CN113348768B - 一种可倒置使用的单组元姿轨控推力器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种可倒置使用的单组元姿轨控推力器，其结构包括电磁阀、喷注器以及催化床、喷管。所述的可倒置使用的推力器结构可采用如下三种结构中的一种或多种组合，第一种结构为角度喷管结构，第二种结构为角度隔热框结构，第三种结构为增加多余物隔离措施的同轴式结构。所述的三种结构或组合结构的单组元推力器在总装、测试、运输和发射的过程中均采用喷管出口方向向上的安装方式。推力器倒置安装可适应不同载荷结构，有利于飞行器整体布局，减少结构尺寸和重量，提高火箭的运载能力。该结构可大大降低催化剂粉末多余物进入上游电磁阀的几率，消除了单组元推力器倒置使用的技术风险。
Description
技术领域
本发明涉及一种可倒置使用的单组元姿轨控推力器，属于单组元推进技术领域。
背景技术
单组元姿轨控推力器因其系统简单、可靠性高等优势广泛用于卫星、武器系统、载人航天等技术领域，为航天器提供姿态控制或轨道调整所需的动力。其工作原理为单组元推进剂在阀门的控制下，由喷注器进入催化剂床，与催化剂接触后发生催化分解反应，产生高温高压燃气，经喷管喷出形成反作用力，从而为航天器提供必要的冲量和推力。
随着立方星、模块化卫星等新技术的涌现，在发射段，对单组元推力器的安装状态提出了倒置的要求，单组元推力器乃至整个动力系统的倒置安装在某些技术状态下可大大减少系统的结构尺寸与重量，方便动力系统的集成与装配，增加运载火箭的有效载荷，降低发射成本。
传统单组元姿轨控推力器以同轴式结构为主，即电磁阀轴线、催化床轴线与喷管轴线处于同一轴线，长期以来，单组元推力器在运输、贮存及发射阶段，保持喷管出口竖直向下(正置安装)的安装方式。原因为催化剂床在运输、发射等力学环境下极易产生多余物，单组元推力器一旦倒置(喷管出口竖直向上)，多余物将通过喷注器毛细管进入上游的密封面或电磁阀，极易导致密封失效，进而导致任务失败；传统部分单组元姿轨控推力器采用角度喷管方案，设计思路主要从系统布局的角度考虑，在一个象限内，采用两台角度喷管推力器和一台同轴式推力器，为飞行器提供X、Y、Z三个方向的控制力，其中两台角度喷管推力器相对安装，喷管轴线为水平状态，提供水平X、Y方向的控制力，同轴式推力器推力轴线为竖直向下状态，提供Z方向的控制力。因此，传统角度喷管推力器采用水平发射方式，仍不能满足倒置放射要求。
国内尚无有效解决单组元推力器倒置使用的方法，为确保发射可靠性，一般情况下只能通过增加系统结构尺寸与重量依然采用正置发射方式，极大的浪费的火箭的运载能力，增加了发射成本。
发明内容
针对单组元推力器倒置使用的应用需求以及当前解决方式存在的不足，本发明一种可倒置使用的单组元姿轨控推力器，通过三种结构方式或组合结构方式有效的控制了催化床内催化剂粉末多余物向电磁阀的回流，可消除单组元推力器倒置使用的技术风险。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种可倒置使用的单组元姿轨控推力器，结构包括依次连接的电磁阀、喷注器上法兰、隔热框、毛细管、喷注器下法兰、催化床、喷管，单组元推进剂分解催化剂装填于催化床内部；喷注器上法兰与隔热框相连接的位置为隔热框入口端，隔热框与喷注器下法兰相连接的位置为隔热框出口端；喷注器上法兰与毛细管相连接的位置为毛细管入口端，毛细管与喷注器下法兰相连接的位置为毛细管出口端；喷注器下法兰、毛细管与催化床相连接的位置为催化床入口端，催化床与喷管相连接的位置为催化床出口端；电磁阀与喷注器上法兰通过螺栓连接，喷注器上法兰、毛细管、隔热框、喷注器下法兰通过焊接方式连接，催化床、喷管为一体结构，与喷注器下法兰采用焊接方式连接。
单组元推力器使用倒置过程是指单组元推力器在总装、测试、运输和发射的过程中喷管出口保持向上安装状态。
所述的可倒置使用的推力器结构可采用如下三种结构中的一种或多种组合：
第一种结构为角度隔热框结构，即隔热框本身为角度结构，因此，电磁阀轴线与隔热框入口轴线为同一轴线，催化床、喷管轴线与隔热框出口轴线为同一轴线；
第二种结构为角度喷管结构，即喷管轴线与催化床轴线成一定角度，而催化床轴线与电磁阀轴线、隔热框轴线处于同一轴线；
第三种结构为增加多余物隔离措施的同轴式结构，即电磁阀轴线、隔热框轴线、催化床轴线、喷管轴线处于同一轴线，在催化床入口或电磁阀出口增加多孔结构的多余物隔离措施，防止催化床内的催化剂粉末多余物在重力作用下回流至电磁阀，而引起结构破坏；多孔结构的孔径规格应不大于30μm；
所述的角度喷管其角度值(即喷管轴线与催化床轴线夹角)ω范围为90°≤ω＜180°；优选为90°≤ω≤150°。
所述的角度隔热框其角度值(即隔热框入口与出口轴线夹角)ξ范围为90°≤ξ＜180°；优选为90°≤ω≤150°。
所述的多余物隔离措施包括多孔金属筛网、多孔非金属隔离膜；
所述的多孔金属筛网材料与推进剂的相容性等级为I级或II级；
所述的多孔非金属隔离膜材料与推进剂的相容性等级为IV级。
本发明的有益效果是：
针对单组元推力器倒置使用的任务需求，通过对推力器结构创新，提出了三种结构或组合结构的单组元推力器，能够有效地阻止催化床多余物的回流，极大程度降低了单组元推力器倒置使用带来的技术风险，提高了任务可靠性。单组元推力器倒置使用可适应不同载荷结构，有利于飞行器整体布局，减少结构尺寸和重量，提高火箭的运载能力。
附图说明
图1是角度隔热框单组元姿轨控推力器结构简图；
图2是角度喷管单组元姿轨控推力器结构简图；
图3是安装多孔金属筛网的单组元姿轨控推力器结构简图；
图4是安装多孔非金属隔离膜的单组元姿轨控推力器结构简图；
图5是角度喷管与多孔金属筛网的组合结构推力器结构简图；
图6是角度喷管与多孔非金属隔离膜的组合结构推力器结构简图；
图7是角度隔热框与多孔金属筛网的组合结构推力器结构简图；
图8是角度隔热框与多孔非金属隔离膜的组合结构推力器结构简图；
图9是角度喷管与角度隔热框的组合结构推力器结构简图；
图10是角度喷管、角度隔热框与多孔非金属隔离膜的组合结构推力器结构简图。
具体实施方式
下述实施例用于更详细地说明本发明，但本发明并不仅限于此。
实施例1：
如图2所示，一种可倒置使用的单组元姿轨控推力器，采用角度隔热框的技术方案，结构包括电磁阀(1)、喷注器上法兰(2)、隔热框(3)、毛细管(4)、喷注器下法兰(5)、催化床(6)、喷管(7)，单组元推进剂分解催化剂装填于催化床(6)内部。其中隔热框(3)为角度隔热框，本身为90°结构，电磁阀(1)轴线与隔热框(3)入口轴线为同一轴线，催化床(6)轴线、喷管(7)轴线与隔热框(3)出口轴线为同一轴线。
当单组元推力器在总装、测试、运输和发射过程中采用倒置状态时，喷管(7)出口保持竖直向上安装状态，此时隔热框(3)出口轴线、催化床(6)轴线同为竖直向上状态，而电磁阀(1)轴线与隔热框(3)入口轴线为水平状态。此时，推力器在使用过程中催化床(6)内产生的催化剂粉末多余物失去了向电磁阀流动的动力，消除了多余物导致电磁阀泄露的技术风险，确保了飞行任务的可靠性。
实施例2：
如图1所示，一种可倒置使用的单组元姿轨控推力器，采用角度喷管的技术方案，结构包括电磁阀(1)、喷注器上法兰(2)、隔热框(3)、毛细管(4)、喷注器下法兰(5)、催化床(6)、喷管(7)，单组元推进剂分解催化剂装填于催化床(6)内部。其中喷管为角度喷管结构，喷管(7)轴线与催化床(6)轴线成90°，催化床(6)轴线与电磁阀(1)轴线、隔热框(3)轴线处于同一轴线。
当单组元推力器在总装、测试、运输和发射过程中采用倒置状态时，喷管(7)出口保持竖直向上安装状态，而此时电磁阀(1)轴线、隔热框(3)轴线、催化床(6)轴线处于同轴且为水平状态。此时，推力器在使用过程中催化床(6)内产生的催化剂粉末多余物失去了向电磁阀(1)流动的动力，消除了多余物导致电磁阀泄露的技术风险，确保了飞行任务的可靠性。
实施例3：
如图3所示，一种可倒置使用的单组元姿轨控推力器，采用增加多余物隔离措施的同轴式结构，即电磁阀(1)轴线、隔热框(3)轴线、催化床(6)轴线、喷管(7)轴线处于同一轴线。在催化床(6)入口增加安装多孔金属筛网的多余物隔离措施，筛网孔径规格为25μm；多孔金属筛网材料与推进剂的相容性等级为I级。
当单组元推力器在总装、测试、运输和发射过程中采用倒置状态时，喷管(7)出口保持竖直向上安装状态，此时电磁阀(1)轴线、隔热框(3)轴线、催化床(6)轴线同为竖直向上状态。在无多余物隔离措施的情况时，催化床内的粉末多余物在重力作用下会回流至电磁阀，进而存在较大的能引起电磁阀密封失效的技术风险。本技术方案在催化床(6)入口安装多孔金属筛网，可阻挡粒子尺寸大于25μm的多余物回流至电磁阀(1)，对电磁阀(1)起到了有效的保护作用，消除了多余物导致电磁阀(1)泄露的技术风险，确保了飞行任务的可靠性。
实施例4：
如图4所示，一种可倒置使用的单组元姿轨控推力器，采用增加多余物隔离措施的同轴式结构，即电磁阀(1)轴线、隔热框(3)轴线、催化床(6)轴线、喷管(7)轴线处于同一轴线。在电磁阀(1)出口增加安装多孔非金属隔离膜的多余物隔离措施，孔径规格为5μm；多孔金属隔离膜材料与推进剂的相容性等级为IV级。
当单组元推力器在总装、测试、运输和发射过程中采用倒置状态时，喷管(7)出口保持竖直向上安装状态，此时电磁阀(1)轴线、隔热框(3)轴线、催化床(6)轴线同为竖直向上状态。在无多余物隔离措施的情况时，催化床内的粉末多余物在重力作用下会回流至电磁阀，进而存在较大的能引起电磁阀密封失效的技术风险。本技术方案在电磁阀(1)出口、喷注器上法兰(2)入口安装多孔非金属隔离膜，可阻挡粒子尺寸大于5μm的多余物回流至电磁阀(1)，对电磁阀(1)起到了有效的保护作用，消除了多余物导致电磁阀(1)泄露的技术风险，确保了飞行任务的可靠性。
实施例5：
如图5所示，一种可倒置使用的单组元姿轨控推力器，采用角度喷管与多孔金属筛网的组合方案，其中喷管为角度喷管结构，喷管(7)轴线与催化床(6)轴线成90°，催化床(6)轴线与电磁阀(1)轴线、隔热框(3)轴线处于同一轴线；在电磁阀(1)出口安装多孔金属筛网，孔径规格为30μm，筛网材料与推进剂的相容性等级为I级。
实施例6：
如图6所示，一种可倒置使用的单组元姿轨控推力器，采用角度喷管与多孔非金属隔离膜的组合方案，其中喷管为角度喷管结构，喷管(7)轴线与催化床(6)轴线成90°，催化床(6)轴线与电磁阀(1)轴线、隔热框(3)轴线处于同一轴线；在催化床(6)入口安装多孔非金属隔离膜，孔径规格为5μm，非金属隔离膜材料与推进剂的相容性等级为IV级。
实施例7：
如图7所示，一种可倒置使用的单组元姿轨控推力器，采用角度隔热框与多孔金属筛网的组合方案，其中隔热框(3)为角度隔热框，本身为90°结构，电磁阀(1)轴线与隔热框(3)入口轴线为同一轴线，催化床(6)轴线、喷管(7)轴线与隔热框(3)出口轴线为同一轴线；在电磁阀(1)出口安装多孔金属筛网，孔径规格为30μm，筛网材料与推进剂的相容性等级为II级。
实施例8：
如图8所示，一种可倒置使用的单组元姿轨控推力器，采用角度隔热框与多孔非金属隔离膜的组合方案，其中隔热框(3)为角度隔热框，本身为90°结构，电磁阀(1)轴线与隔热框(3)入口轴线为同一轴线，催化床(6)轴线、喷管(7)轴线与隔热框(3)出口轴线为同一轴线；在催化床(6)入口安装多孔非金属隔离膜，孔径规格为5μm，非金属隔离膜材料与推进剂的相容性等级为IV级。
实施例9：
如图9所示，一种可倒置使用的单组元姿轨控推力器，采用角度喷管、角度隔热框的组合方案，其中喷管为角度喷管结构，喷管(7)轴线与催化床(6)轴线成90°，隔热框(3)为角度隔热框，本身为90°结构，此时，电磁阀(1)轴线与隔热框(3)入口轴线为同一轴线，且为竖直方向，隔热框(3)出口轴线与喷注器下法兰(5)轴线、催化床(6)轴线为同一轴线，且为水平方向，催化床(6)轴线与喷管(7)轴线为同一轴线，且为水平方向。
实施例10：
如图10所示，一种可倒置使用的单组元姿轨控推力器，采用角度喷管、角度隔热框与多孔非金属隔离膜的组合方案，其中喷管为角度喷管结构，喷管(7)轴线与催化床(6)轴线成90°，隔热框(3)为角度隔热框，本身为90°结构，此时，电磁阀(1)轴线与隔热框(3)入口轴线为同一轴线，且为竖直方向，隔热框(3)出口轴线与喷注器下法兰(5)轴线、催化床(6)轴线为同一轴线，且为水平方向，催化床(6)轴线与喷管(7)轴线为同一轴线，且为水平方向；在催化床(6)入口安装多孔非金属隔离膜，孔径规格为2μm，非金属隔离膜材料与推进剂的相容性等级为IV级。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未能超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种可倒置使用的单组元姿轨控推力器，其特征在于：所述单组元姿轨控推力器结构包括依次连接的电磁阀(1)、喷注器上法兰(2)、隔热框(3)、毛细管(4)、喷注器下法兰(5)、催化床(6)、喷管(7)，单组元推进剂分解催化剂装填于催化床(6)内部；
所述的可倒置使用的推力器结构可采用如下三种结构中的一种或多种组合：
第一种结构为角度隔热框结构，即隔热框(3)本身为角度结构，此时，电磁阀(1)轴线与隔热框(3)入口轴线为同一轴线，催化床(6)轴线、喷管(7)轴线与隔热框(3)出口轴线为同一轴线；其中，所述的隔热框(3)入口与其出口轴线夹角ξ范围为90°≤ω＜180°；
第二种结构为角度喷管结构，即喷管(7)轴线与催化床(6)轴线成一定角度，而催化床(6)轴线与电磁阀(1)轴线、隔热框(3)轴线处于同一轴线；其中，喷管(7)轴线与催化床(6)轴线夹角ω范围为90°≤ω＜180°；
第三种结构为增加多余物隔离措施的同轴式结构，此时，电磁阀(1)轴线、隔热框(3)轴线、催化床(6)轴线、喷管(7)轴线处于同一轴线，在催化床(6)入口或电磁阀(1)出口增加多孔结构的多余物隔离措施，防止催化床(6)内的催化剂粉末多余物在重力作用下回流至电磁阀(1)，而引起结构破坏；多孔结构的孔径应不大于30μm；
所述的单组元姿轨控推力器使用倒置过程是指单组元姿轨控推力器在总装、测试、运输和发射的过程中喷管(7)出口保持向上的安装状态。
2.根据权利要求1所述的一种可倒置使用的单组元姿轨控推力器，所述的喷管(7)轴线与催化床(6)轴线夹角ω范围优选为90°≤ω≤150°。
3.根据权利要求1所述的一种可倒置使用的单组元姿轨控推力器，所述的隔热框(3)入口与其出口轴线夹角ξ范围为90°≤ξ≤150°。
4.根据权利要求1所述的一种可倒置使用的单组元姿轨控推力器，所述的多余物隔离措施包括多孔金属筛网隔离或多孔非金属隔离膜隔离。
5.根据权利要求4所述的一种可倒置使用的单组元姿轨控推力器，所述的多孔金属筛网材料与推进剂的相容性等级为I级或II级。
6.根据权利要求4所述的一种可倒置使用的单组元姿轨控推力器，所述的多孔非金属隔离膜材料与推进剂的相容性等级为IV级。
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