿控推力器9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7用于存储推进剂，推进剂包括氧化剂和燃烧剂两种，图1中，MON表示氧化剂，MMH表示燃烧剂；气瓶1和推进剂贮箱7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和自锁阀6；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7，以维持推进剂贮箱7的压力稳定；单向阀5用于防止不同组元的推进剂贮箱7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7的压力；加排阀3用于地面操作，给气瓶1和推进剂贮箱7加注或排放推进剂和气体；自锁阀6用于控制气体管道或推进剂管道的通断。
图2是本发明实施例中的一种不基于气体旁路的系统混合比主动控制方法的流程图，该方法基于如图1所示的无气体旁路双组元推进系统，参考图2，本实施例提供的一种不基于气体旁路的系统混合比主动控制方法具体可以包括如下步骤：
S110、在轨控发动机点火前的预定时刻，获取氧化剂贮箱压力Po、燃烧剂贮箱压力Pf、氧化剂温度To和燃烧剂温度Tf；利用所述氧化剂贮箱压力Po、氧化剂温度To和燃烧剂温度Tf，并根据预定的目标混合比指标r，计算目标压力差ΔP。
具体的，在轨控发动机点火前的某一预定时刻，获取氧化剂贮箱压力Po、燃烧剂贮箱压力Pf、氧化剂温度To和燃烧剂温度Tf；然后，利用所述氧化剂贮箱压力Po、氧化剂温度To和燃烧剂温度Tf，并根据预定的目标混合比指标r，计算目标压力差ΔP。可选的，所述目标压力差ΔP的计算公式为：
ΔP＝[(a+b)Po+cTo+dTf+e-r]/b (1)
公式(1)中，Po表示氧化剂贮箱压力，To表示氧化剂温度，Tf表示燃烧剂温度，r表示目标混合比指标，a、b、c、d、e为轨控发动机的混合比小偏差方程r＝aPo+bPf+cTo+dTf+e的系数，a、b、c、d、e通过轨控发动机地面试验获得。
S120、当所述目标压力差ΔP>0时，根据所述燃烧剂贮箱压力Pf，通过控制氧化剂贮箱上游气口端的自锁阀LV1和LV2的开关，以及控制燃烧剂贮箱上游气口端的自锁阀LV3和LV4的开关，将氧化剂贮箱与燃烧剂贮箱间的压力差调整到所述目标压力差ΔP，然后执行轨控发动机点火操作。
具体的，当所述目标压力差ΔP>0时，根据所述燃烧剂贮箱压力Pf，通过控制氧化剂贮箱上游气口端的自锁阀LV1和LV2的开关，以及控制燃烧剂贮箱上游气口端的自锁阀LV3和LV4的开关，将氧化剂贮箱与燃烧剂贮箱间的压力差调整到所述目标压力差ΔP，可以包括：
当所述目标压力差ΔP>0时，保持燃烧剂贮箱上游气口端的自锁阀LV3和LV4的开关处于关闭状态，打开氧化剂贮箱上游气口端的自锁阀LV1和LV2的开关，以使得气体充入氧化剂贮箱，直至压力达到Pf+ΔP时，关闭所述自锁阀LV1和LV2的开关。即保持燃烧剂贮箱压力Pf不变，对氧化剂贮箱进行增压，直至压力达到Pf+ΔP。
S130、保持自锁阀LV1、LV2、LV3和LV4处于关闭状态，直至氧化剂贮箱的实时压力Po1或燃烧剂贮箱的实时压力Pf1达到压力下限Pmin；当氧化剂贮箱的实时压力Po1或燃烧剂贮箱的实时压力Pf1达到压力下限Pmin时，打开自锁阀LV1、LV2、LV3和LV4。
具体的，轨控发动机点火后，保持自锁阀LV1、LV2、LV3和LV4处于关闭状态，随着推进剂的消耗，氧化剂贮箱或燃烧剂贮箱内的压力不断减小，直至氧化剂贮箱的实时压力Po1或燃烧剂贮箱的实时压力Pf1达到压力下限Pmin。当氧化剂贮箱的实时压力Po1达到压力下限Pmin或者燃烧剂贮箱的实时压力Pf1达到压力下限Pmin时，将自锁阀LV1、LV2、LV3和LV4全部打开。
S140、当氧化剂贮箱的实时压力Po1上升至第一设定阈值Po2时，关闭自锁阀LV1和LV2，当燃烧剂贮箱的实时压力Pf1上升至第二设定阈值Pf2时，关闭自锁阀LV3和LV4；返回执行步骤三，直至轨控发动机点火结束。
可选的，所述第一设定阈值Po2＝Pr，所述第二设定阈值Pf2＝Pr-ΔP，其中，Pr表示无气体旁路双组元推进系统中单向阀最高输出压力，ΔP表示目标压力差且ΔP>0。即在此种情况下，当氧化剂贮箱的实时压力Po1上升至第一设定阈值Pr时，关闭自锁阀LV1和LV2，当燃烧剂贮箱的实时压力Pf1上升至第二设定阈值Pr-ΔP时，关闭自锁阀LV3和LV4；返回执行步骤三，直至轨控发动机点火结束。
本实施例的技术方案针对没有配置气体旁路的双组元推进系统，通过在轨控发动机点火前的预定时刻，计算氧化剂贮箱与燃烧剂贮箱的目标压力差△P；当△P>0时，通过控制贮箱入口处自锁阀的开关，将两种贮箱间的压力差调整到△P，然后轨控发动机点火；保持贮箱入口处的全部自锁阀均关闭，当任一种贮箱的实时压力达到压力下限时，将贮箱入口处自锁阀全开；当两种贮箱的实时压力分别达到各自的设定阈值时，即时关闭各自对应的贮箱上游气口端自锁阀，返回执行前一步骤，直至轨控发动机点火结束，实现了对无气体旁路的双组元推进系统进行系统混合比的主动控制的目的。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (4)

1.一种不基于气体旁路的系统混合比主动控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、在轨控发动机点火前的预定时刻，获取氧化剂贮箱压力Po、燃烧剂贮箱压力Pf、氧化剂温度To和燃烧剂温度Tf；利用所述氧化剂贮箱压力Po、氧化剂温度To和燃烧剂温度Tf，并根据预定的目标混合比指标r，计算目标压力差ΔP；
步骤二、当所述目标压力差ΔP>0时，根据所述燃烧剂贮箱压力Pf，通过控制氧化剂贮箱上游气口端的自锁阀LV1和LV2的开关，以及控制燃烧剂贮箱上游气口端的自锁阀LV3和LV4的开关，将氧化剂贮箱与燃烧剂贮箱间的压力差调整到所述目标压力差ΔP，然后执行轨控发动机点火操作；
步骤三、保持自锁阀LV1、LV2、LV3和LV4处于关闭状态，直至氧化剂贮箱的实时压力Po1或燃烧剂贮箱的实时压力Pf1达到压力下限Pmin；当氧化剂贮箱的实时压力Po1或燃烧剂贮箱的实时压力Pf1达到压力下限Pmin时，打开自锁阀LV1、LV2、LV3和LV4；
步骤四、当氧化剂贮箱的实时压力Po1上升至第一设定阈值Po2时，关闭自锁阀LV1和LV2，当燃烧剂贮箱的实时压力Pf1上升至第二设定阈值Pf2时，关闭自锁阀LV3和LV4；返回执行步骤三，直至轨控发动机点火结束。
2.根据权利要求1所述的不基于气体旁路的系统混合比主动控制方法，其特征在于，所述目标压力差ΔP的计算公式为：
ΔP＝[(a+b)Po+cTo+dTf+e-r]/b
式中，a、b、c、d、e为轨控发动机的混合比小偏差方程r＝aPo+bPf+cTo+dTf+e的系数，通过轨控发动机地面试验获得。
3.根据权利要求2所述的不基于气体旁路的系统混合比主动控制方法，其特征在于，当所述目标压力差ΔP>0时，根据所述燃烧剂贮箱压力Pf，通过控制氧化剂贮箱上游气口端的自锁阀LV1和LV2的开关，以及控制燃烧剂贮箱上游气口端的自锁阀LV3和LV4的开关，将氧化剂贮箱与燃烧剂贮箱间的压力差调整到所述目标压力差ΔP，包括：
当所述目标压力差ΔP>0时，保持燃烧剂贮箱上游气口端的自锁阀LV3和LV4的开关处于关闭状态，打开氧化剂贮箱上游气口端的自锁阀LV1和LV2的开关，以使得气体充入氧化剂贮箱，直至压力达到Pf+ΔP时，关闭所述自锁阀LV1和LV2的开关。
4.根据权利要求3所述的不基于气体旁路的系统混合比主动控制方法，其特征在于，所述第一设定阈值Po2＝Pr，所述第二设定阈值Pf2＝Pr-ΔP，其中，Pr表示无气体旁路双组元推进系统中单向阀最高输出压力，ΔP表示目标压力差且ΔP>0。
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