CN110989707A - 一种航天器轨控管路压强的安全管理方法 - Google Patents

一种航天器轨控管路压强的安全管理方法 Download PDF

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卫佳
王浩
韩泉东
林森
李和军
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魏青
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Abstract

本发明公开了一种航天器轨控管路压强的安全管理方法，采用给轨控管路实施加热降低轨控管路压强和自主泄压两种措施结合使用的方法来管理航天器轨控管路的压强，控制轨控管路的压强在安全范围内。实施步骤为：(1)给轨控管路设计独立的加热回路并实施；(2)制定轨控管路自主开阀泄压策略；(3)轨控管路推进剂充填后或轨控发动机工作关机后，打开轨控管理阀门，对轨控管路实施加热；(4)加热到设定温度后关闭加热器和轨控管理阀门；(5)运行轨控管路自主泄压策略。本发明用于对航天器轨控管路的压强进行安全管理，既能确保轨控管路的压强不超过安全阈值，保证产品安全，也减少了轨控管理阀门开关动作次数，提高了产品的可靠性。

Description

一种航天器轨控管路压强的安全管理方法
技术领域
随着航天技术的发展，现在的卫星、宇宙飞船、深空探测器等航天器推进系统大量采用了姿控和轨控统一供应系统，姿控发动机和轨控发动机共用增压气路和推进剂供应系统。航天器在轨飞行期间，为保证推进系统的密封可靠性，在稳定巡航飞行过程，轨控管理阀门保持关闭状态。在推进剂充填到轨控管路后，如果轨控管理阀门处于关闭状态，航天器轨控管路压强会随着轨控管路温度的变化而变化。
本发明涉及一种航天器轨控管路压强的安全管理方法，适用于姿控和轨控统一供应、姿控发动机和轨控发动机独立管理的航天器，在轨运行期间的轨控管路压强安全管理。
背景技术
现在航天器推进系统普遍采用了姿控和轨控统一供应系统，姿控发动机和轨控发动机共用增压气路和推进剂供应系统，简化了设计、节省了质量。姿控和轨控统一供应的航天器推进系统，在姿控发动机和轨控发动机的液路管理上存在两种方式：姿控、轨控独立管理(典型原理图见附图3)和姿控、轨控统一管理(典型原理图见附图4)。姿控、轨控独立管理方式设置独立的姿控管理阀门和轨控管理阀门，姿控、轨控统一管理方式设置姿控和轨控共用的管理阀门。采用姿控、轨控统一管理方式的航天器推进系统，液路管理阀门在飞行期间通常处于常开状态。采用姿控、轨控独立管理方式的航天器推进系统，姿控液路管理阀门在飞行期间通常处于常开状态，轨控管理阀门在非变轨期间通常处于常关状态。本发明适用于采用姿控、轨控独立管理方式的航天器推进系统，在轨飞行期间轨控管路压强的安全管理。
采用姿控和轨控统一供应、独立管理的航天器推进系统，为保证可靠密封，在非变轨期间主发动机上游的轨控管理阀门保持关闭状态。由于在巡航飞行过程中，太阳照射角度变化和主发动机工作后热反浸等影响因素，封闭的轨控管路压强会随温度变化而升高或下降。因为推进系统的组件和管路系统的承压能力都有适用范围，为使轨控管路压强在允许的安全范围内变化，需采取措施控制轨控管路压强爬升范围。
航天器推进系统采用的轨控管路压强控制方法主要有提高管路和组件的承压能力、设置自主泄压自锁阀、在液路系统设置气体缓冲器、地面指令开阀泄压、管路加热方法和自主泄压方法，以上方法各有优、缺点和适用范围。提高管路和组件承压能力的方法，简单、直接但需要比较大的资源。设置自主泄压自锁阀，需要研制具备自主泄压能力的自锁阀。在液路系统设置气体缓冲器，实现工艺复杂。地面指令开阀泄压，依赖测控弧段并占用飞控资源。管路加热方法需要设置独立加热回路，控温阈值难确定。自主泄压方法需要制定自主泄压策略，同时考虑软件故障影响。
国内航天器的轨控管路压强管理采用设置自主泄压自锁阀、地面指令开阀泄压或管路加热方法，本发明采用管路加热和软件自主泄压两种措施结合的方法。
发明内容
本发明的技术解决的问题是：克服现有技术的不足之处，采用给轨控管路加热降低轨控管路压强和软件自主泄压两种措施结合使用的方法来管理航天器轨控管路压强，既可靠控制轨控管路压强在安全范围内，也减少了轨控管理阀门的动作次数、提高了产品可靠性。
本发明的技术解决方案是：采用轨控管路加热和软件自主泄压两种措施结合使用的方法来管理航天器轨控管路压强，包括下列步骤：
(1)轨控管路设计独立加热回路并实施；
(2)制定轨控管路自主开阀泄压策略；
(3)轨控管路推进剂充填后或轨控发动机工作关机后，打开轨控管理阀门，对轨控管路实施加热；
(4)加热到设定温度后关闭加热器和轨控管理阀门；
(5)运行轨控管路自主泄压策略。
所述步骤(1)中轨控管路独立加热回路包括轨控氧化剂的管路和轨控燃料的管路，研制出加热回路后在轨控管路上包敷实施。
所述步骤(2)中制定轨控管路自主开阀泄压策略，包括氧化剂路轨控管路的开阀泄压策略和燃料路轨控管路的开阀泄压策略，轨控管理阀门打开60秒后关闭。
所述步骤(3)中轨控管路充填后或轨控发动机工作关机后，通过在轨控阀门打开状态下提高轨控管路的控温阈值，实现对轨控管路实施加热。
所述步骤(4)中轨控管路加热到设定温度后，向下调整轨控管路控温阈值，停止加热，然后关闭轨控管理阀门。
所述步骤(5)中在轨控管理阀门关闭后，当轨控氧化剂路或轨控燃料路的压强大于轨控管路压强设定值时，自主打开氧化剂路或燃料路的轨控管理阀门进行泄压操作。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)采用管路加热和软件自主泄压两种措施联合使用的方法管理轨控管路压强，用冗余方法对轨控管路压强进行安全控制，能够可靠控制轨控压强在安全范围内；
(2)本发明克服了地面开阀泄压方法占用大量飞控资源、对测控弧段依赖性强的缺点；
(3)本发明不改变推进系统的气液路系统硬件，只对轨控管路热控进行优化和增加自主泄压软件，占用资源最少。
(4)本发明减少了轨控管理阀门的开关动作次数，提高了产品可靠性。
附图说明
图1是本发明实现方法的流程图；
图2是本发明的航天器轨控管路加热回路示意图；
图3是姿控和轨控独立管理的典型航天器推进系统原理图；
图4是姿控和轨控统一管理的典型航天器推进系统原理图；
图5是一种探测器推进系统原理图。
具体实施方式
根据图1本方法的实现流程图所示，首先在航天器飞行前完成轨控管路独立加热回路的设计并实施到产品上，并制定轨控管路开阀自主泄压软件，完成航天器飞行过程轨控管路压力安全控制的地面准备工作。在航天器飞行过程，先对轨控管路实施加热，然后运行轨控管路自主泄压策略，采用两种方法联合使用来确保可靠对轨控管路压力安全管理。
实施例
一种航天探测器推进系统，采用双组元姿、轨控统一供应系统，姿控发动机和轨控发动机独立管理，系统原理如图5所示，由气瓶、贮箱、姿控自锁阀、轨控自锁阀、姿控发动机和轨控发动机等组件组成。该探测器实现轨控管路压强安全管理的步骤如下：
(1)分别为氧化剂轨控管路、燃料轨控管路设计独立的加热回路，通过地面试验证明加热回路设计满足要求，能够对轨控管路实施有效加热。
(2)制定轨控管路自主泄压软件，通过地面测试进行了有效性验证。自主泄压软件能够根据需要进行使能和禁止，飞行过程可按需使用。
(3)探测器飞行过程，在第一次变轨前、轨控管路推进剂充填后，在轨控自锁阀打开状态对轨控管路实施了加热。加热到设定温度35℃后停止加热，关闭轨控自锁阀，然后把轨控管路压强管理设置为轨控管路自主泄压模式。随着轨控管路温度降低，轨控管路压强逐渐下降，到近月制动前轨控氧化剂路和轨控燃料路压强维持低压状态，未超过安全压强，证明管路加热方法能够有效控制轨控管路压强，冗余的自主泄压程序未触发。
(4)近月制动过程，轨控发动机稳态工作后轨控自锁阀关闭。轨控发动机关闭后受发动机热反浸影响，管控管路温度升高，导致轨控管路压强逐渐增大，轨控氧化剂管路的压强上升到2.8MPa的设定压强后自主泄压软件自动执行了打开氧化剂路轨控自锁阀的泄压的操作，60秒后自动关闭氧化剂轨控自锁阀。之后再次打开轨控自锁阀，对轨控管路实施加热，加热到设定温度35℃后停止加热，关闭轨控自锁阀，然后把轨控管路压强管理设置为轨控管路自主泄压模式。随着轨控管路温度降低，轨控管路压强逐渐下降，到探测器着陆月面前轨控氧化剂路和轨控燃料路压强维持低压状态，未超过安全压强。近月制动后的轨控管路压强安全管理过程，证明管路加热方法能够有效控制轨控管路压强爬升，同时自主泄压程序在在轨控自锁阀关闭期间能够及时、准确的执行泄压操作。
(5)探测器软着陆到月面后，轨控发动机关机后轨控自锁阀关闭。随着热反浸导致的轨控管路温度上升，轨控管路压力也逐渐上升，当氧化剂路和燃料路的轨控管路压强升高到2.8MPa的设定压强后，自主泄压软件自动执行了一次氧化剂轨控自锁阀和燃料轨控自锁阀打开泄压操作。探测器着陆到月面执行了一次自主泄压后，推进系统进行了钝化排空剩余推进剂和增压气体，完成了推进系统全部工作。
该探测器的飞行过程，采用了本发明的轨控管路压强安全管理方法，全程轨控管路压强都控制在安全范围内，仅执行了两次开阀泄压操作，极大减少了阀门动作次数。采用本发明后，既解决了轨控压强安全控制问题，也节约了飞控资源，减少了阀门动作次数、提高了推进系统产品的可靠性。

Claims (7)

1.一种航天器轨控管路压强的安全管理方法，其特征在于包括下列步骤：
(1)轨控管路设计独立加热回路并实施；
(2)制定轨控管路自主开阀泄压策略；
(3)轨控管路推进剂充填后或轨控发动机工作关机后，打开轨控管理阀门，对轨控管路实施加热；
(4)加热到设定温度后关闭加热器和轨控管理阀门；
(5)运行轨控管路自主泄压策略。
2.根据权利要求1所述的航天器轨控管路压强的安全管理方法，其特征在于：所述步骤(1)中轨控管路独立加热回路包括轨控氧化剂路管路的独立加热回路和轨控燃料路管路的独立加热回路，加热回路包括加热器、温度传感器和包敷多层，加热回路示意图见附图2。
3.根据权利要求1所述的航天器轨控管路压强的安全管理方法，其特征在于：所述步骤(2)中制定轨控管路自主开阀泄压策略，包括轨控氧化剂路管路的开阀泄压策略和轨控燃料路管路的开阀泄压策略，开阀泄压的压强阈值选取轨控管路系统能够安全工作的最大压强。
4.根据权利要求1所述的航天器轨控管路压强的安全管理方法，其特征在于：所述步骤(3)中对轨控管路实施加热的时机包括轨控管路推进剂充填后和轨控发动机工作结束关机后。
5.根据权利要求1所述的航天器轨控管路压强的安全管理方法，其特征在于：所述步骤(3)中对轨控管路实施加热的状态是在轨控管理阀打开状态下进行，加热的设定温度取35℃和管路预示最高温度中的较大值。
6.根据权利要求1所述的航天器轨控管路压强的安全管理方法，其特征在于：所述步骤(4)中关闭加热器和轨控管理阀门的顺序是先关闭加热器、再关闭轨控管理阀门，关闭加热器的方法是向下调整轨控管路的控温阈值，关闭轨控管理阀门的方法是发送遥控关闭阀门指令。
7.根据权利要求1所述的航天器轨控管路压强的安全管理方法，其特征在于：所述步骤(5)中运行轨控管路自主泄压策略通过软件来自动执行，自主开阀泄压策略具有使能和禁止开关，能够根据需要关闭或运行。
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