CN110043390A - 一种卫星双组元推进剂并联贮箱均衡排放同步阀及其应用 - Google Patents

一种卫星双组元推进剂并联贮箱均衡排放同步阀及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了卫星双组元推进剂并联贮箱均衡排放同步阀及其应用，同步阀包括阀体，阀体的左、右端分别连接进口接头A和进口接头B，阀体内部设有主阀芯，主阀芯的左、右端分别设有主阀芯弹簧A和主阀芯弹簧B，主阀芯下方设有定压差活门组件，定压差活门组件的一端设有定压差阀芯弹簧，阀体的下端连接出口接头；应用是将同步阀于液体姿轨控动力系统双组元推进剂并联贮箱均衡排放系统。本发明不仅可以适应各种流量工况，且具有可简化动力系统和系统无需匹配调试的优点，尤其适用于推进剂并联贮箱均衡排放系统。

Description

一种卫星双组元推进剂并联贮箱均衡排放同步阀及其应用
技术领域
本发明涉及卫星液体推进姿轨控领域，特别是一种卫星双组元推进剂并联贮箱均衡排放同步阀及其应用。
背景技术
液体姿轨控动力系统是火箭、卫星、导弹、动能武器的关键技术之一，主要包括高压气源，减压系统、推进剂贮箱，推进剂控制电磁阀和发动机等部分。就推进剂管理技术而言，双组元推进系统中同组的两个并联贮箱由于管路流阻及贮箱隔离膜等结构的差异造成真正作用在推进剂和燃料的压力不同，这就会造成同组元两只贮箱的贮料输出不平衡，引起飞行器质心产生错移，在轨控发动机工作时便产生干扰力矩，而且力矩的大小和方向是随机的。如果姿态控制发动机产生的制动力矩能够平衡干扰力矩，那么此时无非是姿控发动机的工作次数多一些，推进剂消耗多一些，影响飞行器的工作寿命，但是，如果姿控发动机产生的控制力矩难以平衡该干扰力矩，那么将会产生难以想象的后果。目前国内外解决此问题采取的主要方法有：(1)节流板控制法；(2)汽蚀管控制法；(3)电子控制法。但是目前的航天器由于其飞行任务的需要，飞行轨道状态多变，并且需对姿态进行精准控制，往往需要多台不同推力的发动机才能完成上述任务。在这种情况下，上述的几种主流解决方法均存在一定的问题。
节流板控制法如果仅在贮箱的出口设置一组节流板，如果按小流量的值进行标定调校，当在大流量区域工作时，在节流板上的压力损失会很大；如果按大流量的值进行标定调校，当在小流量区域工作时，起不到平衡压力的目的，也达不到平很流量的目的。通常的做法是把推进剂贮箱的输出管引到每个发动机处，在每个发动机的推进剂进口各设置两组节流板，才能保证每个发动机工作时，在压力损失控制在可接受的范围内均能达到流量平衡的目的。
和节流板控制法存在问题相近，采用汽蚀管控制法时如果仅在贮箱的出口设置一组汽蚀管，同样无法达到平衡流量的目的。也只能将推进剂贮箱的输出管引到每个发动机处，在每个发动机的推进剂进口各设置两组汽蚀管，才能保证每个动机工作时，在压力损失控制在可接受的范围内均能达到流量平衡的目的。
电子控制法虽然已经用于对推进剂进行管理，但是其需要实现精确测量剩余推进剂、主动控制并联贮箱平衡排放和主动控制系统混合比功能，所用元器件过多，并且电子控制法目前在国内还处于研究开发阶段，目前仅做了地面试验研究，还未真正用于型号。
综上所述：现有技术存在所用部件多，导致动力系统管路复杂的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种卫星双组元推进剂并联贮箱均衡排放同步阀及其应用。本发明不仅可以适应各种流量工况，且具有可简化动力系统和系统无需匹配调试的优点，尤其适用于推进剂并联贮箱均衡排放系统。
本发明的技术方案：一种卫星双组元推进剂并联贮箱均衡排放同步阀，包括阀体，阀体的左、右端分别连接进口接头A和进口接头B，阀体内部设有主阀芯，主阀芯的左、右端分别设有主阀芯弹簧A和主阀芯弹簧B，主阀芯下方设有定压差活门组件，定压差活门组件的一端设有定压差阀芯弹簧，阀体的下端连接出口接头。
前述的卫星双组元推进剂并联贮箱均衡排放同步阀中，所述阀体顶端连接堵头A和堵头B，堵头A和堵头B的下方分别设有进料腔A和进料腔B，进料腔A和进料腔B的下端均连通主阀芯安装腔；阀体的底端连接有堵头C和堵头D，堵头C和堵头D的上方分别设有出料腔C和出料腔D，出料腔C和出料腔D连通主阀芯安装腔；阀体于出料腔C与出料腔D的中部设有定压差阀活门组件安装腔，阀体于定压差阀活门组件安装腔的腔体端部连接定压差活门端盖；所述阀体内于出料腔D旁设有阀体流道，阀体流道的两个流道端头分别设有堵头E。
前述的卫星双组元推进剂并联贮箱均衡排放同步阀中，所述主阀芯的两个端头设有主阀芯弹簧安装腔，主阀芯的中部设有两个环形的主阀芯槽，主阀芯于主阀芯槽设置处开设有两个主阀芯节流孔；所述主阀芯设于主阀芯安装腔中，主阀芯安装腔由主阀芯隔为四个腔，四个腔中左部的两个腔及右部的两个腔分别通过主阀芯中的流道连通。
前述的卫星双组元推进剂并联贮箱均衡排放同步阀中，所述定压差活门组件包括定压差阀芯，定压差阀芯上套设有定压差阀套；定压差阀芯一端头设有定压差阀芯弹簧安装腔；此端头上设有定压差阀芯弹簧节流孔；此端头的左右两侧各设有一个定压差阀芯节流槽；定压差阀芯于定压差阀芯节流槽开设处的左右部各设有一个定压差阀芯节流孔，于开设处中部设有定压差阀芯定节流孔；所述定压差活门组件设于定压差阀活门组件安装腔中，定压差阀活门组件安装腔由定压差阀套分为左右两个腔，左右的两个腔各自与出料腔C与出料腔D连通；定压差阀套上设有阀套流道，阀套流道连通定压差阀芯弹簧安装腔；定压差活门端盖上设有端盖流道。
前述的卫星双组元推进剂并联贮箱均衡排放同步阀中，所述主阀芯端盖A和主阀芯端盖B上设有弹簧安装腔。
前述的卫星双组元推进剂并联贮箱均衡排放同步阀中，所述阀体与进口接头A、进口接头B、出口接头、堵头A、堵头B、主阀芯端盖A、主阀芯端盖B、堵头C、堵头D和定压差活门端盖的连接处均设有O形圈。
一种前述的卫星双组元推进剂并联贮箱均衡排放同步阀的应用，所述同步阀连接应用于液体姿轨控动力系统双组元推进剂并联贮箱均衡排放系统。本发明设计的工作原理：
本发明的工作原理如图9所示，本发明结构对应工作原理示意图的标注图为图10-13。本发明的工作原理具体为：工作介质由进口A和进口B进入同步阀，进口A工作介质通过可变节流孔A后流入C腔，再通过定节流孔E(和可变节流孔C)后由出口C流出同步阀。进口B工作介质通过可变节流孔B后流入D腔，再通过定节流孔F(和可变节流孔D)后由出口C流出同步阀。
阀芯的左右两端分别通过对中弹簧与弹簧座相连，空载时在对中弹簧作用下阀芯处于中间位置。定节流孔E和定节流孔F大小相等，流阻相等。可变节流孔C和可变节流孔D大小相等，流阻相等。
同步阀应用压力负反馈原理进行工作，即当进口A和进口B有压力差时，阀芯会依据两进口的压差进行移动，进而调节可变节流孔A和可变节流孔B的开度，最终实现进口A流量QA与进口B口流量QB相等。定压差阀活门根据负载开度(即不同工况的流量)不同自动调节定压差阀活门的位置，确保定压差阀活门前后之间的压力差基本不变，即确保C腔(及D腔)与G腔之间的压力差基本不变。具体过程如下：
(1)阀芯初始位置处于中间位置，当进口A压力PA与进口B压力PB相等时，C腔压力PC与D腔压力PD相等，此时与C、D两腔相通的E、F两腔内的压力PE与PF也相等，阀芯受力平衡，阀芯处于中间位置不动，两可变节流孔开度相同，PC与PD相等，定压差阀活门前后的压差相等，此时进口A流量QA与进口B口流量QB相等。
(2)阀芯初始位置处于中间位置，当PA大于PB时，PC大于PD，此时PE也大于PF，阀芯所受合力指向右方，阀芯向右侧移动，可变节流孔A开度减小，可变节流孔B开度增大，使PC不断减小，PD不断增大，直至PC等于PD，PE等于PF，阀芯重新受力平衡。此时定压差阀活门前后的压差相等，QA等于QB。
(3)阀芯初始位置处于中间位置，当PA小于PB时，PC小于PD，此时PE也小于PF，阀芯所受合力指向左方，阀芯向左侧移动，可变节流孔A开度增大，可变节流孔B开度减小，使PC不断增大，PD不断减小，直至PC等于PD，PE等于PF，阀芯重新受力平衡。此时定压差阀活门前后的压差相等，QA等于QB。
(4)对于定压差阀活门，根据工作原理有：
F定压差弹簧+PCSM+PG(SN-SM)＝PDSN(a)
又经主活门调整后，C腔压力PC与D腔压力PD相等，即：
PC＝PD(b)
由式(a)和式(b)得定压差阀活门前后的压差：
△P定压差＝PC-PD＝F定压差弹簧/(SN-SM)(c)
由式(c)得出定压差阀活门前后的压差△P定压差仅与定压差阀活门弹簧力及定压差阀活门阀芯两端的面积有关，当忽略定压差阀活门弹簧力的变化影响，则可认为在各种工况下定压差阀活门前后的压差△P定压差基本不变。
当负载开度较小，即工作在小流量工况时，状态改变瞬间G腔压力较大，定压差阀活门向下运动，在定压差阀活门弹簧力及定压差阀活门阀芯两端面积作用下保持恒定的压降，其在偏下位置建立平衡状态，可变节流孔C和可变节流孔D关闭。
当负载开度较大，即工作在大流量工况时，状态改变瞬间G腔压力较小，定压差阀活门向上运动，在定压差阀活门弹簧力及定压差阀活门阀芯两端面积作用下保持恒定的压降，其在偏上位置建立平衡状态，可变节流孔C和可变节流孔D打开，且负载开度越大，即工作流量越大，可变节流孔C和可变节流孔D开度越大。
为证明本发明的使用效果，发明人做了如下试验，实验原理图如图14所示，测试结果见表1-2。
表1
表2
根据试验数据可知，本发明流量跨度大，最大流量约为最小流量的6倍；本发明同步精度高，在所有流量工况下流量同步误差均不大于3％；本发明压降小，在所有流量工况下压降均不大于0.3MPa。
应用该同步阀的液体姿轨控动力系统双组元推进剂并联贮箱均衡排放系统，由于同步阀的作用，在大的流量范围内不仅流量损失较小，而且能够实现同组元推进剂的并联贮箱均衡排放。
与现有技术相比，本发明的具有如下的有益效果：
1、本发明能适应不同发动机的流量工况，通过定压活门结构，同步阀自动适应不同发动机的流量工况，确保在不同流量工况下的压降及同步精度一致。
2、本发明由于所采用的同步阀能适应的流量范围宽，因此同一台同步阀可连接多台发动机，且不影响贮箱的同步排放性，因此同步阀可尽可能靠近贮箱，同种组分推进剂贮箱出口管路经同步阀汇合成1根后引向发动机，减少了整个系统的管路数量，系统管路简洁。
3、本发明应用压力负反馈原理进行工作，在同组元贮箱出口压力不一致情况下也能自动调节自身内部阀门开度，确保压降及同步精度满足要求，所以系统无需匹配调试。
4、本发明系统无需匹配调试，不仅可以降低了系统装配调试成本，同时也大大缩短系统生产周期。
综上所述：本发明所涉及的同步阀，是姿轨控动力系统的关键部件，用本同步阀可替代传统的节流孔板、汽蚀管或自锁阀。相对于采用节流孔板或汽蚀管技术，本相关采用的同步阀技术使姿轨控动力系统管路及元件大幅减小，同时省去了繁重的匹配调试试验。相对于采用自锁阀技术，本项目采用的同步阀技术无需电控系统控制，具有自适应调节功能，因此大大减少了电控系统的复杂程度，提高产品可靠性。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1中A-A的截面结构示意图；
图3是图2中B-B的截面结构示意图；
图4是图2中C-C的截面结构示意图；
图5是图2中D-D的截面结构示意图；
图6是图2中E-E的截面结构示意图；
图7是主阀芯的结构示意图；
图8是定压差阀芯的结构示意图；
图9是本发明的工作原理示意图；
图10是本发明结构对应工作原理标注图示一；
图11是本发明结构对应工作原理标注图示二；
图12是本发明结构对应工作原理标注图示三；
图13是本发明结构对应工作原理标注图示四；
图14是本发明的试验原理图；
图15是本发明的应用示意图。
附图中的标记为：1-阀体，2-进口接头A，3-进口接头B，4-主阀芯，5-主阀芯弹簧A，6-主阀芯弹簧B，7-定压差活门组件，8-定压差阀芯弹簧，9-出口接头，10-堵头A，11-堵头B，12-进料腔A，13-进料腔B，14-主阀芯安装腔，15-主阀芯端盖A，16-主阀芯端盖B，17-堵头C，18-堵头D，19-出料腔C，20-出料腔D，21-定压差阀活门组件安装腔，22-定压差活门端盖，23-主阀芯弹簧安装腔，24-主阀芯节流槽，25-主阀芯节流孔，26-定压差阀芯弹簧安装腔，27-定压差阀芯弹簧节流孔，28-定压差阀芯节流槽，29-定压差阀芯节流孔，30-定压差阀芯定节流孔,31-阀体流道，32-堵头E，33-O形圈，34-螺钉，35-垫片,36-阀套，37-进口A，38-进口B，39-可变节流孔A，40-可变节流孔B,41-C腔，42-D腔，43-E腔，44-F腔，45-可变节流孔C，46-可变节流孔D，47-定节流孔E，48-定节流孔F，49-G腔，50-M腔,51-N腔，52-出口C，53-定压差阀芯，54-定压差阀套,55-阀套流道,56-端盖流道，57-高压气源，58-减压阀，59-氧化剂贮箱，60-同步阀，61-燃料贮箱，62-输送支管，63-输送总管，64-发动机。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。对于未特别注明的结构，均为本领域的常规现有技术。
实施例。一种卫星姿轨控动力系统同步阀，构成如图1-8所示，包括阀体1，阀体1的左、右端分别连接进口接头A2和进口接头B3，阀体1内部设有主阀芯4，主阀芯4的左、右端分别设有主阀芯弹簧A5和主阀芯弹簧B6，主阀芯4下方设有定压差活门组件7，定压差阀芯活门组件7的一端设有定压差阀芯弹簧8，阀体1的下端连接出口接头9。
本发明通过主阀芯4和设于其两端部的主阀芯弹簧A5和主阀芯弹簧B6组成普通的同步阀结构，此结构可适应进口接头A2和进口接头B3进入两种燃料的不同压力保证两种药剂的流量相等。本发明通过设计定压差阀芯活门组件7和定压差阀芯弹簧8，可在各种流量工况下大大减小其降压，保证压力稳定，保障系统能可靠的进行正常工作。
所述阀体1顶端连接堵头A10和堵头B11，堵头A10和堵头B11的下方分别设有进料腔A12和进料腔B13，进料腔A12和进料腔B13的下端均连通主阀芯安装腔14，阀体1于主阀芯安装腔14的左右端分别连接主阀芯端盖A15和主阀芯端盖B16；阀体1的底端连接有堵头C17和堵头D18，堵头C17和堵头D18的上方分别设有出料腔C19和出料腔D20，出料腔C19和出料腔D20连通主阀芯安装腔14；阀体1于出料腔C19与出料腔D20的中部设有定压差阀活门组件安装腔21，阀体1于定压差阀活门组件安装腔21的腔体端部连接定压差活门端盖22；所述阀体1内于出料腔D20旁设有阀体流道31，阀体流道31的两个流道端头分别设有堵头E32。阀体流道31与出料腔D20、端盖流道56和定压差活门端盖上的腔连通。
所述主阀芯4的两个端头设有主阀芯弹簧安装腔23，主阀芯4的中部设有两个环形的主阀芯槽24，主阀芯4于主阀芯槽24设置处开设有两个主阀芯节流孔25；所述主阀芯4设于主阀芯安装腔14中，主阀芯安装腔14由主阀芯4隔为四个腔，四个腔中左部的两个腔及右部的两个腔分别通过主阀芯4中的流道连通。
所述定压差活门组件7包括定压差阀芯53，定压差阀芯53上套设有定压差阀套54；定压差阀芯53一端头设有定压差阀芯弹簧安装腔26；此端头上设有定压差阀芯弹簧节流孔27；此端头的左右两侧各设有一个定压差阀芯节流槽28；定压差阀芯53于定压差阀芯节流槽28开设处的左右部各设有一个定压差阀芯节流孔29，于开设处中部设有定压差阀芯定节流孔30；所述定压差活门组件7设于定压差阀活门组件安装腔21中，定压差阀活门组件安装腔21由定压差阀套54分为左右两个腔，左右的两个腔各自与出料腔C19与出料腔D20连通；定压差阀套54上设有阀套流道55，阀套流道55连通定压差阀芯弹簧安装腔26；定压差活门端盖22上设有端盖流道56。本定压差活门组件7的结构可保证在各种工况下的压差稳定。其中阀套流道55与出料腔C19、定压差阀芯弹簧8的安装腔连通。
所述主阀芯端盖A15和主阀芯端盖B16上设有弹簧安装腔。弹簧安装腔用于安装主阀芯弹簧A和主阀芯弹簧B。
所述阀体1与进口接头A2、进口接头B3、出口接头9、堵头A10、堵头B11、主阀芯端盖A15、主阀芯端盖B16、堵头C17、堵头D18和定压差活门端盖22的连接处均设有O形圈33。O形圈33保证设备的密封性。
本发明同步阀的应用是将其应用于双组元推进剂并联贮箱均衡排放系统中，应用示意图如图15所示。其主要包括：一对同步阀60；一对并联推进剂贮箱，即两个氧化剂贮箱59，两个燃料贮箱61；一对输送支管62；输送总管63和多个发动机64；所述推进剂贮箱内装有金属膜片；所述的一对并联贮箱和一对输送支管62以输送总管63为中心对称布置；所述输送支管62一端连于贮箱出口，另一端与另一根输送支管62在同步阀处交汇，同步阀的输出端与输送总管63相连，输送总管63最后连到发动机64。

Claims (7)

1.一种卫星双组元推进剂并联贮箱均衡排放同步阀，其特征在于：包括阀体(1)，阀体(1)的左、右端分别连接进口接头A(2)和进口接头B(3)，阀体(1)内部设有主阀芯(4)，主阀芯(4)的左、右端分别设有主阀芯弹簧A(5)和主阀芯弹簧B(6)，主阀芯(4)下方设有定压差活门组件(7)，定压差活门组件(7)的一端设有定压差阀芯弹簧(8)，阀体(1)的下端连接出口接头(9)。
2.根据权利要求1所述的卫星双组元推进剂并联贮箱均衡排放同步阀，其特征在于：所述阀体(1)顶端连接堵头A(10)和堵头B(11)，堵头A(10)和堵头B(11)的下方分别设有进料腔A(12)和进料腔B(13)，进料腔A(12)和进料腔B(13)的下端均连通主阀芯安装腔(14)；阀体(1)的底端连接有堵头C(17)和堵头D(18)，堵头C(17)和堵头D(18)的上方分别设有出料腔C(19)和出料腔D(20)，出料腔C(19)和出料腔D(20)连通主阀芯安装腔(14)；阀体(1)于出料腔C(19)与出料腔D(20)的中部设有定压差阀活门组件安装腔(21)，阀体(1)于定压差阀活门组件安装腔(21)的腔体端部连接定压差活门端盖(22)；所述阀体(1)内于出料腔D(20)旁设有阀体流道(31)，阀体流道(31)的两个流道端头分别设有堵头E(32)。
3.根据权利要求2所述的卫星双组元推进剂并联贮箱均衡排放同步阀，其特征在于：所述主阀芯(4)的两个端头设有主阀芯弹簧安装腔(23)，主阀芯(4)的中部设有两个环形的主阀芯槽(24)，主阀芯(4)于主阀芯槽(24)设置处开设有两个主阀芯节流孔(25)；所述主阀芯(4)设于主阀芯安装腔(14)中，主阀芯安装腔(14)由主阀芯(4)隔为四个腔，四个腔中左部的两个腔及右部的两个腔分别通过主阀芯(4)中的流道连通。
4.根据权利要求2所述的卫星姿轨控动力系统同步阀，其特征在于：所述定压差活门组件(7)包括定压差阀芯(53)，定压差阀芯(53)上套设有定压差阀套(54)；定压差阀芯(53)一端头设有定压差阀芯弹簧安装腔(26)；此端头上设有定压差阀芯弹簧节流孔(27)；此端头的左右两侧各设有一个定压差阀芯节流槽(28)；定压差阀芯(53)于定压差阀芯节流槽(28)开设处的左右部各设有一个定压差阀芯节流孔(29)，于开设处中部设有定压差阀芯定节流孔(30)；所述定压差活门组件(7)设于定压差阀活门组件安装腔(21)中，定压差阀活门组件安装腔(21)由定压差阀套(54)分为左右两个腔，左右的两个腔各自与出料腔C(19)与出料腔D(20)连通；定压差阀套(54)上设有阀套流道(55)，阀套流道(55)连通定压差阀芯弹簧安装腔(26)；定压差活门端盖(22)上设有端盖流道(56)。
5.根据权利要求2所述的双组元推进剂并联贮箱均衡排放同步阀，其特征在于：所述主阀芯端盖A(15)和主阀芯端盖B(16)上设有弹簧安装腔。
6.根据权利要求2所述的卫星双组元推进剂并联贮箱均衡排放同步阀，其特征在于：所述阀体(1)与进口接头A(2)、进口接头B(3)、出口接头(9)、堵头A(10)、堵头B(11)、主阀芯端盖A(15)、主阀芯端盖B(16)、堵头C(17)、堵头D(18)和定压差活门端盖(22)的连接处均设有O形圈(33)。
7.一种如权利要求1-6任一项所述的卫星双组元推进剂并联贮箱均衡排放同步阀的应用，其特征在于：所述同步阀应用于液体姿轨控动力系统双组元推进剂并联贮箱均衡排放系统。
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