CN111946490A - 基于电动泵的燃气增压姿轨控推进系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于电动泵的燃气增压姿轨控推进系统，包括基于电动泵的燃气发生器增压模块、氧化剂贮箱、燃料贮箱、轨控发动机、姿控发动机、电爆阀；基于电动泵的燃气发生器增压模块分别与氧化剂贮箱的进口、燃料贮箱的进口相连；氧化剂贮箱出口经过电爆阀后分别与轨控发动机、姿控发动机相连；燃料贮箱出口经过电爆阀后分别与轨控发动机、姿控发动机相连。本发明姿轨控推进系统中所需的增压气体由基于电动泵的燃气发生器增压模块提供，系统在未工作前可实现常压长期贮存，避免了高压气体长期贮存时存在的安全隐患及泄漏风险。

Description

基于电动泵的燃气增压姿轨控推进系统

技术领域

本发明涉及航天姿轨控动力系统领域，具体地，涉及一种基于电动泵的燃气增压姿轨控推进系统。

背景技术

姿轨控动力系统航天器的重要分系统之一，为航天器在飞行过程中的姿态控制、轨道转移、轨道保持、轨道修正、入轨、离轨和再入等提供控制力和控制力矩。

目前典型的姿轨控动力系统采用气体恒压挤压式增压系统，高压气体预先充填贮存在高压气瓶中，系统工作前通过电爆阀与下游隔离，电爆后高压气体经减压阀以恒定的压力为贮箱增压，完成发动机的推进剂供应。为提高航天器的快速响应要求，减少产品使用前准备时间，提出航天器产品的长期贮存要求和预包装要求，若采用目前的恒压挤压式增压系统，高压气瓶预包装存在带压贮存的安全风险，同时长期贮存(预包装长期贮存17年，甚至27年的要求)也对系统高压密封提出了严苛的要求。

为解决上述问题，提出燃气增压系统来代替高压气瓶为推进系统提供增压气体。但燃气增压系统中仍需要为燃气发生器供应一定压力的推进剂，仍需解决为推进剂进行增压的问题。

专利文献CN111120147A(申请号：201911284006.5)公开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

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于电动泵的燃气增压姿轨控推进系统。

根据本发明提供的一种基于电动泵的燃气增压姿轨控推进系统，包括基于电动泵的燃气发生器增压模块、氧化剂贮箱、燃料贮箱、轨控发动机、姿控发动机、电爆阀；

基于电动泵的燃气发生器增压模块分别与氧化剂贮箱的进口、燃料贮箱的进口相连；

氧化剂贮箱出口经过电爆阀后分别与轨控发动机、姿控发动机相连；

燃料贮箱出口经过电爆阀后分别与轨控发动机、姿控发动机相连。

优选地，所述基于电动泵的燃气发生器增压模块包括启动药盒、推进剂贮箱、电爆阀、电动泵、泄压阀、燃气发生器、压力传感器；

启动药盒、推进剂贮箱、电爆阀及电动泵依次相连；

泄压阀进口与电动泵出口连接，泄压阀出口与电动泵进口连接；

所述的电动泵出口与燃气发生器进口相连；

燃气发生器出口设置有压力传感器。

优选地，所述基于电动泵的燃气发生器增压模块产生的燃气为系统提供增压气体，通过压力传感器检测燃气压力，进行压力反馈，控制电动泵和燃气发生器的开机及关机，实现系统压力的闭环控制。

优选地，所述基于电动泵的燃气发生器增压模块产生的燃气通过管路与推进剂贮箱、氧化剂贮箱、燃料贮箱、轨控发动机电磁阀及姿控发动机电磁阀相连；

所述氧化剂贮箱、燃料贮箱通过管路与轨控发动机电磁阀、姿控发动机电磁阀连接。

优选地，所述的推进剂贮箱内为单组元推进剂，所述的氧化剂贮箱内为四氧化二氮，所述的燃料贮箱内为一甲基肼或偏二甲肼。

优选地，所述的泄压阀进口与电动泵出口连接，泄压阀的出口与电动泵的进口连接；当推进剂压力高于泄压阀打开压力时，泄压阀打开，当推进剂压力低于泄压阀关闭压力时，泄压阀关闭。

优选地，所述的启动药盒通电起爆产生燃气，燃气进入推进剂贮箱气腔，挤压推进剂，推进剂通过管路流入电动泵入口。

优选地，推进剂贮箱、氧化剂贮箱、燃料贮箱通过金属膜片将气腔、液腔进行隔离；

所述的贮箱气腔压力通过系统设置的压力传感器进行监测；

所述的推进剂贮箱、氧化剂贮箱以及燃料贮箱的下游设置电爆阀与下游进行隔离。

根据本发明提供的一种基于电动泵的燃气增压姿轨控推进系统的推进方法，其特征在于，当启动药盒起爆后产生的燃气进入推进剂贮箱，电爆阀通电起爆后，受挤压的推进剂进入电动泵，推进剂经电动泵增压后充填至燃气发生器的电磁阀入口，当燃气发生器的电磁阀接收控制指令开机工作时，推进剂进入燃气发生器的推力室内燃烧产生燃气；

产生的燃气分为四路进行充填：一路充填至氧化剂贮箱对氧化剂进行增压，一路充填至燃料贮箱对燃料进行增压，一路充填至推进剂贮箱对单组元推进剂进行增压，一路充填至轨控发动机电磁阀的控制阀气路、姿控发动机电磁阀的控制阀气路，系统完成建压；

通过压力传感器对电动泵出口推进剂压力进行监测，当推进剂压力高于泄压阀的打开压力时，泄压阀打开，推进剂泄压，当压力低于泄压阀的关闭压力时，泄压阀关闭；

通过压力传感器对燃气压力进行监测，当燃气压力达到系统设定值上限时，燃气发生器关机，当燃气压力达到系统设定值下限时，燃气发生器开机，通过燃气发生器的开机、关机将系统压力控制在一定值之间；

当轨控发动机的电磁阀或姿控发动机的电磁阀接收控制指令开机工作时，氧化剂、燃料进入轨控发动机推力室或姿控发动机推力室进行燃烧产生推力，提供系统航天器所需的控制力。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1)本发明姿轨控推进系统中所需的增压气体由基于电动泵的燃气发生器增压模块提供，系统在未工作前可实现常压长期贮存，避免了高压气体长期贮存时存在的安全隐患及泄漏风险。

2)本发明系统选用电动泵对燃气发生器所用的推进剂进行增压，实现系统自增压。

3)本发明通过在系统中设置电爆阀提高系统加注后长期贮存的安全性。

4)本发明通过在系统中设置压力传感器，通过压力反馈对电动泵及燃气发生器进行开关机控制，实现对系统压力的稳定控制。

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为本发明实施例基于电动泵的燃气增压姿轨控推进系统的原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。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。应当指出的是，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。

根据本发明提供的一种基于电动泵的燃气增压姿轨控推进系统，包括基于电动泵的燃气发生器增压模块、氧化剂贮箱、燃料贮箱、轨控发动机、姿控发动机、电爆阀；

基于电动泵的燃气发生器增压模块分别与氧化剂贮箱的进口、燃料贮箱的进口相连；

氧化剂贮箱出口经过电爆阀后分别与轨控发动机、姿控发动机相连；

燃料贮箱出口经过电爆阀后分别与轨控发动机、姿控发动机相连。

具体地，所述基于电动泵的燃气发生器增压模块包括启动药盒、推进剂贮箱、电爆阀、电动泵、泄压阀、燃气发生器、压力传感器；

启动药盒、推进剂贮箱、电爆阀及电动泵依次相连；

泄压阀进口与电动泵出口连接，泄压阀出口与电动泵进口连接；

所述的电动泵出口与燃气发生器进口相连；

燃气发生器出口设置有压力传感器。

具体地，所述基于电动泵的燃气发生器增压模块产生的燃气为系统提供增压气体，通过压力传感器检测燃气压力，进行压力反馈，控制电动泵和燃气发生器的开机及关机，实现系统压力的闭环控制。

具体地，所述基于电动泵的燃气发生器增压模块产生的燃气通过管路与推进剂贮箱、氧化剂贮箱、燃料贮箱、轨控发动机电磁阀及姿控发动机电磁阀相连；

所述氧化剂贮箱、燃料贮箱通过管路与轨控发动机电磁阀、姿控发动机电磁阀连接。

具体地，所述的推进剂贮箱内为单组元推进剂，所述的氧化剂贮箱内为四氧化二氮，所述的燃料贮箱内为一甲基肼或偏二甲肼。

具体地，所述的泄压阀进口与电动泵出口连接，泄压阀的出口与电动泵的进口连接；当推进剂压力高于泄压阀打开压力时，泄压阀打开，当推进剂压力低于泄压阀关闭压力时，泄压阀关闭。

具体地，所述的启动药盒通电起爆产生燃气，燃气进入推进剂贮箱气腔，挤压推进剂，推进剂通过管路流入电动泵入口。

具体地，推进剂贮箱、氧化剂贮箱、燃料贮箱通过金属膜片将气腔、液腔进行隔离；

所述的贮箱气腔压力通过系统设置的压力传感器进行监测；

所述的推进剂贮箱、氧化剂贮箱以及燃料贮箱的下游设置电爆阀与下游进行隔离。

根据本发明提供的一种基于电动泵的燃气增压姿轨控推进系统的推进方法，其特征在于，当启动药盒起爆后产生的燃气进入推进剂贮箱，电爆阀通电起爆后，受挤压的推进剂进入电动泵，推进剂经电动泵增压后充填至燃气发生器的电磁阀入口，当燃气发生器的电磁阀接收控制指令开机工作时，推进剂进入燃气发生器的推力室内燃烧产生燃气；

产生的燃气分为四路进行充填：一路充填至氧化剂贮箱对氧化剂进行增压，一路充填至燃料贮箱对燃料进行增压，一路充填至推进剂贮箱对单组元推进剂进行增压，一路充填至轨控发动机电磁阀的控制阀气路、姿控发动机电磁阀的控制阀气路，系统完成建压；

通过压力传感器对电动泵出口推进剂压力进行监测，当推进剂压力高于泄压阀的打开压力时，泄压阀打开，推进剂泄压，当压力低于泄压阀的关闭压力时，泄压阀关闭；

通过压力传感器对燃气压力进行监测，当燃气压力达到系统设定值上限时，燃气发生器关机，当燃气压力达到系统设定值下限时，燃气发生器开机，通过燃气发生器的开机、关机将系统压力控制在一定值之间；

当轨控发动机的电磁阀或姿控发动机的电磁阀接收控制指令开机工作时，氧化剂、燃料进入轨控发动机推力室或姿控发动机推力室进行燃烧产生推力，提供系统航天器所需的控制力。

下面通过优选例，对本发明进行更为具体地说明。

优选例1：

本发明的目的之一在于提供一种基于电动泵的燃气增压姿轨控推进系统，以解决现有推进系统中高压气瓶预包装后长期贮存及密封问题，解决系统中为燃气发生器供应带压推进剂的问题，本发明提出的推进系统可根据姿轨控发动机的工作情况，多次启动燃气发生器为系统供应压力稳定的挤压气体。本发明的目的之二在于提供一种基于电动泵的燃气增压姿轨控推进系统的使用方法。

本发明提供的基于电动泵的燃气增压姿轨控推进系统，包括基于电动泵的燃气发生器增压模块、氧化剂贮箱、燃料贮箱、轨控发动机、姿控发动机、压力传感器、电爆阀。所述的基于电动泵的燃气发生器增压模块包括启动药盒、推进剂贮箱、电爆阀、电动泵、泄压阀、燃气发生器、压力传感器。

基于电动泵的燃气发生器增压模块为下游氧化剂贮箱、燃料贮箱供应一定压力的气体用于挤压推进剂。

通过在电动泵出口设置泄压阀，若推进剂压力高于泄压阀的打开压力时，则泄压阀打开对推进剂进行泄压，若推进剂压力低于泄压阀的关闭压力时，则泄压阀关闭。

通过在燃气发生器前设置压力传感器，对进入燃气发生器的推进剂压力进行监测。

通过在燃气发生器出口设置压力传感器，对燃气发生器产生的燃气压力进行监测。

通过在推进剂贮箱出口、氧化剂贮箱出口、燃料贮箱出口设置电爆阀，将推进剂与下游进行隔离，确保贮箱加注推进剂后长期贮存的安全性。

本发明的通过以下技术方案实现，包括如下步骤：

1)系统工作时，基于电动泵的燃气发生器增压模块首先开始工作，启动药盒通电起爆，产生的燃气通过管路进入推进剂贮箱气腔通过金属膜片挤压推进剂，单组元推进剂通过管路进入电动泵入口，电动泵对推进剂增压，当下游燃气发生器控制阀接收指令打开时，经电动泵增压的推进剂进入燃气发生器产生一定压力的燃气。电动泵出口设置泄压阀，若推进剂压力高于泄压阀打开压力时，则泄压阀打开对推进剂进行泄压，待压力下降至泄压阀关闭压力时，则泄压阀关闭，通过设置泄压阀可以为燃气发生器提供压力稳定的推进剂。

2)燃气发生器出口的燃气可根据系统气体使用情况分为多路使用，本发明中分为四路，一路充填至下游氧化剂贮箱，一路充填至下游燃料贮箱，一路充填至姿、轨控发动机电磁阀气路，一路充填至燃气发生器上游的推进剂贮箱。

3)燃气充填氧化剂贮箱、燃料贮箱后，系统建压完成，贮箱下游电爆阀电爆后，氧化剂、燃料充填至姿、轨控发动电磁阀前，当发动机接收控制指令电磁阀打开，氧化剂、燃料进入发动机，发动机工作，产生推力。

4)根据系统所设置的压力传感器的压力反馈，可以控制电动泵开机、关机。

5)根据系统所设置的压力传感器的压力反馈，可以控制燃气发生器的开机、关机，从而维持系统工作时压力的稳定。

优选例2：

图1为本发明实施例提供的基于电动泵的燃气增压姿轨控推进系统的原理图。如图1所示，本发明提供的基于电动泵的燃气增压姿轨控推进系统，其中基于电动泵的燃气发生器增压模块为系统提供增压气体，氧化贮箱10、燃料贮箱11为推进剂贮存装置、轨控发动机19、姿控发动机18为系统推力输出装置。

所述的基于电动泵的燃气发生器增压模块包括启动药盒1、推进剂贮箱2、电爆阀3、泄压阀4、电动泵5、燃气发生器电磁阀6、燃气发生器推力室7、压力传感器8、压力传感器9；所述的推进剂贮箱2内加注单组元推进剂；所述的电爆阀3用于将贮箱2内的推进剂与下游进行隔离；所述泄压阀4进口与电动泵5出口连接，泄压阀4出口与电动泵5进口连接；所述的电动泵5出口与燃气发生器电磁阀6进口相连。

所述的燃气发生器推力室7出口与氧化剂贮箱10进口、燃料贮箱11进口、轨控发动机电磁阀16的气路、姿控发动机电磁阀14的气路、推进剂贮箱2进口相连。

所述的燃气发生器电磁阀6进口设置压力传感器8用于监测单组元推进剂压力。

所述的燃气发生器推力室7出口设置压力传感器9用于监测燃气压力。

所述的氧化剂贮箱10出口与轨控发动机电磁阀16的氧化剂路、姿控发动机电磁阀14的氧化剂路相连，中间设置电爆阀12与下游隔离。

所述的燃料贮箱11出口与轨控发动机电磁阀16的燃料路、姿控发动机电磁阀14的燃料路相连，中间设置电爆阀13与下游隔离。

本发明实施例提供的基于电动泵的燃气增压姿轨控推进系统的工作过程为：

当启动药盒1起爆后产生的燃气进入推进剂贮箱2，电爆阀3通电起爆后，受挤压的推进剂进入电动泵5，推进剂经电动泵5增压后充填至燃气发生器电磁阀6入口，当燃气发生器电磁阀6接收控制指令开机工作时，推进剂进入燃气发生器推力室7内燃烧产生燃气。产生的燃气分为四路进行充填，一路充填至氧化剂贮箱10对氧化剂进行增压，一路充填至燃料贮箱11对燃料进行增压，一路充填至推进剂贮箱2对单组元推进剂进行增压，一路充填至轨控发动机电磁阀16的控制阀气路、姿控发动机电磁阀14的控制阀气路，系统完成建压。

通过传感器8对电动泵5出口推进剂压力进行监测，当推进剂压力高于泄压阀4的打开压力时，泄压阀4打开，推进剂泄压，当压力低于泄压阀4的关闭压力时，泄压阀4关闭。

通过压力传感器9对燃气压力进行监测，当燃气压力达到系统设定值上限时，燃气发生器电磁阀6关机，当燃气压力达到系统设定值下限时，燃气发生器电磁阀6开机，通过燃气发生器电磁阀6的开机、关机将系统压力控制在一定值之间。

当轨控发动机电磁阀16或姿控发动机电磁阀14接收控制指令开机工作时，氧化剂、燃料进入轨控发动机推力室17或姿控发动机推力室15进行燃烧产生推力，提供系统航天器所需的控制力。

最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参考前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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，因此不能理解为对本申请的限制。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。

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 (9)

1.一种基于电动泵的燃气增压姿轨控推进系统，其特征在于，包括基于电动泵的燃气发生器增压模块、氧化剂贮箱、燃料贮箱、轨控发动机、姿控发动机、电爆阀；

基于电动泵的燃气发生器增压模块分别与氧化剂贮箱的进口、燃料贮箱的进口相连；

氧化剂贮箱出口经过电爆阀后分别与轨控发动机、姿控发动机相连；

燃料贮箱出口经过电爆阀后分别与轨控发动机、姿控发动机相连。

2.根据权利要求1所述的基于电动泵的燃气增压姿轨控推进系统，其特征在于，所述基于电动泵的燃气发生器增压模块包括启动药盒、推进剂贮箱、电爆阀、电动泵、泄压阀、燃气发生器、压力传感器；

启动药盒、推进剂贮箱、电爆阀及电动泵依次相连；

泄压阀进口与电动泵出口连接，泄压阀出口与电动泵进口连接；

所述的电动泵出口与燃气发生器进口相连；

燃气发生器出口设置有压力传感器。

3.根据权利要求2所述的基于电动泵的燃气增压姿轨控推进系统，其特征在于，所述基于电动泵的燃气发生器增压模块产生的燃气为系统提供增压气体，通过压力传感器检测燃气压力，进行压力反馈，控制电动泵和燃气发生器的开机及关机，实现系统压力的闭环控制。

4.根据权利要求1所述的基于电动泵的燃气增压姿轨控推进系统，其特征在于，所述基于电动泵的燃气发生器增压模块产生的燃气通过管路与推进剂贮箱、氧化剂贮箱、燃料贮箱、轨控发动机电磁阀及姿控发动机电磁阀相连；

所述氧化剂贮箱、燃料贮箱通过管路与轨控发动机电磁阀、姿控发动机电磁阀连接。

5.根据权利要求2所述的基于电动泵的燃气增压姿轨控推进系统，其特征在于，所述的推进剂贮箱内为单组元推进剂，所述的氧化剂贮箱内为四氧化二氮，所述的燃料贮箱内为一甲基肼或偏二甲肼。

6.根据权利要求2所述的基于电动泵的燃气增压姿轨控推进系统，其特征在于，所述的泄压阀进口与电动泵出口连接，泄压阀的出口与电动泵的进口连接；当推进剂压力高于泄压阀打开压力时，泄压阀打开，当推进剂压力低于泄压阀关闭压力时，泄压阀关闭。

7.根据权利要求2所述的基于电动泵的燃气增压姿轨控推进系统，其特征在于，所述的启动药盒通电起爆产生燃气，燃气进入推进剂贮箱气腔，挤压推进剂，推进剂通过管路流入电动泵入口。

8.根据权利要求2所述的基于电动泵的燃气增压姿轨控推进系统，其特征在于，推进剂贮箱、氧化剂贮箱、燃料贮箱通过金属膜片将气腔、液腔进行隔离；

所述的贮箱气腔压力通过系统设置的压力传感器进行监测；

所述的推进剂贮箱、氧化剂贮箱以及燃料贮箱的下游设置电爆阀与下游进行隔离。

9.根据权利要求1至8任一项所述的基于电动泵的燃气增压姿轨控推进系统的推进方法，其特征在于，当启动药盒起爆后产生的燃气进入推进剂贮箱，电爆阀通电起爆后，受挤压的推进剂进入电动泵，推进剂经电动泵增压后充填至燃气发生器的电磁阀入口，当燃气发生器的电磁阀接收控制指令开机工作时，推进剂进入燃气发生器的推力室内燃烧产生燃气；

产生的燃气分为四路进行充填：一路充填至氧化剂贮箱对氧化剂进行增压，一路充填至燃料贮箱对燃料进行增压，一路充填至推进剂贮箱对单组元推进剂进行增压，一路充填至轨控发动机电磁阀的控制阀气路、姿控发动机电磁阀的控制阀气路，系统完成建压；

通过压力传感器对电动泵出口推进剂压力进行监测，当推进剂压力高于泄压阀的打开压力时，泄压阀打开，推进剂泄压，当压力低于泄压阀的关闭压力时，泄压阀关闭；

通过压力传感器对燃气压力进行监测，当燃气压力达到系统设定值上限时，燃气发生器关机，当燃气压力达到系统设定值下限时，燃气发生器开机，通过燃气发生器的开机、关机将系统压力控制在一定值之间；

当轨控发动机的电磁阀或姿控发动机的电磁阀接收控制指令开机工作时，氧化剂、燃料进入轨控发动机推力室或姿控发动机推力室进行燃烧产生推力，提供系统航天器所需的控制力。

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