CN112983679B - 运载火箭上面级推进系统及运载火箭 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种运载火箭上面级推进系统及运载火箭，其中系统包括：增压装置的出口端分别与推进剂贮箱的进气端、上面级轨控发动机的控制气入口端和基础级控制气分离接头的入口端连接；推进剂贮箱的出液端分别与上面级轨控发动机的推进剂入口端、上面级姿控发动机的推进剂入口端和基础级推进剂分离接头的入口端连接；基础级控制气分离接头的出口端与基础级姿控发动机的控制气入口端连接；基础级推进剂分离接头的出口端与基础级姿控发动机的推进剂入口端连接。本发明提供的运载火箭上面级推进系统及运载火箭，降低了上面级的重量，显著地提高了运载火箭的运载能力，减少了连接组件，提高了运载火箭的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及航空航天动力技术领域，尤其涉及一种运载火箭上面级推进系统及运载火箭。
背景技术
运载火箭上面级一般是在基础级运载火箭上面增加相对独立的一级或多级。上面级能够实现将有效载荷（例如卫星）从某个转移轨道，送入预定工作轨道或预定空间位置，是具有自主独立性的航天运输飞行器。例如，从低轨道到同步转移轨道、地球同步轨道、太阳同步轨道等各种轨道的有效载荷运送，并成为在轨机动、航天器返回地球等航天活动的主角。
现有的运载火箭的姿控动力部分和轨控动力部分均采用独立设计，整个动力系统的结构质量较大，从而降低了运载火箭的运载能力。此外，姿控动力部分和轨控动力部分均安装在上面级，用于运载火箭基础级的姿控动力部分，在后续上面级飞行过程中一直作为无用质量伴随其飞行，进一步降低了运载火箭的运载能力。
发明内容
本发明提供一种运载火箭上面级推进系统及运载火箭，用以解决运载火箭的运载能力差的问题。
本发明提供一种运载火箭上面级推进系统，包括增压装置、推进剂贮箱、上面级姿控发动机、上面级轨控发动机、基础级控制气分离接头和基础级推进剂分离接头；
所述增压装置的出口端分别与所述推进剂贮箱的进气端、所述上面级轨控发动机的控制气入口端和所述基础级控制气分离接头的入口端连接；
所述推进剂贮箱的出液端分别与所述上面级轨控发动机的推进剂入口端、所述上面级姿控发动机的推进剂入口端和所述基础级推进剂分离接头的入口端连接；
所述基础级控制气分离接头的出口端与所述基础级姿控发动机的控制气入口端连接；所述基础级推进剂分离接头的出口端与所述基础级姿控发动机的推进剂入口端连接。
根据本发明提供的运载火箭上面级推进系统，所述基础级控制气分离接头和所述基础级推进剂分离接头均为自密封脱落接头。
根据本发明提供的运载火箭上面级推进系统，还包括电爆阀；
所述电爆阀的入口端与所述增压装置的出口端连接，所述电爆阀的出口端与所述推进剂贮箱的进气端、所述上面级轨控发动机的控制气入口端和所述基础级控制气分离接头的入口端连接。
根据本发明提供的运载火箭上面级推进系统，还包括进气膜片阀；
所述进气膜片阀的入口端与所述电爆阀的出口端连接，出口端与所述推进剂贮箱的进气端连接。
根据本发明提供的运载火箭上面级推进系统，还包括出液膜片阀；
所述出液膜片阀的入口端与所述推进剂贮箱的出液端连接，出口端分别与所述上面级轨控发动机的推进剂入口端、所述上面级姿控发动机的推进剂入口端和所述基础级推进剂分离接头的入口端连接。
根据本发明提供的运载火箭上面级推进系统，所述推进剂贮箱包括氧化剂贮箱和燃料剂贮箱。
根据本发明提供的运载火箭上面级推进系统，所述氧化剂贮箱和/或所述燃料剂贮箱包括多个并联的表面张力贮箱。
根据本发明提供的运载火箭上面级推进系统，所述基础级推进剂分离接头包括基础级氧化剂分离接头和基础级燃料剂分离接头。
根据本发明提供的运载火箭上面级推进系统，所述增压装置为氮气瓶。
本发明还提供一种运载火箭，包括上面级和基础级；
所述上面级包括所述的运载火箭上面级推进系统；所述基础级上设置基础级姿控发动机。
本发明提供的运载火箭上面级推进系统及运载火箭，通过基础级控制气分离接头和基础级推进剂分离接头与基础级姿控动力部分可分离式连接，使得基础级姿控发动机无需设置在上面级中，降低了上面级的重量，显著地提高了运载火箭的运载能力，同时，将上面级的姿轨控动力部分和基础级姿控动力部分的控制气源和推进剂的供给管路进行一体化设置，共用推进剂贮箱，简化了运载火箭上面级和基础级中管路结构，减少了连接组件，提高了运载火箭的可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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为本发明提供的运载火箭上面级推进系统的结构示意图；
图2为本发明提供的运载火箭上面级推进系统的工作流程图。
附图标记：
110：增压装置；120：推进剂贮箱；121：氧化剂贮箱；122：燃料剂贮箱；
130：上面级姿控发动机；140：上面级轨控发动机；150：基础级控制气分离接头；
160：基础级推进剂分离接头；161：基础级氧化剂分离接头；162：基础级燃料剂分离接头；170：电爆阀；180：进气膜片阀；190：出液膜片阀；
100：运载火箭上面级推进系统；200：基础级姿控发动机。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
火箭的多级是指联结成一个整体的多级火箭按预定程序进行分离的技术，而多级火箭的每一级，都是能够独立工作的单级火箭，它们有各自的发动机、控制系统的部分仪器、推进剂系统、控制稳定飞行的执行机构等，能够确保单独之间正常工作。按照功能划分，多级火箭可以分为上面级和基础级。上面级用于将运载火箭搭载的航天器送入预定工作轨道或预定空间位置，基础级用于为运载火箭提供上升动力，进入太空。运载火箭的运载能力在很大程度上取决于上面级。
运载火箭轨姿控动力系统一般采用双组元推进系统，姿控动力部分和轨控动力部分独立设计，并且姿控动力部分和轨控动力部分均安装在火箭上面级。姿控动力部分主要为运载火箭飞行过程中的俯仰、偏航和滚转三通道提供控制力，轨控动力部分主要为运载火箭加速或末修提供动力。当基础级分离后，用于为运载火箭基础级提供姿控动力的部分，在后续上面级飞行过程中一直作为无用质量伴随其飞行，降低了固体运载火箭的运载能力。
针对现有技术的不足，图1为本发明提供的运载火箭上面级推进系统100的结构示意图，如图1所示，该系统包括：
增压装置110、推进剂贮箱120、上面级姿控发动机130、上面级轨控发动机140、基础级控制气分离接头150和基础级推进剂分离接头160；
增压装置110的出口端分别与推进剂贮箱120的进气端、上面级轨控发动机140的控制气入口端和基础级控制气分离接头150的入口端连接；
推进剂贮箱120的出液端分别与上面级轨控发动机140的推进剂入口端、上面级姿控发动机130的推进剂入口端和基础级推进剂分离接头160的入口端连接；
基础级控制气分离接头150的出口端与基础级姿控发动机200的控制气入口端连接；基础级推进剂分离接头160的出口端与基础级姿控发动机200的推进剂入口端连接。
具体地，现有技术中运载火箭的姿控动力系统主要包括多个姿控发动机，均设置在上面级中。与现有技术不同的是，本发明实施例将运载火箭的姿控发动机分为上面级姿控发动机140和基础级姿控发动机200。将基础级姿控发动机设置在基础级中。在运载火箭升空过程中，基础级姿控发动机完成为基础级提供姿控动力的任务后，随着基础级与上面级进行分离，避免成为无用质量随着上面级一直飞行。一般地，姿控发动机的数量为多个，轨控发动机的数量为1个。
本发明实施例中上面级推进系统采用将姿控动力部分和轨控动力部分进行一体化设置，具体包括增压装置110、推进剂贮箱120、上面级姿控发动机130、上面级轨控发动机140，还包括基础级控制气分离接头150和基础级推进剂分离接头160。如此，使得运载火箭上面级轨姿控动力系统所包含的姿控动力组成和轨控动力组成实施统一设置，共用推进剂贮箱，减少结构重量，尽量做到氧化剂与燃烧剂的高效能消耗。
增压装置110用于为上面级的姿轨控动力部分和基础级姿控动力部分提供增压气体。增压气体进入推进剂贮箱120中，对推进剂产生挤压作用，使得推进剂进入各个发动机中。与此同时，增压气体还可以作为部分发动机中的控制阀门的控制气源。这些发动机包括上面级轨控发动机140和基础级姿控发动机200。
因此，增压装置110的出口端分别与推进剂贮箱120的进气端、上面级轨控发动机140的控制气入口端和基础级控制气分离接头150的入口端连接。基础级控制气分离接头150的出口端与基础级姿控发动机200的控制气入口端连接，将增压气体送入基础级姿控发动机200的控制阀门中。
推进剂贮箱120用于贮存运载火箭发射所需的推进剂。在运载火箭的发射过程中，推进剂从推进剂贮箱120中流入发动机中进行燃烧，并产生推动火箭上升或者进行箭体姿态控制的巨大推力。
推进剂贮箱120的出液端分别与上面级轨控发动机140的推进剂入口端、上面级姿控发动机130的推进剂入口端和基础级推进剂分离接头160的入口端连接，其中，基础级推进剂分离接头160的出口端与基础级姿控发动机200的推进剂入口端连接。由此，推进剂贮箱120实现了为上面级的姿轨控动力部分和基础级姿控动力部分提供推进剂。
基础级控制气分离接头150和基础级推进剂分离接头160可以设置于上面级和基础级的交界处。当运载火箭分离前，分离接头的内部通道打开，实现了上面级控制气管路、上面级推进剂管路和基础级姿控发动机200的连通。当运载火箭分离后，分离接头的内部通道关闭且可靠密封，使得上面级控制气管路和上面级推进剂管路保持密封状态。
基础级控制气分离接头150和基础级推进剂分离接头160可以为带有远方控制功能的电动式分离接头，也可以为带有自密封功能的机械式分离接头。
本发明实施例提供的运载火箭上面级推进系统，通过基础级控制气分离接头和基础级推进剂分离接头与基础级姿控动力部分可分离式连接，使得基础级姿控发动机无需设置在上面级中，降低了上面级的重量，显著地提高了运载火箭的运载能力，同时，将上面级的姿轨控动力部分和基础级姿控动力部分的控制气源和推进剂的供给管路进行一体化设置，共用推进剂贮箱，简化了运载火箭上面级和基础级中管路结构，减少了连接组件，提高了运载火箭的可靠性。
基于上述实施例，基础级控制气分离接头150和基础级推进剂分离接头160均为自密封脱落接头。
具体地，对于基础级控制气分离接头150和基础级推进剂分离接头160，要求为在上面级和基础级未进行分离时，保持可靠连接；在上面级和基础级进行分离后，保持可靠密封。同时，为了减少故障，以及相关的配套组件，尽量采用机械结构而非电气结构。
因此，基础级控制气分离接头150和基础级推进剂分离接头160可以采用自密封脱落接头。
自密封脱落接头通常包括两个接头组件，当连接在一起时，两个接头组件内部保持通路；当断开时，两个接头组件各自保持密封。
基于上述任一实施例，该系统还包括电爆阀170；
电爆阀170的入口端与增压装置110的出口端连接，电爆阀170的出口端与推进剂贮箱120的进气端、上面级轨控发动机140的控制气入口端和基础级控制气分离接头150的入口端连接。
具体地，电爆阀170为运载火箭增压输送系统的重要组成元件，包括点火器等。电爆阀170为一次性产品，在运载火箭飞行过程中按照时序正常起爆。
电爆阀170对增压装置110内的增压气体进行密封，当运载火箭飞行过程中，按照系统时序接收控制信号点火起爆，打开阀门，电爆阀170内部导通，使得增压装置110内的增压气体能够进入推进剂贮箱120中，对推进剂产生挤压作用，提高推进剂的压力，使其能够正常进入发动机中，同时，也使得增压气体能够进入上面级轨控发动机140和基础级姿控发动机，作为发动机中的控制气源。
基于上述任一实施例，该系统还包括进气膜片阀180；
进气膜片阀180的入口端与电爆阀170的出口端连接，出口端与推进剂贮箱120的进气端连接。
具体地，进气膜片阀180的入口端与电爆阀170的出口端连接，出口端与推进剂贮箱120的进气端连接，用于将推进剂贮箱120的推进剂与增压装置110进行隔离，当增压装置110释放出增压气体时，依靠增压气体的压力将进气膜片阀180内的膜片冲破，实现增压气体进入推进剂贮箱120内部，对推进剂产生挤压作用。
进气膜片阀180的设定导通压力大于推进剂的加注压力，且小于增压气体的工作压力。
基于上述任一实施例，该系统还包括出液膜片阀190；
出液膜片阀190的入口端与推进剂贮箱120的出液端连接，出口端分别与上面级轨控发动机140的推进剂入口端、上面级姿控发动机130的推进剂入口端和基础级推进剂分离接头160的入口端连接。
具体地，出液膜片阀190的入口端与推进剂贮箱120的出液端连接，出口端分别与上面级轨控发动机140的推进剂入口端、上面级姿控发动机130的推进剂入口端和基础级推进剂分离接头160的入口端连接，用于将推进剂贮箱120的推进剂与各个发动机进行隔离，当推进剂贮箱120中的推进剂受到增压气体的挤压时，由于压力的传导，使得推进剂的压力增高，可以将出液膜片阀190内的膜片冲破，流入各个发动机的推力室内进行燃烧。
出液膜片阀190的设定导通压力大于推进剂的加注压力，且小于增压气体的工作压力。
基于上述任一实施例，推进剂贮箱120包括氧化剂贮箱120和燃料剂贮箱122。
具体地，推进剂包括燃料剂和氧化剂。其中，燃料剂可以为煤油、液氢和甲烷中的一种，氧化剂可以为液氧。相应地，推进剂贮箱120可以包括氧化剂贮箱120和燃料剂贮箱122。
基于上述任一实施例，氧化剂贮箱121和/或燃料剂贮箱122包括多个并联的表面张力贮箱。
具体地，表面张力贮箱主要用于贮存运载火箭发射所需的推进剂。当推进剂输送装置工作时，输送的推进剂不能夹带增压气体并且能够满足运载火箭推进系统的流量要求，由于运载火箭推进剂贮箱主要工作于微重力和无重力环境下，液体推进剂和增压气体同时存在于同一贮箱内，这就决定了贮箱与普通的压力容器有着很大的不同。在微重力环境下，气液界面不再是水平的，液体推进剂的分布也许是不连续的，在有外界干扰的情况下，液体推进剂的位置并不稳定，可能产生迁移、碰撞和气液混合等现象。表面张力贮箱能够液体推进剂始终能够覆盖液体出口，达到排出不夹带气体的液体。
例如，氧化剂贮箱121可以包括多个并联的氧化剂表面张力贮箱，燃料剂贮箱122可以包括多个并联的燃料剂表面张力贮箱。
基于上述任一实施例，基础级推进剂分离接头160包括基础级氧化剂分离接头161和基础级燃料剂分离接头162。
具体地，由于推进剂包括燃料剂和氧化剂，相应地，基础级推进剂分离接头160包括基础级氧化剂分离接头161和基础级燃料剂分离接头162。
基于上述任一实施例，增压装置110为氮气瓶。
具体地，增压装置110可以为高压氮气瓶，氮气的压力为2.5MPa。
基于上述任一实施例，图2为本发明提供的运载火箭上面级推进系统的工作流程图，如图2所示，运载火箭上面级推进系统工作中，首先点爆电爆阀，增压系统中的高压氮气流入表面张力贮箱，驱动推进剂进入轨控发动机燃烧后，产生推力推动运载火箭上升，或者进入姿控发动机燃烧后，产生推力调整运载火箭的姿态。
上面级与基础级分离前，基础级姿控发动机从上面级推进系统中获得推进剂和控制气源，对运载火箭的姿态进行调整。
上面级与基础级分离时，基础级控制气分离接头、基础级氧化剂分离接头和基础级燃料剂分离接头自动分离，使得基础级姿控发动机与上面级推进系统断开连接。
上面级与基础级分离后，基础级姿控发动机随着基础级一起分离，由上面级姿控发动机对上面级进行姿态调整。
基于上述任一实施例，本发明还提供一种运载火箭，该运载火箭包括上面级和基础级；上面级包括运载火箭上面级推进系统；基础级上设置基础级姿控发动机。
具体地，运载火箭可以为固体火箭、液体火箭或者固液混合火箭。该运载火箭包括上面级和至少一个基础级。
本发明实施例从改善运载火箭上面级的无用质量状态作为切入点，一方面采用轨控动力部分和姿控动力部分一体供液设计，另一方面将现有技术中用于为基础级提供姿控动力的姿控发动机从原来的上面级迁移设置在基础级里面。如此一来，原来上面级中的姿控发动机及连接结构数量减少，自然重量降低。
一部分迁移设置到火箭基础级里面的姿控发动机及连接结构，它们的推进剂来源依然是改进之前的表面张力贮箱，并没有单独设置贮箱，只是在增设了部分推进剂输送的管路。所增设的管路自上面级通入基础级，在上面级与基础级的交界处分别设置有控制气分离接头、氧化剂分离接头、燃料分离接头。这些分离接头位于上面级与基础级的交界处，起到了接通与隔阻作用。上面级和基础级分离前，分离接头内部通道打开，分离时刻，内部通道均关闭并可靠密封，上面级密封状态一直持续到飞行结束。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干命令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照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精神和范围。
Claims (10)
1.一种运载火箭上面级推进系统，其特征在于，包括增压装置、推进剂贮箱、上面级姿控发动机、上面级轨控发动机、基础级控制气分离接头和基础级推进剂分离接头；所述运载火箭的基础级上设置基础级姿控发动机；
所述增压装置的出口端分别与所述推进剂贮箱的进气端、所述上面级轨控发动机的控制气入口端和所述基础级控制气分离接头的入口端连接；
所述推进剂贮箱的出液端分别与所述上面级轨控发动机的推进剂入口端、所述上面级姿控发动机的推进剂入口端和所述基础级推进剂分离接头的入口端连接；
所述基础级控制气分离接头的出口端与所述基础级姿控发动机的控制气入口端连接；所述基础级推进剂分离接头的出口端与所述基础级姿控发动机的推进剂入口端连接。
2.根据权利要求1所述的运载火箭上面级推进系统，其特征在于，所述基础级控制气分离接头和所述基础级推进剂分离接头均为自密封脱落接头。
3.根据权利要求1所述的运载火箭上面级推进系统，其特征在于，还包括电爆阀；
所述电爆阀的入口端与所述增压装置的出口端连接，所述电爆阀的出口端与所述推进剂贮箱的进气端、所述上面级轨控发动机的控制气入口端和所述基础级控制气分离接头的入口端连接。
4.根据权利要求3所述的运载火箭上面级推进系统，其特征在于，还包括进气膜片阀；
所述进气膜片阀的入口端与所述电爆阀的出口端连接，出口端与所述推进剂贮箱的进气端连接。
5.根据权利要求4所述的运载火箭上面级推进系统，其特征在于，还包括出液膜片阀；
所述出液膜片阀的入口端与所述推进剂贮箱的出液端连接，出口端分别与所述上面级轨控发动机的推进剂入口端、所述上面级姿控发动机的推进剂入口端和所述基础级推进剂分离接头的入口端连接。
6.根据权利要求1所述的运载火箭上面级推进系统，其特征在于，所述推进剂贮箱包括氧化剂贮箱和燃料剂贮箱。
7.根据权利要求6所述的运载火箭上面级推进系统，其特征在于，所述氧化剂贮箱和/或所述燃料剂贮箱包括多个并联的表面张力贮箱。
8.根据权利要求6所述的运载火箭上面级推进系统，其特征在于，所述基础级推进剂分离接头包括基础级氧化剂分离接头和基础级燃料剂分离接头。
9.根据权利要求1所述的运载火箭上面级推进系统，其特征在于，所述增压装置为氮气瓶。
10.一种运载火箭，其特征在于，包括上面级和基础级；
所述上面级包括如权利要求1至9任一项所述的运载火箭上面级推进系统。
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