CN111120147A - 多级液体燃气增压系统及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多级液体燃气增压系统及其使用方法，属于航天姿轨控动力系统领域，包括燃气增压模块、燃气填充模块、发动机燃料贮箱；燃气增压模块包括依次相连的启动药盒、压力放大贮箱、第一流量控制器、第一燃气发生器、单向阀；燃气填充模块包括中间燃料贮箱、中间流量控制器、中间燃气发生器；系统开始运行时启动药盒电爆产生高压气体充入压力放大贮箱的气腔，液腔中的燃料流经第一流量控制器进入第一燃气发生器内产生燃气，部分通过单向阀流入压力放大贮箱的气腔中维持压力，另一部分流入中间燃料贮箱中，燃气填充模块依次递推，推动燃料向发动机燃料贮箱方向供给，本发明大大节省了燃气增压系统在航天姿轨控动力系统中的体积和重量。

Description

多级液体燃气增压系统及其使用方法

技术领域

本发明涉及航天姿轨控动力系统领域，具体涉及多级液体燃气增压系统及其使用方法。

背景技术

姿轨控动力系统是航天器的关键分系统之一，主要为各种航天器在飞行过程的姿态稳定和控制、轨道转移、轨道修正提供控制力和控制力矩，被广泛应用于卫星、飞船、导弹、运载火箭、深空探测器等重要的航天器中。具有响应快速、控制方便等特点。一般姿轨控动力系统的运作是由增压系统为燃料贮箱提供压力，推动燃料贮箱中的燃料以一定的压力进入姿轨控发动机控制阀中，当控制阀开启时进入发动机燃烧室进行反应，最终通过尾喷管喷出产生推力。由于姿轨控发动机体积和质量一般较小，因此整个姿轨控动力系统的主要质量和体积都集中在增压系统、燃料贮箱以及发动机上。

目前常规典型的姿轨控动力系统采用高压气体挤压式增压系统来推动燃料贮箱，完成整个姿轨控动力系统进行燃料供给，高压气体挤压式供应系统的原理如说明书附图图1所示，高压气路主要由气瓶、导管、多通、充气阀、电爆阀、高压传感器及相关支架等组成，对于整个系统尤其是弹用姿轨控系统来说，高压气体挤压式增压系统的气瓶占据着系统较大的质量和空间，同时由于气路中存在高压，对其的连接和密封也面临着严峻的可靠性考验。

有研究者想要通过液体燃气增压系统来代替高压气体挤压式增压系统，以降低姿轨控动力系统中发动机的燃气增压系统的质量，减少发动机的燃气增压系统的体积，如说明书附图图2所示液体燃气增压系统是利用可贮存的推进剂(肼类燃料)分解产生燃气对推进剂贮箱进行增压的系统。推进剂催化分解后生成的燃气大部分流向系统外部，对外部推进剂贮箱增压，而剩余的小部分燃气流回活塞式贮箱实现对单元推进剂的增压，从而保证系统连续循环地工作。这样，动力系统不再使用高压气瓶，增压介质以可存贮的液体形式存在，从而减轻动力系统的重量，减小结构尺寸及空间包络。

但是常规的单级液体燃气增压系统，尽管相较于高压气体挤压式增压系统其体积有了减小，但是系统中的压力放大贮箱为了能够产生足够多的面积差完成压力放大，其结构质量往往较大，导致整个燃气增压方案的质量相比于高压气体增压方案优化并不明显，甚至在某些情况下，其总重还会略高于高压气体挤压式增压系统；采用高压气体挤压式增压系统方案的姿轨控动力系统的总重为305kg，而采用常规的单级液体燃气增压系统方案的姿轨控动力系统的总重为306kg，。由于航天的运载量有限，推进系统每减少1kg，卫星就能增重1kg，6kg已经相当于一颗小卫星的重量，降低姿轨控动力系统中发动机的燃气增压系统的质量，减少发动机的燃气增压系统的体积具有非常重大的意义。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种降低增压系统质量的多级液体燃气增压系统，本发明的目的之二在于提供一种多级液体燃气增压系统的其使用方法。

本发明的目的之一是通过以下技术方案来实现的：一种多级液体燃气增压系统，包括依次设置的燃气增压模块、一个及以上的燃气填充模块，所述燃气增压模块的输出端与燃气填充模块的输入端通过管道相连接；所述燃气填充模块包括中间燃料贮箱、中间流量控制器、中间燃气发生器，所述中间燃料贮箱的进口为燃气填充模块的输入端，中间燃料贮箱的出口与中间流量控制器的进口相连接，中间流量控制器的出口与中间燃气发生器的进口相连接。

本发明进一步设置为，所述燃气增压模块包括依次相连的启动药盒、压力放大贮箱、第一流量控制器、第一燃气发生器；所述第一燃气发生器的出口与中间燃料贮箱的进口相连接，所述压力放大贮箱包括箱体、移动隔板，所述移动隔板将箱体分为气腔、液腔；所述启动药盒与压力放大贮箱的气腔的进口相连接，所述第一流量控制器的进口与压力放大贮箱的液腔出口相连接。

本发明进一步设置为，所述燃气增压模块还包括单向阀，所述单向阀一端与压力放大贮箱的气腔的进口通过管道相连接，其另一端与中间燃料贮箱的出口相连接，所述单向阀用于第一燃气发生器内气体向压力放大贮箱流动。

本发明进一步设置为，所述多级液体燃气增压系统还包括发动机燃料贮箱，所述一个及以上的燃气填充模块位于燃气增压模块与发动机燃料贮箱之间并依次连接。

本发明进一步设置为，所述发动机燃料贮箱设置有压力传感器。

本发明进一步设置为，发动机燃料贮箱包括推进剂贮箱和差动式贮箱。

本发明进一步设置为，所述推进剂贮箱和差动式贮箱的出口设置有一个及以上的轨控发动机和若干姿控发动机。

本发明进一步设置为，所述燃气填充模块的数量为2个并依次连接。

本发明进一步设置为，所述燃气填充模块的数量为3个并依次连接。

本发明的目的之二是通过以下技术方案来实现的：一种多级液体燃气增压系统的使用方法，包括如下步骤：

A、系统开始运行时启动药盒电爆产生高压气体充入压力放大贮箱的气腔内建立系统的初始压力，液腔中的燃料流经第一流量控制器以一定的压力流出并进入第一燃气发生器；

B、第一燃气发生器内产生燃气，一部分通过单向阀流入压力放大贮箱的气腔中维持压力，另一部分的气体流入中间燃料贮箱中推动其内部的燃料向中间流量控制器、中间燃气发生器方向供给；

C、中间燃气发生器内产生燃气向发动机燃料贮箱方向递推，并最终流入姿轨控动力系统中的发动机燃料贮箱，发动机燃料贮箱以设定压力向发动机燃料贮箱以设定压力向轨控发动机和/或姿控发动机供给燃料；

D、当发动机燃料贮箱的压力达到一定值，第一流量控制器、中间流量控制器关闭，压力稳定；当下游发动机工作时，发动机燃料贮箱的压力下降，第一流量控制器、中间流量控制器打开，继续给发动机燃料贮箱增压。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)通过设置燃气增压模块、一个及以上的燃气填充模块，减少姿轨控动力系统的总重为7kg，。由于航天的运载量有限，推进系统每减少1kg，卫星就能增重1kg，6kg就已经相当于一颗小卫星的重量，对降低姿轨控动力系统中发动机的燃气增压系统的质量，减少发动机的燃气增压系统的体积具有非常重大的意义；

(2)通过设置燃气增压模块、一个及以上的燃气填充模块，大大优化了燃气增压系统在航天姿轨控动力系统中的体积占比。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明对比例1的系统结构示意图；

图2是本发明对比例2的系统结构示意图；

图3是是本发明实施例1、实施例2和实施例3的系统结构示意图；

附图标记：1、中间燃料贮箱；2、中间流量控制器；3、中间燃气发生器；4、启动药盒；5、压力放大贮箱；6、气腔；7、液腔；8、第一流量控制器；9、第一燃气发生器；10、单向阀；11、发动机燃料贮箱。

具体实施方式

以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进，这些都属于本发明的保护范围。下面结合具体实施例对本发明进行详细说明：

实施例1：

如图3所示，一种多级液体燃气增压系统，包括依次设置的燃气增压模块、一个燃气填充模块、发动机燃料贮箱11，燃气增压模块的输出端与燃气填充模块的输入端通过管道相连接；发动机燃料贮箱11设置有压力传感器，发动机燃料贮箱11包括推进剂贮箱和差动式贮箱，推进剂贮箱和差动式贮箱的出口设置有一个及以上的轨控发动机和若干姿控发动机；

燃气增压模块包括依次相连的启动药盒4、压力放大贮箱5、第一流量控制器8、第一燃气发生器9；第一燃气发生器9的出口与中间燃料贮箱1的进口相连接，压力放大贮箱5包括箱体、移动隔板，移动隔板将箱体分为气腔6、液腔7；启动药盒4与压力放大贮箱5的气腔6的进口相连接，第一流量控制器8的进口与压力放大贮箱5的液腔7出口相连接。

燃气增压模块还包括单向阀10，单向阀10一端与压力放大贮箱5的气腔6的进口通过管道相连接，其另一端与中间燃料贮箱1的出口相连接，单向阀10用于第一燃气发生器9内气体向压力放大贮箱5流动。

燃气填充模块包括中间燃料贮箱1、中间流量控制器2、中间燃气发生器3，中间燃料贮箱1的进口为燃气填充模块的输入端，中间燃料贮箱1的出口与中间流量控制器2的进口相连接，中间流量控制器2的出口与中间燃气发生器3的进口相连接。

其使用方法，包括如下步骤：

A、系统开始运行时启动药盒4电爆产生高压气体充入压力放大贮箱5的气腔6内建立系统的初始压力，液腔7中的燃料流经第一流量控制器8以一定的压力流出并进入第一燃气发生器9；

B、第一燃气发生器9内产生燃气，一部分通过单向阀10流入压力放大贮箱5的气腔6中维持压力，另一部分的气体流入中间燃料贮箱1中推动其内部的燃料向中间流量控制器2、中间燃气发生器3方向供给；

C、中间燃气发生器3内产生燃气向发动机燃料贮箱11方向递推，并最终流入姿轨控动力系统中的发动机燃料贮箱11，发动机燃料贮箱11以设定压力向发动机燃料贮箱11以设定压力向轨控发动机和/或姿控发动机供给燃料；

D、当发动机燃料贮箱11的压力达到一定值，第一流量控制器8、中间流量控制器2关闭，压力稳定；当下游发动机工作时，发动机燃料贮箱11的压力下降，第一流量控制器8、中间流量控制器2打开，继续给发动机燃料贮箱11增压。

装载该多级液体燃气增压系统的轨姿控动力系统的质量为299kg，体积为6.5L，其体积、质量相对于对比例1的技术方案考虑到成本性价比最高。

实施例2：

如图3所示，一种多级液体燃气增压系统，与实施例1的区别之处在于，燃气增压模块与发动机燃料贮箱11之间依次串联设置有两个燃气填充模块。装载该多级液体燃气增压系统的轨姿控动力系统的质量为298kg，体积为6L。

实施例3：

如图3所示，一种多级液体燃气增压系统，与实施例1的区别之处在于，燃气增压模块与发动机燃料贮箱11之间依次串联设置有三个燃气填充模块。对于具有大推进剂量需求的姿轨控动力系统则可以利用更多级的燃气填充装置通过体积放大的关系最终完成对推进剂贮箱的增压。

对比例1：

如图1所示，一种高压气体挤压式增压系统，高压气路主要由气瓶、导管、多通、充气阀、电爆阀、高压传感器及相关支架等组成，对于整个系统尤其是弹用姿轨控系统来说，高压气体挤压式增压系统的气瓶占据着系统较大的质量和空间，同时由于气路中存在高压，对其的连接和密封也面临着严峻的可靠性考验。装载该高压气体挤压式增压系统的轨姿控动力系统的质量为305kg，体积为44L。

对比例2：

如图2所示，一种单级液体燃气增压系统，包括启动药盒、压力放大贮箱、流量控制器、燃气发生器、单向阀，单级液体燃气增压系统工作时，药盒起爆产生燃气推动差动贮箱活塞，燃料通过流量控制器进入燃气发生器，燃料经过催化分解产生高温高压燃气，一路进入下游推进剂贮箱，另一路通过单向阀进入差动式贮箱继续增压，当下游推进剂贮箱压力达到一定值，流量控制器关闭，压力稳定；当下游发动机工作时，推进剂贮箱压力下降，流量控制器打开，继续给推进剂贮箱和差动式贮箱增压。装载该单级液体燃气增压系统的轨姿控动力系统的质量为306kg，体积为12L。

综上所述，本发明的多级液体燃气增压系统相比于单级液体燃气增压系统其增加了更多的部件，尤其是增加了多级的燃气填充模块，但是实际上在增压及填充效果相同的前提下多级液体燃气增压系统的压力放大贮箱要小的多，这是由于单级燃气增压系统的压力放大贮箱中的燃料要在保证压力的情况下产生足够体积的气体去填充连接发动机的大容积的燃料贮箱，需因而要将压力放大贮箱做的很大。但是如果将增压系统变为多级，由于一级增压装置中液体燃料分解产生的用于填充下一级的燃料贮箱的物质的状态是气态，因此每一级间都存在体积放大关系。将二级燃气增压系统和一级进行对比，二级燃气增压系统中第一级燃气的总量和流量需求很小，因此第一级的流量控制器、燃气发生器和压力放大贮箱尺寸和重量都很小，其压力放大贮箱的体积为一级燃气增压系统中压力放大贮箱的5％；由于对下游推进剂贮箱增压的燃气总量是一定的，二级燃气增压系统中燃料贮箱的燃料装填量和一级燃气增压系统中压力放大贮箱相当，但体积为单级燃气增压系统中压力放大贮箱的50％。而对于燃气增压系统来说，其主要体积和质量均集中在各类贮箱上，因此从总的空间体积上看，两级燃气增压系统的体积仅为单级燃气增压系统的一半。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种多级液体燃气增压系统，其特征在于，包括依次设置的燃气增压模块、一个及以上的燃气填充模块，所述燃气增压模块的输出端与燃气填充模块的输入端通过管道相连接；

所述燃气填充模块包括中间燃料贮箱(1)、中间流量控制器(2)、中间燃气发生器(3)，所述中间燃料贮箱(1)的进口为燃气填充模块的输入端，中间燃料贮箱(1)的出口与中间流量控制器(2)的进口相连接，中间流量控制器(2)的出口与中间燃气发生器(3)的进口相连接。

2.根据权利要求1所述的多级液体燃气增压系统，其特征在于，所述燃气增压模块包括依次相连的启动药盒(4)、压力放大贮箱(5)、第一流量控制器(8)、第一燃气发生器(9)；

所述第一燃气发生器(9)的出口与中间燃料贮箱(1)的进口相连接，所述压力放大贮箱(5)包括箱体、移动隔板，所述移动隔板将箱体分为气腔(6)、液腔(7)；

所述启动药盒(4)与压力放大贮箱(5)的气腔(6)的进口相连接，所述第一流量控制器(8)的进口与压力放大贮箱(5)的液腔(7)出口相连接，压力放大贮箱的工作原理是利用面积差放大压力。

3.根据权利要求2所述的多级液体燃气增压系统，其特征在于，所述燃气增压模块还包括单向阀(10)，所述单向阀(10)一端与压力放大贮箱(5)的气腔(6)的进口通过管道相连接，其另一端与中间燃料贮箱(1)的出口相连接，所述单向阀(10)用于第一燃气发生器(9)内气体向压力放大贮箱(5)流动。

4.根据权利要求1所述的多级液体燃气增压系统，其特征在于，所述多级液体燃气增压系统还包括发动机燃料贮箱(11)，所述一个及以上的燃气填充模块位于燃气增压模块与发动机燃料贮箱(11)之间并依次连接。

5.根据权利要求4所述的多级液体燃气增压系统，其特征在于，所述发动机燃料贮箱(11)设置有压力传感器。

6.根据权利要求4所述的多级液体燃气增压系统，其特征在于，发动机燃料贮箱(11)包括推进剂贮箱和差动式贮箱。

7.根据权利要求6所述的多级液体燃气增压系统，其特征在于，所述推进剂贮箱和差动式贮箱的出口设置有一个及以上轨控发动机和若干姿控发动机。

8.根据权利要求1所述的多级液体燃气增压系统，其特征在于，所述燃气填充模块的数量为2个并依次连接。

9.根据权利要求1所述的多级液体燃气增压系统，其特征在于，所述燃气填充模块的数量为3个并依次连接。

10.一种根据权利要求1-9中任一所述的多级液体燃气增压系统的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

A、系统开始运行时启动药盒(4)电爆产生高压气体充入压力放大贮箱(5)的气腔(6)内建立系统的初始压力，液腔(7)中的燃料流经第一流量控制器(8)以一定的压力流出并进入第一燃气发生器(9)；

B、第一燃气发生器(9)内产生燃气，一部分通过单向阀(10)流入压力放大贮箱(5)的气腔(6)中维持压力，另一部分的气体流入中间燃料贮箱(1)中推动其内部的燃料向中间流量控制器(2)、中间燃气发生器(3)方向供给；

C、中间燃气发生器(3)内产生燃气向发动机燃料贮箱(11)方向递推，并最终流入姿轨控动力系统中的发动机燃料贮箱(11)，发动机燃料贮箱(11)以设定压力向发动机燃料贮箱(11)以设定压力向轨控发动机和/或姿控发动机供给燃料；

D、当发动机燃料贮箱(11)的压力达到一定值，第一流量控制器(8)、中间流量控制器(2)关闭，压力稳定；当下游发动机工作时，发动机燃料贮箱(11)的压力下降，第一流量控制器(8)、中间流量控制器(2)打开，继续给发动机燃料贮箱(11)增压。

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