CN114229036A - 一种低温推进剂在轨预冷和加注系统及加注方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种低温推进剂在轨预冷和加注系统及加注方法，通过设计专用的在轨预冷和加注系统，实现两个贮箱之间低温推进剂在轨预冷及加注传输；该系统包括推进剂加注贮箱、加热器、液体捕获装置、引流装置、被动热力学排气系统和加注回路；液体捕获装置和引流装置用于在轨加注时的全液供给，贮箱通过被动热力学排气系统实现压力控制、对贮箱进行预冷；在轨加注传输需在两相之间建立传输压差，采用加热气化加注贮箱内低温推进剂，提高加注贮箱压力，从而在加注贮箱、受注贮箱之间建立传输压差，实现在轨加注。
Description
技术领域
本发明涉及一种低温推进剂在轨预冷和加注系统及加注方法，属于低温空间运输系统领域。
背景技术
国际上一直在开展在轨加注技术的相关研究，在美国重返月球计划及载人登陆小行星和载人火星探测任务模式的研究中，进行了在轨加注站的任务模式研究。研究表明：空间轨道转移飞行器在ISCPD上的补给加注能够支撑NASA的月球探索等深空探测计划，并为载人探测火星提供一种可能。对于月球探测任务用重型火箭，采用在轨加注站模式，能够实现有效载荷规模增加到原来的2.5倍以上，并能够为采用化学推进剂实现载人探测火星提供可能；而实现相同的任务目标，运载火箭规模能够降低50％以上。
20世纪80年代以来，美国航空航天局(NASA)先后开展了一系列研究计划，主要包括在轨再加注系统(ORS)、可贮存推进剂管理系统、液体获取与再加注系统、排气型贮箱在轨加注系统等，这些计划以常温流体为工质、以航天飞机为平台研究了板式表面张力贮箱在微重力下的气液分离效果及全液体加注性能.近年还实施了轨道快车、液体在轨加注等项目对流体空间管理技术(压力控制技术、液体采集与获取技术、质量测量技术等)、自主交汇对接技术、在轨维修技术、在轨液体传输技术等进行研究与验证.借助国际空间站，日本与欧盟也在该领域开展了有效研究，并先后多次发射货运飞船为ISS补给推进剂。2013年，在多国技术的支持下，研究人员利用机械臂在ISS上完成了机器人在轨燃料加注的演示试验.鉴于低温推进剂在航天飞行中的优异性能，以载人登火项目为牵引，美国NASA就低温推进剂在轨贮存与传输问题开展了持续多年的研究.20世纪90年代初，格林研究中心搭建了多个地面加注试验平台，以液氢为工质开展无排气加注试验，主要验证无排气加注方案的可行性并优化操作参数.此外，针对无排气加注的工作特征，研究人员开发了一系列计算模型预测贮箱在预冷及加注期间的温度、压力变化规律.我国尚未对推进剂在轨加注开展系统综合的研究，现有工作主要是对国外的研究进展进行总结与梳理，或对加注系统的某一技术进行计算与试验验证.例如，李永等针对排气式在轨加注方案，采用多相流模型数值仿真了板式表面张力贮箱在加注过程中的流场分布特性，并开展了地面落塔试验.王彩莉进行了180L液氮贮箱的地面无排气加注试验，通过细化加注过程中低温流体与金属壁的换热，改进了无排气加注模型，但未关注微重力环境对加注过程的影响。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种低温推进剂在轨预冷和加注系统，能够实现低温推进剂在轨预冷及加注,具有推进剂损耗小，低温推进剂加注可靠等优点。
本发明的另外一个目的在于提供一种低温推进剂在轨预冷和加注方法。
本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：
一种低温推进剂在轨预冷和加注系统，包括推进剂加注贮箱、加热器、第一液体捕获装置、第一被动热力学排气系统和加注回路；加热器设置在推进剂加注贮箱内部，用于加热增压；第一液体捕获装置设置在推进剂加注贮箱底部，用于吸附所述贮箱内的液体；推进剂加注贮箱与待加注贮箱通过加注回路连通，通过加注回路将推进剂工质注入待加注贮箱内部；
所述第一被动热力学排气系统包括第一节流阀、第一绕管式冷却屏和第一电磁阀，推进剂加注贮箱内的推进剂工质在内外压差驱动下进入安装第一节流阀的管路，经过节流降温降压后的气液两相流进入第一绕管式冷却屏，对推进剂加注贮箱内的推进剂工质进行冷却，第一绕管式冷却屏内气液两相流被加热蒸发转变为气体后进入安装第一电磁阀的排气管路，由排气管路向外排出。
在上述低温推进剂在轨预冷和加注系统中，所述第一绕管式冷却屏呈螺旋状固定于推进剂加注贮箱内部或外部；所述第一节流阀前后分别设置温度传感器，第一电磁阀后设置流量计。
在上述低温推进剂在轨预冷和加注系统中，所述第一液体捕获装置依靠表面张力捕获低温推进剂；所述第一液体捕获装置为分瓣式金属网格结构，若干分瓣周向排布，中心位置设有中心管，中心管壁为多孔结构。
在上述低温推进剂在轨预冷和加注系统中，还包括引流装置，所述引流装置位于第一液体捕获装置的中心位置，用于引导推进剂工质进入加注回路。
在上述低温推进剂在轨预冷和加注系统中，还包括多层绝热材料，所述多层绝热材料包覆在推进剂加注贮箱外表面，起到减少贮箱在轨漏热和推进剂蒸发损耗的作用。
在上述低温推进剂在轨预冷和加注系统中，还包括对接装置，所述推进剂加注贮箱与待加注贮箱通过设置在加注回路上的对接装置对接及密封后，构成闭环在轨加注系统。
在上述低温推进剂在轨预冷和加注系统中，所述推进剂加注贮箱内布置温度测量装置和压力测量装置，分别测量温度和压力；所述加热器为薄膜式电加热器。
在上述低温推进剂在轨预冷和加注系统中，所述待加注贮箱内设有第二被动热力学排气系统，所述第二被动热力学排气系统包括第二节流阀、第二绕管式冷却屏和第二电磁阀，待加注贮箱内的推进剂工质在内外压差驱动下进入安装第二节流阀的管路，经过节流降温降压后的气液两相流进入第二绕管式冷却屏，对待加注贮箱内的推进剂工质进行冷却，第二绕管式冷却屏内气液两相流被加热蒸发转变为气体后进入安装第二电磁阀的排气管路，由排气管路向外排出。
在上述低温推进剂在轨预冷和加注系统中，所述第二绕管式冷却屏呈螺旋状固定于待加注贮箱内部或外部；所述第二节流阀前后分别设置温度传感器，第二电磁阀后设置流量计。
在上述低温推进剂在轨预冷和加注系统中，所述待加注贮箱内设有第二液体捕获装置，第二液体捕获装置依靠表面张力捕获低温推进剂；所述第二液体捕获装置为分瓣式金属网格结构，若干分瓣周向排布，中心位置设有中心管，中心管壁为多孔结构。
在上述低温推进剂在轨预冷和加注系统中，所述待加注贮箱内布置第二温度测量装置和第二压力测量装置，分别测量温度和压力。
在上述低温推进剂在轨预冷和加注系统中，所述待加注贮箱为低温火箭末级或低温火箭上面级的贮箱。
一种低温推进剂在轨预冷及加注方法，包括：
(1)、通过对接装置将低温推进剂加注贮箱和低温推进剂受注贮箱对接及密封后，构成闭环在轨加注系统；
(2)、打开第二电磁阀，保持第一电磁阀、第一气动阀、第二气动阀关闭，将待加注贮箱排空；
(3)、关闭第二电磁阀，依次打开第一气动阀、第二气动阀，对待加注贮箱进行无排气预冷，贮箱压力升高至设计上限Pmax时关闭第一气动阀，待贮箱压力升高至安全压力Psaf时打开第二电磁阀，排空贮箱内气体；
(4)、重复步骤(3)，当贮箱压力升稳定在安全压力Psaf以下时，待加注贮箱预冷结束；
(5)、开启加热器，打开第一气动阀，对推进剂加注贮箱进行加热增压，将推进剂加注贮箱内的低温推进剂分别通过引流装置、第一气动阀、第三流量计、第二气动阀、贮箱液体进口，挤向贮箱，贮箱的压力低于Pmin时关闭，高于Pmax时打开，当推进剂加注贮箱内的温度测量装置所有测温点温度大于低温贮箱长期在轨贮存压力对应的饱和温度Tsat时，关闭第一气动阀、第二气动阀和第二电磁阀，对接装置解锁分离，在轨加注结束。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)、本发明通过设计专用的在轨预冷和加注系统，实现两个贮箱之间低温推进剂在轨预冷及加注传输；该系统包括推进剂加注贮箱、加热器、液体捕获装置、引流装置、被动热力学排气系统和加注回路；液体捕获装置和引流装置用于在轨加注时的全液供给，贮箱通过被动热力学排气系统实现压力控制、对贮箱进行预冷；在轨加注传输需在两相之间建立传输压差，采用加热气化加注贮箱内低温推进剂，提高加注贮箱压力，从而在加注贮箱、受注贮箱之间建立传输压差，实现在轨加注。
(2)、本发明提供的低温推进剂在轨预冷和加注系统及加注方法，能够实现低温推进剂在轨预冷及加注，具有推进剂损耗小，低温推进剂加注可靠等优点。
附图说明
图1为本发明低温推进剂在轨预冷和加注系统原理图；
图2为本发明液体捕获装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
如图1所示为本发明低温推进剂在轨预冷和加注系统原理图；本发明低温推进剂在轨预冷和加注系统包括低温推进剂加注贮箱1，绝热材料2、加热器3，第一被动热力学排气系统、加注回路、引流装置32、第一液体捕获装置6、加注贮箱液体出口7、在轨对接装置11、第二气动阀12、第一流量计25、第一温度传感器28、第二温度传感器29、温度测量装置26和压力测量装置21。绝热材料2可以为点阵间隔多层绝热材料，加热器3可以为薄膜式电加热器。
低温推进剂加注贮箱1采用一种被动热力学排气系统组件进行压力控制，第一被动热力学排气系统包括第一被动热力学排气系统进口4、第一节流阀5、第一绕管式冷却屏9、第一电磁阀10及排气管路，低温推进剂工质在内外压差驱动下经低温推进剂加注贮箱1先后进入第一被动热力学排气系统进口4和第一节流阀5，经过节流降温降压后的气液两相流进入第一绕管式冷却屏9内，冷却低温推进剂加注贮箱1，实现箱内低温推进剂降温降压，第一绕管式冷却屏9呈螺旋状固定于推进剂加注贮箱1内部或外部。第一绕管式冷却屏9内气液两相流被加热蒸发转变为气体后进入第一电磁阀10及排气管路，排向太空。
其中，第一节流阀5前后分别设置第一温度传感器28和第二温度传感器29，第一电磁阀10后设置第一流量计25，用于测量节流制冷量和节流流量。
如图2所示为本发明液体捕获装置结构示意图，第一液体捕获装置6依靠表面张力捕获低温推进剂；第一液体捕获装置6为分瓣式金属网格结构，若干分瓣周向排布，中心位置设置有中心管，中心管壁为多孔结构。引流装置32位于第一液体捕获装置6的中心管内，用于引导推进剂工质进入加注回路。
如图1所示，本发明待加注贮箱16内设有第二被动热力学排气系统，第二被动热力学排气系统包括第二被动热力学排气系统进口17、第二节流阀18、第二绕管式冷却屏19、第二电磁阀20及排气管路，低温推进剂在内外压差驱动下经贮箱16先后进入第二被动热力学排气系统进口17和第二节流阀18，经过节流降温降压后的气液两相流进入呈螺旋状固定于贮箱16内部或外部的第二绕管式冷却屏19内，冷却贮箱16，实现箱内低温推进剂降温降压，第二绕管式冷却屏19内气液两相流被加热蒸发转变为气体后进入第二电磁阀10及排气管路，排向太空。
其中，第二节流阀18前后分别设置第三温度传感器30和第四温度传感器31，第二电磁阀20后设置第二流量计24，用于测量节流制冷量和节流流量。
待加注贮箱16内可以设有第二液体捕获装置14，第二液体捕获装置14依靠表面张力捕获低温推进剂，更容易实现贮箱16内的排气和压力控制；第二液体捕获装置14为分瓣式金属网格结构，若干分瓣周向排布，设置有中心管，中心管壁为多孔结构。
一可选实施例中，第一液体捕获装置6和第二液体捕获装置14由4片多孔花瓣形结构组成，依靠表面张力捕获低温推进剂。金属网格与中心管的材质均为不锈钢材质。
推进剂加注贮箱1表面包覆点阵间隔多层绝热材料2，待加注贮箱16表面包覆点阵间隔多层绝热材料15，目的是减少贮箱在轨漏热和低温推进剂蒸发损耗。推进剂加注贮箱1内布置由温度测量杆26和压力测量装置21，低温推进剂受注贮箱16内布置由温度测量杆27和压力测量装置22，分别用以测量温度和压力。
低温推进剂加注贮箱1上封头金属表面外粘贴薄膜式电加热器3，用于加热增压。
低温推进剂加注贮箱1与低温推进剂受注贮箱16通过在轨对接装置11对接及密封后，构型一个闭环在轨加注系统。
本发明低温推进剂在轨预冷及加注方法，具体包括如下步骤：
(1)、通过对接装置11将低温推进剂加注贮箱1和低温推进剂受注贮箱16对接及密封后，构成闭环在轨加注系统；
(2)、打开第二电磁阀20，保持第一电磁阀10、第一气动阀8、第二气动阀12关闭，将待加注贮箱16排空；
(3)、关闭第二电磁阀20，依次打开第一气动阀8、第二气动阀12，对待加注贮箱16进行无排气预冷，贮箱压力升高至设计上限Pmax时关闭第一气动阀8，待贮箱16压力升高至安全压力Psaf时打开第二电磁阀20，排空贮箱内气体；
(4)、重复步骤(3)，当贮箱16压力升稳定在安全压力Psaf以下时，待加注贮箱16预冷结束；
(5)、开启加热器3，打开第一气动阀8，对推进剂加注贮箱1进行加热增压，将推进剂加注贮箱1内的低温推进剂分别通过引流装置32、第一气动阀8、第三流量计23、第二气动阀12、贮箱液体进口13，挤向贮箱16，贮箱16的压力低于Pmin时关闭，高于Pmax时打开，当推进剂加注贮箱1内的温度测量装置26所有测温点温度大于低温贮箱长期在轨贮存压力对应的饱和温度Tsat时，关闭第一气动阀8、第二气动阀12和第二电磁阀20，对接装置11解锁分离，在轨加注结束。
本发明中待加注贮箱16可以为低温火箭末级或低温火箭上面级的贮箱。通过在轨加注提升低温运载器的空间运输能力。在轨加注前需要对待加注贮箱16进行预冷，确保加注安全性，待预冷充分后进行大流量加注。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (13)
1.一种低温推进剂在轨预冷和加注系统，其特征在于，包括推进剂加注贮箱(1)、加热器(3)、第一液体捕获装置(6)、第一被动热力学排气系统和加注回路；加热器(3)设置在推进剂加注贮箱(1)内部，用于加热增压；第一液体捕获装置(6)设置在推进剂加注贮箱(1)底部，用于吸附所述贮箱(1)内的液体；推进剂加注贮箱(1)与待加注贮箱(16)通过加注回路连通，通过加注回路将推进剂工质注入待加注贮箱(16)内部；
所述第一被动热力学排气系统包括第一节流阀(5)、第一绕管式冷却屏(9)和第一电磁阀(10)，推进剂加注贮箱(1)内的推进剂工质在内外压差驱动下进入安装第一节流阀(5)的管路，经过节流降温降压后的气液两相流进入第一绕管式冷却屏(9)，对推进剂加注贮箱(1)内的推进剂工质进行冷却，第一绕管式冷却屏(9)内气液两相流被加热蒸发转变为气体后进入安装第一电磁阀(10)的排气管路，由排气管路向外排出。
2.根据权利要求1所述的低温推进剂在轨预冷和加注系统，其特征在于，所述第一绕管式冷却屏(9)呈螺旋状固定于推进剂加注贮箱(1)内部或外部；所述第一节流阀(5)前后分别设置温度传感器，第一电磁阀(10)后设置流量计。
3.根据权利要求1所述的低温推进剂在轨预冷和加注系统，其特征在于，所述第一液体捕获装置(6)依靠表面张力捕获低温推进剂；所述第一液体捕获装置(6)为分瓣式金属网格结构，若干分瓣周向排布，中心位置设有中心管，中心管壁为多孔结构。
4.根据权利要求1所述的低温推进剂在轨预冷和加注系统，其特征在于，还包括引流装置(32)，所述引流装置(32)位于第一液体捕获装置(6)的中心位置，用于引导推进剂工质进入加注回路。
5.根据权利要求1所述的低温推进剂在轨预冷和加注系统，其特征在于，还包括多层绝热材料(2)，所述多层绝热材料(2)包覆在推进剂加注贮箱(1)外表面，起到减少贮箱在轨漏热和推进剂蒸发损耗的作用。
6.根据权利要求1所述的低温推进剂在轨预冷和加注系统，其特征在于，还包括对接装置(11)，所述推进剂加注贮箱(1)与待加注贮箱(16)通过设置在加注回路上的对接装置(11)对接及密封后，构成闭环在轨加注系统。
7.根据权利要求1所述的低温推进剂在轨预冷和加注系统，其特征在于，所述推进剂加注贮箱(1)内布置温度测量装置(26)和压力测量装置(21)，分别测量温度和压力；所述加热器(3)为薄膜式电加热器。
8.根据权利要求1所述的低温推进剂在轨预冷和加注系统，其特征在于，所述待加注贮箱(16)内设有第二被动热力学排气系统，所述第二被动热力学排气系统包括第二节流阀(18)、第二绕管式冷却屏(19)和第二电磁阀(20)，待加注贮箱(16)内的推进剂工质在内外压差驱动下进入安装第二节流阀(18)的管路，经过节流降温降压后的气液两相流进入第二绕管式冷却屏(19)，对待加注贮箱(16)内的推进剂工质进行冷却，第二绕管式冷却屏(19)内气液两相流被加热蒸发转变为气体后进入安装第二电磁阀(20)的排气管路，由排气管路向外排出。
9.根据权利要求8所述的低温推进剂在轨预冷和加注系统，其特征在于，所述第二绕管式冷却屏(19)呈螺旋状固定于待加注贮箱(16)内部或外部；所述第二节流阀(18)前后分别设置温度传感器，第二电磁阀(20)后设置流量计。
10.根据权利要求8所述的低温推进剂在轨预冷和加注系统，其特征在于，所述待加注贮箱(16)内设有第二液体捕获装置(14)，第二液体捕获装置(14)依靠表面张力捕获低温推进剂；所述第二液体捕获装置(14)为分瓣式金属网格结构，若干分瓣周向排布，中心位置设有中心管，中心管壁为多孔结构。
11.根据权利要求8所述的低温推进剂在轨预冷和加注系统，其特征在于，所述待加注贮箱(16)内布置第二温度测量装置(27)和第二压力测量装置(22)，分别测量温度和压力。
12.根据权利要求1所述的低温推进剂在轨预冷和加注系统，其特征在于，所述待加注贮箱(16)为低温火箭末级或低温火箭上面级的贮箱。
13.一种低温推进剂在轨预冷及加注方法，其特征在于，包括：
(1)、通过对接装置(11)将低温推进剂加注贮箱(1)和低温推进剂受注贮箱(16)对接及密封后，构成闭环在轨加注系统；
(2)、打开第二电磁阀(20)，保持第一电磁阀(10)、第一气动阀(8)、第二气动阀(12)关闭，将待加注贮箱(16)排空；
(3)、关闭第二电磁阀(20)，依次打开第一气动阀(8)、第二气动阀(12)，对待加注贮箱(16)进行无排气预冷，贮箱压力升高至设计上限Pmax时关闭第一气动阀(8)，待贮箱(16)压力升高至安全压力Psaf时打开第二电磁阀(20)，排空贮箱内气体；
(4)、重复步骤(3)，当贮箱(16)压力升稳定在安全压力Psaf以下时，待加注贮箱(16)预冷结束；
(5)、开启加热器(3)，打开第一气动阀(8)，对推进剂加注贮箱(1)进行加热增压，将推进剂加注贮箱(1)内的低温推进剂分别通过引流装置(32)、第一气动阀(8)、第三流量计(23)、第二气动阀(12)、贮箱液体进口(13)，挤向贮箱(16)，贮箱(16)的压力低于Pmin时关闭，高于Pmax时打开，当推进剂加注贮箱(1)内的温度测量装置(26)所有测温点温度大于低温贮箱长期在轨贮存压力对应的饱和温度Tsat时，关闭第一气动阀(8)、第二气动阀(12)和第二电磁阀(20)，对接装置(11)解锁分离，在轨加注结束。
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- 2021-11-22 CN CN202111387507.3A patent/CN114229036B/zh active Active
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