CN110925032A - 基于推进剩余资源二次利用的月面气动发电方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于推进剩余资源二次利用的月面气动发电方法，包括步骤：a.采用双组元挤压式推进系统携带大量高压气体及推进剂为月面着陆探测器提供飞行动力；b.月面着陆探测器着陆月面后，将剩余的推进资源二次利用进行气动发电；c.采用气动发电装置以高压气体或燃气为输入，利用气体减压过程中的能量驱动涡轮转动，带动发电机转子旋转，其磁场与发电机定子磁场相互作用产生并输出电能。根据本发明的基于推进剩余资源二次利用的月面气动发电方法，适用于推进系统规模大、月面探测期间能量需求大的深空探测飞行器。
Description
技术领域
本发明涉及空间飞行器总体技术领域，尤其涉及一种基于推进剩余资源二次利用的月面气动发电方法。
背景技术
深空探测飞行器着陆月面以后，需要应对恶劣的月面环境，包括极低真空、极端高低温、月夜月昼交替、空间辐射、月尘等；同时，开展大范围探测活动以及月夜期间保温都需要大量的能源供给。我国CE-3和CE-4无人探测器着陆月面以后，月夜期间采用同位素热源对关键设备进行保温；美国2012年登陆火星的“好奇号”无人火星车，采用核电源为整车移动、通信、计算和热控提供供电。对于执行月面移动探测任务的载人月面着陆器或者密封增压载人月球车，系统规模大、任务周期长、载人环境控制及地形适应能力要求高，需要更强功率和更大容量的能量供给。
目前地外核电技术尚处于概念研究阶段，大功率月面供电系统通常采用太阳能帆板+蓄电池组合的方式。下降着陆到月面过程中，太阳能帆板为折叠状态、落月后再展开，展收机构复杂、可靠性低；太阳能帆板发电效率受到太阳高度角的影响，南北极区发电效率大幅下降，月夜时无法发电；对于长周期的月面活动任务，移动时激起的月尘将在太阳能帆板表面沉积，帆板玻璃基板长时间受到辐射也会发黑，这些都会导致发电效率逐步降低。为了解决太阳能帆板发电效率起伏特别是月夜期间无法发电的问题，需要配备大容量蓄电池进行调节，其重量和体积都将挤占有限的月面着陆重量资源。
对于采用双组元挤压式常规推进系统的月面着陆探测器，携带了大量的增压气体，用于将推进剂从贮箱经由管路增压输送到各个发动机处。从地面发射入轨时，推进气瓶中充满了高压氦气(一般初始压力为35MPa，气瓶总体积约1000L)，推进剂贮箱内除了推进剂之外的气垫空间也充满了氦气(预增压压力一般为1.5MPa)。地月转移以及月面下降着陆过程中，高压氦气逐渐从气瓶经减压阀释放到贮箱中，使贮箱压力保持在发动机正常工作所需要的水平(一般为2MPa)。
着陆月面以后，推进剂基本耗尽、着陆推进系统也不再工作。此时，气瓶中则保留了纯高压氦气，气压一般在5MPa以上(满足减压阀阀前最低压力要求)；贮箱中充满了以高压氦气为主、含有少量推进剂蒸汽的2MPa混合气体。为了月面活动安全起见，会在适当时机进行推进系统钝化，即高压气体和剩余推进剂直接排放在月面真空中，前期蓄积的高压气体能量直接浪费了。
发明内容
本发明的目的在于解决上述问题，并提供一种基于推进剩余资源二次利用的月面气动发电方法。
为实现上述发明目的，本发明提供一种基于推进剩余资源二次利用的月面气动发电方法，包括以下步骤：
a.采用双组元挤压式推进系统携带大量高压气体推进月面着陆探测器；
b.月面着陆探测器着陆月面后，将剩余的推进资源二次利用进行气动发电；
c.采用气动发电装置以高压气体为输入，利用气体减压过程中的能量驱动涡轮转动，带动发电机转子旋转，其磁场与发电机定子磁场相互作用产生并输出电能。
根据本发明的一个方面，在所述a步骤中，所述双组元挤压式推进系统包括：
至少一个增压气瓶：用于存储高压氦气，初始工作压力为35MPa；发射前由地面设备进行充气增压，入轨后高压氦气通过减压阀减压后进入推进剂贮箱，为贮箱增压；
气路管路阀门：用于增压气瓶出口到推进剂贮箱气路进入之间的气路部分控制调节，包括减压阀、自锁阀、单向阀、电爆阀以及气路管路；
推进剂贮箱：用于贮存常规推进剂，配置2个燃烧剂贮箱、2个氧化剂贮箱；对于1000L以上容积的空间飞行器用推进剂贮箱，采用表面张力形式，使用过程中贮箱内为气液混合状态，包括增压氦气、推进剂蒸汽和液态推进剂；
液路管路阀门：用于推进剂贮箱出口到发动机入口的液路部分控制调节，包括电爆阀、自锁阀、过滤器以及液路管路；
发动机：分为大推力、以稳态工作为主的轨控发动机和小推力、以脉冲工作为主的姿控发动机，入口处设置氧、燃两个电磁阀，由控制器控制开关。
根据本发明的一个方面，在所述b步骤中，推进系统在月面停止工作后，增压气瓶内残留压力为5MPa的纯氦气、推进剂贮箱内残留压力为2MPa的氦气+推进剂蒸汽混合气体；剩余的高压气体和推进剂不做钝化处理，二次利用进行月面发电。
根据本发明的一个方面，根据输入气源的不同，气动发电装置包括：
I型气动发电装置，其为纯氦气发电装置，从增压气瓶出口引出高压纯氦气，驱动气动涡轮发电；
II型气动发电装置，其为氦气+单组元推进剂蒸汽发电装置，从推进剂贮箱气路入口处引出高压混合气体，驱动气动涡轮发电；氧化剂和燃烧剂两路，分别配置一套气动II型发电装置；
III型气动发电装置，其为氦气+双组元推进剂蒸汽发电装置，分别从氧化剂和燃烧剂贮箱气路入口处引出两路高压混合气体，进入涡轮前燃烧形成高温高压燃气，后进入气动涡轮驱动做功。
根据本发明的一个方面，采用所述气动发电装置进行气动发电包括以下步骤：
(1)关闭增压气路与推进剂贮箱之间的阀门，实现高压纯氦气与推进剂蒸汽的物理隔离；
(2)从增压气瓶出口引出高压纯氦气，进入I型气动发电装置，驱动气动涡轮发电；通过控制涡轮入口处阀门开度实现高压氦气流量控制，从而调节发电功率；
(2)从氧化剂贮箱气路入口处引出高压氦气+N2O4蒸汽的混合气体，进入II型气动发电装置，驱动气动涡轮发电；通过控制涡轮入口处阀门开度实现混合气体流量控制，从而调节发电功率；
(3)从燃烧剂贮箱气路入口处引出高压氦气+MMH蒸汽的混合气体，进入II型气动发电装置，驱动气动涡轮发电；通过控制涡轮入口处阀门开度实现混合气体流量控制，从而调节发电功率；
(4)从氧化剂贮箱和燃烧剂贮箱分别引出的高压氦气+N2O4蒸汽混合气体和高压氦气+MMH蒸汽混合气体，进入III型气动发电装置进一步燃烧，形成高温高压燃气驱动涡轮发电；通过控制涡轮入口处阀门开度实现混合气体流量及燃烧控制，从而调节发电功率；
(5)各个气动发电装置输出到供配电控制器，统一进行整流稳压，形成稳定可控的输出功率后并入整个供电网络。
根据本发明的基于推进剩余资源二次利用的月面气动发电方法，适用于推进系统规模大、月面探测期间能量需求大的深空探测飞行器。可以将1000L量级的5MPa高压氦气和15000L量级的2MPa高压混合气体二次利用起来，作为气动发电机的输入源，根据月面探测或移动的能源需求随时随地发电，配置少量蓄电池进行功率调节，为月面探测活动提供稳定可靠的能源供给。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示意性表示根据本发明的基于推进剩余资源二次利用的月面气动发电方法的流程图；
图2示意性表示根据本发明的一种实施方式的双组元挤压式推进系统的结构图；
图3示意性表示根据本发明的基于推进剩余资源二次利用的月面气动发电的系统结构图；
图4示意性表示根据本发明的气动发电装置的结构图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
在针对本发明的实施方式进行描述时，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”所表达的方位或位置关系是基于相关附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。
图1示意性表示根据本发明的基于推进增压气体二次利用的月面气动发电方法的流程图。如图1所示，根据本发明的增压气体二次利用的月面气动发电方法，包括以下步骤：
a.采用双组元挤压式推进系统携带大量高压气体推进月面着陆探测器；
b.月面着陆探测器着陆月面后，将剩余的推进资源二次利用进行气动发电；
c.采用气动发电装置以高压气体为输入，利用气体减压过程中的能量驱动涡轮转动，带动发电机转子旋转，其磁场与发电机定子磁场相互作用产生并输出电能。
图2示意性表示根据本发明的一种实施方式的双组元挤压式推进系统的结构图。如图2所示，在本实施方式中，双组元挤压式推进系统包括：
多个增压气瓶(至少为一个)：用于存储高压氦气，初始工作压力为35MPa；发射前由地面设备进行充气增压，入轨后高压氦气通过减压阀减压后进入推进剂贮箱，为贮箱增压；
气路管路阀门：用于增压气瓶出口到推进剂贮箱气路进入之间的气路部分控制调节，包括减压阀、自锁阀、单向阀、电爆阀以及气路管路；
推进剂贮箱：用于贮存常规推进剂，配置2个燃烧剂贮箱、2个氧化剂贮箱；对于1000L以上容积的空间飞行器用推进剂贮箱，采用表面张力形式，使用过程中贮箱内为气液混合状态，包括增压氦气、推进剂蒸汽和液态推进剂；
液路管路阀门：用于推进剂贮箱出口到发动机入口的液路部分控制调节，包括电爆阀、自锁阀、过滤器以及液路管路；
发动机：分为大推力、以稳态工作为主的轨控发动机和小推力、以脉冲工作为主的姿控发动机，入口处设置氧、燃两个电磁阀，由控制器控制开关。
图3示意性表示根据本发明的基于推进剩余资源二次利用的月面气动发电的系统结构图。图4示意性表示根据本发明的气动发电装置的结构图。如图3所示，本发明利用双组元挤压式推进系统与气动发电装置的组合对系统中剩余的高压气体和推进剂进行二次利用气动发电。如图4所示，气动发电装置由进气口、蜗轮、蜗壳、发动机转子、发动机定子和出气口组成。
根据本发明的一种实施方式，在上述b步骤中，推进系统在月面停止工作后，增压气瓶内残留压力为5MPa的纯氦气、推进剂贮箱内残留压力为2MPa的氦气+推进剂蒸汽混合气体；剩余的高压气体和推进剂不做钝化处理，二次利用进行月面发电。
在本实施方式中，根据输入气源的不同，气动发电装置包括：
I型气动发电装置，其为纯氦气发电装置，从增压气瓶出口引出高压纯氦气，驱动气动涡轮发电；
II型气动发电装置，其为氦气+单组元推进剂蒸汽发电装置，从推进剂贮箱气路入口处引出高压混合气体，驱动气动涡轮发电；氧化剂和燃烧剂两路，分别配置一套气动II型发电装置；
III型气动发电装置，其为氦气+双组元推进剂蒸汽发电装置，分别从氧化剂和燃烧剂贮箱气路入口处引出两路高压混合气体，进入涡轮前燃烧形成高温高压燃气，后进入气动涡轮驱动做功。
根据本发明的一种实施方式，采用气动发电装置进行气动发电包括以下步骤：
(1)关闭增压气路与推进剂贮箱之间的阀门，实现高压纯氦气与推进剂蒸汽的物理隔离；
(2)从增压气瓶出口引出高压纯氦气，进入I型气动发电装置，驱动气动涡轮发电；通过控制涡轮入口处阀门开度实现高压氦气流量控制，从而调节发电功率；
(2)从氧化剂贮箱气路入口处引出高压氦气+N2O4蒸汽的混合气体，进入II型气动发电装置，驱动气动涡轮发电；通过控制涡轮入口处阀门开度实现混合气体流量控制，从而调节发电功率；
(3)从燃烧剂贮箱气路入口处引出高压氦气+MMH蒸汽的混合气体，进入II型气动发电装置，驱动气动涡轮发电；通过控制涡轮入口处阀门开度实现混合气体流量控制，从而调节发电功率；
(4)从氧化剂贮箱和燃烧剂贮箱分别引出的高压氦气+N2O4蒸汽混合气体和高压氦气+MMH蒸汽混合气体，进入III型气动发电装置进一步燃烧，形成高温高压燃气驱动涡轮发电；通过控制涡轮入口处阀门开度实现混合气体流量及燃烧控制，从而调节发电功率；
(5)各个气动发电装置输出到供配电控制器，统一进行整流稳压，形成稳定可控的输出功率后并入整个供电网络。
根据本发明的基于推进增压气体二次利用的月面气动发电方法，适用于推进系统规模大、月面探测期间能量需求大的深空探测飞行器。可以将1000L量级的5MPa高压氦气和15000L量级的2MPa高压混合气体二次利用起来，作为气动发电机的输入源，根据月面探测或移动的能源需求随时随地发电，配置少量蓄电池进行功率调节，为月面探测活动提供稳定可靠的能源供给。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于推进剩余资源二次利用的月面气动发电方法，包括以下步骤：
a.采用双组元挤压式推进系统携带大量高压气体及推进剂为月面着陆探测器提供飞行动力；
b.月面着陆探测器着陆月面后，将剩余的推进资源二次利用进行气动发电；
c.采用气动发电装置以高压气体或燃气为输入，利用气体减压过程中的能量驱动涡轮转动，带动发电机转子旋转，其磁场与发电机定子磁场相互作用产生并输出电能。
2.根据权利要求1所述的基于推进剩余资源二次利用的月面气动发电方法，其特征在于，所述双组元挤压式推进系统包括：
至少一个增压气瓶：用于存储高压氦气，初始工作压力为35MPa；发射前由地面设备进行充气增压，入轨后高压氦气通过减压阀减压后进入推进剂贮箱，为贮箱增压；
气路管路阀门：用于增压气瓶出口到推进剂贮箱气路进入之间的气路部分控制调节，包括减压阀、自锁阀、单向阀、电爆阀以及气路管路；
推进剂贮箱：用于贮存常规推进剂，配置2个燃烧剂贮箱、2个氧化剂贮箱；对于1000L以上容积的空间飞行器用推进剂贮箱，采用表面张力形式，使用过程中贮箱内为气液混合状态，包括增压氦气、推进剂蒸汽和液态推进剂；
液路管路阀门：用于推进剂贮箱出口到发动机入口的液路部分控制调节，包括电爆阀、自锁阀、过滤器以及液路管路；
发动机：分为大推力、以稳态工作为主的轨控发动机和小推力、以脉冲工作为主的姿控发动机，入口处设置氧、燃两个电磁阀，由控制器控制开关。
3.根据权利要求1所述的基于推进剩余资源二次利用的月面气动发电方法，其特征在于，在所述b步骤中，推进系统在月面停止工作后，增压气瓶内残留压力为5MPa的纯氦气、推进剂贮箱内残留压力为2MPa的氦气+推进剂蒸汽混合气体；剩余的高压气体和推进剂不做钝化处理，二次利用进行月面发电。
4.根据权利要求3所述的基于推进剩余资源二次利用的月面气动发电方法，其特征在于，根据输入气源的不同，所述气动发电装置包括：
I型气动发电装置，其为纯氦气发电装置，从增压气瓶出口引出高压纯氦气，驱动气动涡轮发电；
II型气动发电装置，其为氦气+单组元推进剂蒸汽发电装置，从推进剂贮箱气路入口处引出高压混合气体，驱动气动涡轮发电；氧化剂和燃烧剂两路，分别配置一套气动II型发电装置；
III型气动发电装置，其为氦气+双组元推进剂蒸汽发电装置，分别从氧化剂和燃烧剂贮箱气路入口处引出两路高压混合气体，进入涡轮前燃烧形成高温高压燃气，后进入气动涡轮驱动做功。
5.根据权利要求4所述的基于推进剩余资源二次利用的月面气动发电方法，其特征在于，采用所述气动发电装置进行气动发电包括以下步骤：
(1)关闭增压气路与推进剂贮箱之间的阀门，实现高压纯氦气与推进剂蒸汽的物理隔离；
(2)从增压气瓶出口引出高压纯氦气，进入I型气动发电装置，驱动气动涡轮发电；通过控制涡轮入口处阀门开度实现高压氦气流量控制，从而调节发电功率；
(2)从氧化剂贮箱气路入口处引出高压氦气+N2O4蒸汽的混合气体，进入II型气动发电装置，驱动气动涡轮发电；通过控制涡轮入口处阀门开度实现混合气体流量控制，从而调节发电功率；
(3)从燃烧剂贮箱气路入口处引出高压氦气+MMH蒸汽的混合气体，进入II型气动发电装置，驱动气动涡轮发电；通过控制涡轮入口处阀门开度实现混合气体流量控制，从而调节发电功率；
(4)从氧化剂贮箱和燃烧剂贮箱分别引出的高压氦气+N2O4蒸汽混合气体和高压氦气+MMH蒸汽混合气体，进入III型气动发电装置进一步燃烧，形成高温高压燃气驱动涡轮发电；通过控制涡轮入口处阀门开度实现混合气体流量及燃烧控制，从而调节发电功率；
(5)各个气动发电装置输出到供配电控制器，统一进行整流稳压，形成稳定可控的输出功率后并入整个供电网络。
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