CN112224449A - 蓄能式推进剂贮箱 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种蓄能式推进剂贮箱，包括承压壳体、隔离导向筒、可移动气液隔膜、液路接嘴、气路接嘴、贮液管理腔和贮气蓄能腔。其中，隔离导向筒设置在承压壳体的内腔体内；当蓄能式推进剂贮箱进行加注时，通过液路接嘴向贮液管理腔内充入液体推进剂，促使可移动气液隔膜向贮气蓄能腔移动，进而减小贮气蓄能腔的体积，对从气路接嘴充入的气体增压蓄能；当蓄能式推进剂贮箱进行排放时，通过利用贮气蓄能腔存储的气体增压蓄能促使可移动气液隔膜向贮液管理腔移动，挤压贮液管理腔的液体推进剂从液路接嘴排出。本发明集成了目前现有推进剂供应系统中的高压气瓶、减压器和推进剂贮箱功能，使结构系统复杂性降低，可显著提高系统可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及飞行器液体推进系统，具体地，涉及一种蓄能式推进剂贮箱，尤其涉及一种同时满足气体增压和推进剂贮存及管理的蓄能式推进剂贮箱。
背景技术
液体推进系统由于比冲高、能多次启动、推力可调节和适应性强等特点，在空间推进系统中占主导地位。其被广泛应用于各类飞行器(空间飞行器、空间站、探测器等)的轨道转移、精准定位、阻力补偿、末速修正、位置保持、姿态控制、离轨处理和交会对接，以及星际航行和深空探测等任务。为了更好地适应航天技术未来的发展需求，研制性能和可靠性更高、寿命更长和成本更低的新型空间液体推进系统势在必行。
目前，空间液体推进系统主要由推进剂供应系统及发动机组成。其中，推进剂供应系统无论是空间上还是在重量上均占空间液体推进系统的很大比例。其方案选择和涉及对飞行器优化结构布局、提高空间利用率、降低结构质量具有重要意义。
现有空间推进系统大多采用挤压式推进剂供应系统。挤压式系统又包括恒压式和落压式。落压式推进剂供应系统通常用于辅助推进系统中，一般由推进剂贮箱、充气/放气阀、加注/泄出阀、过滤器和传感器构成。由于其增压气体直接充填至推进剂贮箱内，系统简单。但由于贮箱气垫容积比高达30％-60％，如需携带更多的推进剂，则推进剂贮箱容积需求更大，重量也较重。恒压式推进剂供应系统通常用于空间主发动机，其在落压式系统基础上还包含单独的气体增压模块(高压气瓶、减压器等)，该结构比较复杂、占用空间大、安装维护不便，可靠性低。
此外，随着在轨服务技术的发展，为延长航天器的工作寿命，提高其多次机动能力，需要实施推进剂在轨补加。目前，主要工程应用的是基于膜盒贮箱和增压气体回收的补加技术。其主要原理是携带了推进剂的补加飞行器与目标飞行器对接后，目前飞行器通过自身携带的压气机为膜盒贮箱建立低气压环境，利用压力差将补加飞行器携带的推进剂输送至目标飞行器膜盒贮箱中。该技术中，压气机作为必不可少的部件，不仅研制技术难度大，同时增加飞行器重量，对火箭运载能力提出更高要求。
经过检索，专利文献CN109204887A公开了一种航空航天用推进剂贮箱，包括：贮箱壳体；第一膜片，第一膜片与贮箱壳体的内壁形成第一容纳空间；第二膜片，第二膜片与贮箱壳体的内壁形成第二容纳空间，第二膜片与第一膜片形成密闭的气体压缩空间；与第一容纳空间连通的第一液路接嘴；与第二容纳空间连通的第二液路接嘴；以及与气体压缩空间连通的气路接嘴，气路接嘴向气体压缩空间通入压缩气体时，第一膜片和第二膜片可发生形变并分别压缩第一容纳空间和第二容纳空间。该现有技术的不足之处在于虽然结构简单，但是占用空间大，承压高，对于膜片的使用寿命有所降低。
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蓄能式推进剂贮箱，较大程度上弥补了传统推进剂供应系统和推进剂在轨补加技术的不足，具有结构简单、占用空间小、重量轻、安装维护较为便捷、成本低、可靠性高等特点，非常适合空间有限、布局紧凑、结构质量要求苛刻、具备推进剂在轨补加功能的飞行器，是现有推进剂供应系统和推进剂在轨补加方案的有益补充。
根据本发明提供的一种蓄能式推进剂贮箱，包括：承压壳体、隔离导向筒、可移动气液隔膜、液路接嘴、气路接嘴、贮液管理腔和贮气蓄能腔，
其中，隔离导向筒设置在承压壳体的内腔体内，承压壳体的一端设置有液路接嘴，另一端设置有气路接嘴；可移动气液隔膜内嵌密封连接在隔离导向筒内，隔离导向筒通过可移动气液隔膜分为贮液管理腔和贮气蓄能腔；
当蓄能式推进剂贮箱进行加注时，通过液路接嘴向贮液管理腔内充入液体推进剂，促使可移动气液隔膜向贮气蓄能腔移动，进而减小贮气蓄能腔的体积，对从气路接嘴充入的气体增压蓄能；
当蓄能式推进剂贮箱进行排放时，通过利用贮气蓄能腔存储的气体增压蓄能促使可移动气液隔膜向贮液管理腔移动，挤压贮液管理腔的液体推进剂从液路接嘴排出。
优选地，承压壳体包括液端封头和气端封头，液端封头设置在液路接嘴一侧，液端封头设置在气路接嘴一侧，承压壳体采用全金属材料结构或金属内衬与纤维缠绕层的复合结构。
优选地，隔离导向筒一端与液端封头密封连接，隔离导向筒的内壁面和可移动气液隔膜的液端壁面构成贮液管理腔；隔离导向筒另一端与气端封头密封连接；密封连接方式包括密封圈密封、焊接密封或者胶接密封。
优选地，贮气蓄能腔包括内气腔和环形腔，承压壳体还包括圆柱段，隔离导向筒的内壁面与可移动气液隔膜的气端壁面构成内气腔；
圆柱段的内壁面与隔离导向筒的外壁面构成环形腔。
优选地，还包括连通口，连通口设置在隔离导向筒的气端附近，连通口与环形腔相连通。
优选地，连通口的形式包括孔状或夹缝状。
优选地，液端封头和气端封头的封头结构包括半球形封头结构、椭球形封头结构、锥形封头结构或者平封头结构。
优选地，可移动气液隔膜为活塞式结构，与隔离导向筒的内壁面径向密封连接。
优选地，可移动气液隔膜为膜盒结构，在隔离导向筒的气端侧与隔离导向筒焊接连接。
优选地，隔离导向筒与可移动气液隔膜采用与液体推进剂相容的材料。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明集成了现有推进剂供应系统中的高压气瓶、减压器和推进剂贮箱功能，使系统复杂性降低，可显著提高系统可靠性。
2、本发明相较于现有推进剂供应系统，重量和安装空间优势明显。考虑到取消高压气瓶和连接管路以及本贮箱结构和材料易于轻量化，系统重量可减少30～40％，安装空间占比可降低20～30％。同时安装维护较为方便。
3、本发明可用于实现推进剂在轨补加，同时通过设置贮气蓄能腔，有效避免了额外携带压气机为膜盒贮箱建立低气压环境，从而有效降低飞行器重量，减轻对火箭运载能力的苛刻要求。
4、本发明通过设置贮气蓄能腔，有效解决了目前恒压式推进剂供应系统中对贮箱充气增压瞬间会对气液隔膜造成巨大冲击的影响。
5、本发明通过设置隔离导向筒，使得隔离导向筒结构内外始终保持压力平衡状态，有效避免了具有类似结构的活塞式贮箱外壳因受压变形造成密封失效盒活塞卡滞的问题。
6、本发明充分利用了活塞式贮箱或者膜盒式贮箱的气端侧无效容积进行气体增压蓄能，提高贮箱容积有效利用率。
7、本发明充分继承了活塞式贮箱及膜盒式贮箱多次加注和排放、晃动小、质心稳定性好、排放效率高、精准测量推进剂剩余量等特点。
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为本发明提供的蓄能式推进剂贮箱的整体结构示意图；
图2为本发明提供的蓄能式推进剂贮箱的第一工作状态示意图；
图3为本发明提供的蓄能式推进剂贮箱的第二工作状态示意图。
图中：
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。
如图1所示，根据本发明提供的一种蓄能式推进剂贮箱，包括承压壳体1、隔离导向筒2、可移动气液隔膜3、液路接嘴4、气路接嘴5、贮液管理腔6和贮气蓄能腔7，
其中，隔离导向筒2设置在承压壳体1的内腔体内，承压壳体1的一端设置有液路接嘴4，另一端设置有气路接嘴5；可移动气液隔膜3内嵌密封连接在隔离导向筒2内，隔离导向筒2通过可移动气液隔膜3分为贮液管理腔6和贮气蓄能腔7。
进一步来说，承压壳体1包括液端封头11、气端封头12和圆柱段13，贮气蓄能腔7包括内气腔71和环形腔72；隔离导向筒2的一端与承压壳体1上的液端封头11密封连接，隔离导向筒2的内壁面和可移动气液隔膜3的液端壁面构成贮液管理腔6；隔离导向筒2的另一端与承压壳体1上的气端封头12连接，隔离导向筒2的内壁面与可移动气液隔膜3的气端壁面构成内气腔71，同时通过设置在隔离导向筒2气端附近的连通口21与由承压壳体1的圆柱段13的内壁面和隔离导向筒2外壁面构成的环形腔72连通；内气腔71和环形腔72一起构成贮气蓄能腔7；液路接嘴4与贮液管理腔6连通，气路接嘴5与贮气蓄能腔7连通。
更进一步来说，当蓄能式推进剂贮箱进行加注时，通过液路接嘴4向贮液管理腔6内充入液体推进剂，促使可移动气液隔膜3向贮气蓄能腔6移动，进而减小贮气蓄能腔6的体积，对从气路接嘴5充入的气体增压蓄能；
当蓄能式推进剂贮箱进行排放时，通过利用贮气蓄能腔7存储的气体增压蓄能促使可移动气液隔膜3向贮液管理腔6移动，挤压贮液管理腔6的液体推进剂从液路接嘴4排出。
本发明涉及的推进剂贮箱，其有益效果在于：本贮箱结构集成了现有推进剂供应系统中的高压气瓶、减压器和推进剂贮箱功能，使系统复杂性降低，可显著提高系统可靠性；本贮箱考虑到取消高压气瓶和连接管路以及本贮箱结构和材料易于轻量化，系统重量可减少30～40％，安装空间占比可降低20～30％，同时安装维护较为方便；本贮箱可用于推进剂在轨补加，同时通过设置及贮气蓄能腔，有效避免了额外携带压气机，从而降低飞行器重量，减轻对火箭运载能力的苛刻要求；本贮箱结构由于贮气蓄能腔的存在，有效解决了目前恒压式推进剂供应系统中对贮箱充气增压瞬间对气液隔膜的冲击影响；本贮箱内壳体结构内外始终保持压力平衡状态，有效避免了目前活塞式贮箱外壳因受压变形造成的密封失效和活塞卡滞；本贮箱结构充分利用了活塞式贮箱及膜盒式贮箱的气腔无效容积进行气体增压蓄能，提高贮箱容积有效利用率；本贮箱结构充分继承了活塞式贮箱及膜盒式贮箱多次加注和排放、晃动小、质心稳定性好、排放效率高、精准测量推进剂剩余量等特点。
本发明的变化例一，作进一步说明。
如图2所示，根据本发明提供的一种蓄能式推进剂贮箱，包括隔离导向筒2设置在承压壳体1的内腔体内，承压壳体1的一端设置有液路接嘴4，另一端设置有气路接嘴5；可移动气液隔膜3内嵌密封连接在隔离导向筒2内，隔离导向筒2通过可移动气液隔膜3分为贮液管理腔6和贮气蓄能腔7。隔离导向筒2的一端与承压壳体1上的液端封头11密封连接，隔离导向筒2的内壁面和可移动气液隔膜3的液端壁面构成贮液管理腔6；隔离导向筒2的另一端与承压壳体1上的气端封头12连接，隔离导向筒2的内壁面与可移动气液隔膜3的气端壁面构成内气腔71，同时通过设置在隔离导向筒2气端附近的连通口21与由承压壳体1的圆柱段13的内壁面和隔离导向筒2外壁面构成的环形腔72连通；内气腔71和环形腔72一起构成贮气蓄能腔7；液路接嘴4与贮液管理腔6连通，气路接嘴5与贮气蓄能腔7连通。
在变化例一中，承压壳体1采用全金属材料结构。
在变化例一中，隔离导向筒2和可移动气液隔膜3采用与贮存液体相容的薄壁金属制成。
在变化例一中，液端封头11和气端封头12为椭球形封头结构。
在变化例一中，隔离导向筒2与承压壳体1上的液端封头11密封连接方式为焊接密封。
在变化例一中，隔离导向筒2气端附近的连通口21形式为沿环向均布的孔。
在变化例一中，可移动气液隔膜3为活塞式结构，与隔离导向筒2内壁面径向密封。
在变化例一中，液端接嘴4与气端接嘴5分别与液端封头11和气端封头12为一体成型结构。
在变化例一种，当蓄能式推进剂贮箱进行加注时，通过液路接嘴4向贮液管理腔6内充入液体推进剂，促使可移动气液隔膜3向贮气蓄能腔6移动，进而减小贮气蓄能腔6的体积，对从气路接嘴5充入的气体增压蓄能；
当蓄能式推进剂贮箱进行排放时，通过利用贮气蓄能腔7存储的气体增压蓄能促使可移动气液隔膜3向贮液管理腔6移动，挤压贮液管理腔6的液体推进剂从液路接嘴4排出。
本发明的变化例二，作进一步说明。
如图3所示，本发明提供的一种蓄能式推进剂贮箱，与变化例一的不同之处在于：
隔离导向筒2和可移动气液隔膜3采用与液体推进剂相容的复合材料制成；隔离导向筒2与承压壳体1上的液端封头11密封连接方式为胶接密封。隔离导向筒2的气端附近的连通口21形式为环形夹缝；可移动气液隔膜3为膜盒结构，在气端与隔离导向筒2焊接连接；液端接嘴4与气端接嘴5分别与液端封头11和气端封头12为焊接结构。
本发明的变化例三，作进一步说明。
变化例三是基于变化例一或者变化例二的一种改进方式，承压壳体1采用金属内衬和纤维缠绕层的复合结构，金属内衬的结构形式和尺寸除壁厚外与变化例一或变化例二红的承压壳体相同，复合材料层设置于金属内衬的外壁面。
本发明的变化例四，作进一步说明。
变化例四是基于变化例一或者变化例二的一种改进方式，承压壳体1的液端封头11和气端封头12采用半球形封头结构、锥形封头结构或平封头结构中的一种。
工作原理：
当蓄能式推进剂贮箱进行加注时，通过液路接嘴4向贮液管理腔6内充入液体推进剂，促使可移动气液隔膜3向贮气蓄能腔6移动，进而减小贮气蓄能腔6的体积，对从气路接嘴5充入的气体增压蓄能；
当蓄能式推进剂贮箱进行排放时，通过利用贮气蓄能腔7存储的气体增压蓄能促使可移动气液隔膜3向贮液管理腔6移动，挤压贮液管理腔6的液体推进剂从液路接嘴4排出。
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)
1.一种蓄能式推进剂贮箱，其特征在于，包括：承压壳体(1)、隔离导向筒(2)、可移动气液隔膜(3)、液路接嘴(4)、气路接嘴(5)、贮液管理腔(6)和贮气蓄能腔(7)，
所述隔离导向筒(2)设置在所述承压壳体(1)的内腔体内，所述承压壳体(1)的一端设置有液路接嘴(4)，另一端设置有气路接嘴(5)；
所述可移动气液隔膜(3)内嵌密封连接在所述隔离导向筒(2)内，所述隔离导向筒(2)通过所述可移动气液隔膜(3)分为贮液管理腔(6)和贮气蓄能腔(7)；
当蓄能式推进剂贮箱进行加注时，通过液路接嘴(4)向贮液管理腔(6)内充入液体推进剂，促使可移动气液隔膜(3)向所述贮气蓄能腔(7)移动，进而减小贮气蓄能腔(7)的体积，对从气路接嘴(5)充入的气体增压蓄能；
当蓄能式推进剂贮箱进行排放时，通过利用所述贮气蓄能腔(7)存储的气体增压蓄能促使可移动气液隔膜(3)向所述贮液管理腔(6)移动，挤压贮液管理腔(6)的液体推进剂从液路接嘴(4)排出。
2.根据权利要求1所述的一种蓄能式推进剂贮箱，其特征在于，所述承压壳体(1)包括液端封头(11)和气端封头(12)，所述液端封头(11)设置在液路接嘴(4)一侧，所述液端封头(12)设置在气路接嘴(5)一侧。
3.根据权利要求2所述的一种蓄能式推进剂贮箱，其特征在于，所述隔离导向筒(2)一端与液端封头(11)密封连接，所述隔离导向筒(2)的内壁面和可移动气液隔膜(3)的液端壁面构成贮液管理腔(6)；所述隔离导向筒(2)另一端与气端封头(12)密封连接。
4.根据权利要求1所述的一种蓄能式推进剂贮箱，其特征在于，所述贮气蓄能腔(7)包括内气腔(71)和环形腔(72)，所述承压壳体(1)还包括圆柱段(13)；
所述隔离导向筒(2)的内壁面与所述可移动气液隔膜(3)的气端壁面构成内气腔(71)；
所述圆柱段(13)的内壁面与所述隔离导向筒(2)的外壁面构成环形腔(72)。
5.根据权利要求4所述的一种蓄能式推进剂贮箱，其特征在于，还包括连通口(21)；所述连通口(21)设置在所述隔离导向筒(2)的气端附近，所述连通口(21)与所述环形腔(72)相连通。
6.根据权利要求5所述的蓄能式推进剂贮箱，其特征在于，所述连通口(21)的形式包括孔状或夹缝状。
7.根据权利要求2所述的蓄能式推进剂贮箱，其特征在于，所述液端封头(11)和气端封头(12)的封头结构包括半球形封头结构、椭球形封头结构、锥形封头结构或者平封头结构。
8.根据权利要求1所述的蓄能式推进剂贮箱，其特征在于，所述可移动气液隔膜(3)为活塞式结构，与隔离导向筒(2)的内壁面径向密封连接。
9.根据权利要求1所述的蓄能式推进剂贮箱，其特征在于，所述可移动气液隔膜(3)为膜盒结构，在隔离导向筒(2)的气端侧与隔离导向筒(2)焊接或胶接连接。
10.根据权利要求1所述的蓄能式推进剂贮箱，其特征在于，所述隔离导向筒(2)与可移动气液隔膜(3)采用与液体推进剂相容的材料。
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