CN114291299B - 固液双模式姿轨控动力系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及空间推进系统领域内的一种固液双模式姿轨控动力系统及其控制方法，包括控制器、燃气发生器、集气罐、推进剂贮箱、燃气姿控推力器以及液体轨控发动机；燃气发生器内设有固体药柱，燃气发生器、集气罐、推进剂贮箱、液体轨控发动机通过管道依次连通，集气罐通过管道与燃气姿控推力器连通，控制器用于系统的控制；控制器控制燃气发生器点燃固体药柱，固体药柱燃烧产生高压燃气并充入集气罐内，集气罐内的高压燃气一路进入燃气姿控推力器内，另一路进入推进剂贮箱内将推进剂挤压至液体轨控发动机内。本发明结合了固体燃气增压和液体推进系统的优势，实现了推进系统常压预包装贮存，提高了预包装贮存的安全性。

Description

固液双模式姿轨控动力系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及空间推进系统领域，具体地，涉及一种具有固体燃气增压、固体燃气姿控和液体轨控发动机的高性能双模式姿轨控动力系统。

背景技术

航天推进技术包括：液体推进技术和固体推进技术，在空间推进领域，一般采用恒压挤压式液体推进系统，系统包括气瓶、电爆阀、减压阀、推进剂贮箱、发动机及其连接管路等组成，具有系统简单，比冲性能高，启停控制方便等特点，但充气压力较高，一般在20~60MPa之间，高压气瓶给预包装长期贮存带来了一定的风险，同时系统压力由减压阀出口压力决定，系统压力不可调。固体推进系统与液体推进系统相比，存在比冲较低，不可重复启动的问题。

经现有技术检索发现，中国发明专利公开号为CN106948969B，公开了一种混合推进系统，航空推进系统包括具有多个风扇(38)叶片的风扇(38)和电动马达(82)，电动马达(82)驱动地连接于风扇(38)以用于使该多个风扇(38)叶片旋转。包括可化学再充电超电容器(86)，以用于在该可化学再充电超电容器(86)的操作期间对电动马达(82)提供电能的基本上连续的流，从而获得更有效率的航空推进系统。上述专利的发明构思是利用科化学在充电超电容器提供推进器系统的持续能量，与本发明的发明构思具有显著的不同。

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固液双模式姿轨控动力系统及其控制方法。

根据本发明提供的一种固液双模式姿轨控动力系统，包括控制器、燃气发生器、集气罐、推进剂贮箱、燃气姿控推力器以及液体轨控发动机；

所述燃气发生器内设有固体药柱，所述燃气发生器、所述集气罐、所述推进剂贮箱、所述液体轨控发动机通过管道依次连通，所述集气罐通过管道与所述燃气姿控推力器连通，所述控制器用于系统的控制；

所述控制器控制所述燃气发生器点燃所述固体药柱，所述固体药柱燃烧产生高压燃气并充入所述集气罐内，所述集气罐内的高压燃气一路进入燃气姿控推力器内，另一路进入所述推进剂贮箱内将推进剂挤压至所述液体轨控发动机内。

一些实施方式中，所述燃气发生器内集成有多根所述固体药柱，每根所述固体药柱的点燃通过所述控制器进行独立控制。

一些实施方式中，所述固体药柱的独立点燃控制用于实现所述液体轨控发动机的重复启动以及推力调整。

一些实施方式中，所述集气罐设置有压力传感器，所述压力传感器获取所述集气罐的压力并反馈至所述控制器。

一些实施方式中，所述燃气姿控推力器安装有两台俯仰姿控推力器，两台所述俯仰姿控推力器过飞行器质心轴心且对称设置于所述燃气姿控推力器上；

所述集气罐内压力高于预设值时，通过两台所述俯仰姿控推力器释放所述集气罐内多余气体且保持飞行器的飞行姿态不变。

一些实施方式中，所述液体轨控发动机的推力大小与其液体推进剂入口处的压力大小成正比。

本发明还提供了一种固液双模式姿轨控动力系统的控制方法，采用所述的固液双模式姿轨控动力系统，包括如下步骤：

S1，系统首次建压：所述控制器控制所述燃气发生器点燃一根或多根所述固体药柱，所述固体药柱产生的高压气体充入所述集气罐内，建立系统的初始压力，所述集气罐内的高压燃气一路进入所述推进剂贮箱内，推动推进剂至所述液体轨控发动机的电磁阀前，同时另一路高温燃气直接供应至所述燃气姿控推力器的控制阀前；

S2，系统工作：所述燃气姿控推力器控制阀门开启，高压燃气通过姿控推力器喷出直接产生姿态控制力，液体轨控发动机控制阀门开启，所述推进剂贮箱中的液体推进剂在高压燃气的推动下被挤入所述液体轨控发动机内燃烧并产生推力；

S3，系统推力调整：所述控制器根据需要调高系统推力的指令，控制所述燃气发生器点燃新的所述固体药柱，为所述集气罐持续增压直至达到目标压力，所述液体轨控发动机的推力随着液体推进剂入口压力上升而上升；所述控制器根据需要调低系统推力的指令，控制所述燃气姿控推力器开启两台所述俯仰姿控推力器释放所述集气罐内的压力直至达到目标压力，所述液体轨控发动机推力随着液体推进剂入口压力的下降而下降。

一些实施方案中，所述步骤S1中，通过所述压力传感器监测所述集气罐的压力，若压力低于预设值，所述控制器控制所述燃气发生器点燃新的所述固体药柱以向所述集气罐内补充压力。

一些实施方案中，所述步骤S1中，若所述压力值高于设定压力时，通过所述控制器控制所述燃气姿控推力器开启两台所述俯仰姿控推力器，将所述集气罐内的多余气体释放并保持飞行器的飞行姿态不变。

一些实施方案中，所述步骤S2中，随着燃气的消耗，所述压力传感器检测到压力小于预设值时，所述控制器控制所述燃气发生器点燃新的所述固体药柱，为所述集气罐补充高压燃气。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明结合了固体燃气增压和液体推进系统的优势，实现了推进系统常压预包装贮存，提高了预包装贮存的安全性，液体轨控发动机具有可重复启动、比冲性能高的优点，固体燃气姿控具有结构简单、响应速度快的优点。

2、本发明通过控制器闭环调节增压压力，可以实现系统的变工况工作，灵活满足不同任务需求。

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为本发明固液双模式姿轨控动力系统结构示意图。

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。

本发明提供了一种固液双模式姿轨控动力系统，如图1所示，包括控制器1、燃气发生器2、集气罐3、推进剂贮箱5、燃气姿控推力器6以及液体轨控发动机7。控制器1用于系统的控制，与燃气发生器2、燃气姿控推力器6以及液体轨控发动机7电连接或信号连接，输入相关控制指令。燃气发生器2、集气罐3、推进剂贮箱5以及液体轨控发动机7通过管道依次连通，同时集气罐3与燃气姿控推力器6相连通。

燃气发生器2用于产生高温燃气，其内设置有固体药柱21，通过点燃固体药柱21产生高温燃气。设置于燃气发生器2内的固体药柱21为多根，每根固体药柱21的点燃与否根据控制器1的指令进行，即每根固体药柱21为独立控制。集气罐3作为高温燃气的储存转运容器，将燃气发生器2内产生的高温燃气分别输送至燃气姿控推力器6和推进剂贮箱5。优选的，集气罐3上安装有压力传感器4，压力传感器4获取集气罐3的压力并反馈给控制器1，实现压力闭环控制以及实时监控功能。推进剂贮箱5内储存有液体推进剂，与液体轨控发动机7连通并输送液体推进剂。燃气姿控推力器6，获取高温燃气并根据控制指令实现高温燃气的喷射，以此产生姿控推力。优选的，燃气姿控推力器6上对称安装有两台过飞行器质心轴心俯仰（或偏航）的姿控推力器，记为俯仰姿控推力器，两台俯仰姿控推力器同时作用时，由于推力方向对称相反，相互抵消，在不影响飞行器飞行姿态的情况下进行有效释压。液体轨控发动机7具有可重复启动、比冲性能高的特点。

本发明的固液双模式姿轨控动力系统的工作原理为：

S1，系统首次建压步骤：控制器1控制燃气发生器2点燃一根或多根固体药柱21，固体药柱21产生的高压燃气充入集气罐3内，建立系统的初始压力。集气罐3内的高压燃气一路进入推进剂贮箱5内，推动推进剂贮箱5内的推进剂至液体轨控发动机7的电磁阀前，同时另一路高温燃气直接供应至燃气姿控推力器6的控制阀前。系统初始压力建立得过程中，通过压力传感器4获取集气罐3的压力，若压力低于预设值，控制器1控制燃气发生器2再点燃一根新的固体药柱21，向集气罐3内补充压力；若压力值高于设定压力时，通过控制器1控制燃气姿控推力器6开启两台俯仰姿控推力器，释放集气罐3内的多余气体。

S2，系统工作步骤：燃气姿控推力器6控制阀门开启时，集气罐3内的高压燃气通过燃气姿控推力器6直接喷出产生姿态控制力；液体轨控发动机7控制阀门开启时，集气罐3内的高压燃气进入推进剂贮箱5中，推进剂贮箱5内的液体推挤剂在高压燃气的推动下被挤压进入液体轨控发动机7内燃烧并产生推力。随着燃气的消耗，压力传感器4检测到集气罐3内的压力小于预设值时，控制器1控制固体药柱21再次点燃，为集气罐3补充燃气。

S3，系统推力调整：收到需要调高系统推力的指令时，控制器1控制燃气发生器2点燃新的固体药柱21，为集气罐3持续增压直至达到目标压力，液体轨控发动机7的推力随液体推进剂入口压力上升而上升；收到需要调低系统推力的指令时，控制器1控制燃气姿控推力器6开启两台俯仰姿控推力器，释放集气罐3的压力直至达到目标压力，液体轨控发动机7推力随液体推进剂入口压力的下降而下降。

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。

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)

1.一种固液双模式姿轨控动力系统，其特征在于，包括控制器（1）、燃气发生器（2）、集气罐（3）、推进剂贮箱（5）、燃气姿控推力器（6）以及液体轨控发动机（7）；

所述燃气发生器（2）内设有固体药柱（21），所述燃气发生器（2）、所述集气罐（3）、所述推进剂贮箱（5）、所述液体轨控发动机（7）通过管道依次连通，所述集气罐（3）通过管道与所述燃气姿控推力器（6）连通，所述控制器（1）用于系统的控制；

所述控制器（1）控制所述燃气发生器（2）点燃所述固体药柱（21），所述固体药柱（21）燃烧产生高压燃气并充入所述集气罐（3）内，所述集气罐（3）内的高压燃气一路进入燃气姿控推力器（6）内，另一路进入所述推进剂贮箱（5）内将推进剂挤压至所述液体轨控发动机（7）内。

2.根据权利要求1所述的固液双模式姿轨控动力系统，其特征在于，所述燃气发生器（2）内集成有多根所述固体药柱（21），每根所述固体药柱（21）的点燃通过所述控制器（1）进行独立控制。

3.根据权利要求2所述的固液双模式姿轨控动力系统，其特征在于，所述固体药柱（21）的独立点燃控制用于实现所述液体轨控发动机（7）的重复启动以及推力调整。

4.根据权利要求1所述的固液双模式姿轨控动力系统，其特征在于，所述集气罐（3）设置有压力传感器（4），所述压力传感器（4）获取所述集气罐（3）的压力并反馈至所述控制器（1）。

5.根据权利要求1所述的固液双模式姿轨控动力系统，其特征在于，所述燃气姿控推力器（6）安装有两台俯仰姿控推力器，两台所述俯仰姿控推力器过飞行器质心轴心且对称设置于所述燃气姿控推力器（6）上；

所述集气罐（3）内压力高于预设值时，通过两台所述俯仰姿控推力器释放所述集气罐（3）内多余气体且保持飞行器的飞行姿态不变。

6.根据权利要求1所述的固液双模式姿轨控动力系统，其特征在于，所述液体轨控发动机（7）的推力大小与其液体推进剂入口处的压力大小成正比。

7.一种固液双模式姿轨控动力系统的控制方法，其特征在于，采用如权利要求1-6任一所述的固液双模式姿轨控动力系统，包括如下步骤：

S1，系统首次建压：所述控制器（1）控制所述燃气发生器（2）点燃一根或多根所述固体药柱（21），所述固体药柱（21）产生的高压气体充入所述集气罐（3）内，建立系统的初始压力，所述集气罐（3）内的高压燃气一路进入所述推进剂贮箱（5）内，推动推进剂至所述液体轨控发动机（7）的电磁阀前，同时另一路高温燃气直接供应至所述燃气姿控推力器（6）的控制阀前；

S2，系统工作：所述燃气姿控推力器（6）控制阀门开启，高压燃气通过姿控推力器喷出直接产生姿态控制力，液体轨控发动机（7）控制阀门开启，所述推进剂贮箱（5）中的液体推进剂在高压燃气的推动下被挤入所述液体轨控发动机（7）内燃烧并产生推力；

S3，系统推力调整：所述控制器（1）根据需要调高系统推力的指令，控制所述燃气发生器（2）点燃新的所述固体药柱（21），为所述集气罐（3）持续增压直至达到目标压力，所述液体轨控发动机（7）的推力随着液体推进剂入口压力上升而上升；所述燃气姿控推力器（6）安装有两台俯仰姿控推力器，两台所述俯仰姿控推力器过飞行器质心轴心且对称设置于所述燃气姿控推力器（6）上，所述控制器（1）根据需要调低系统推力的指令，控制所述燃气姿控推力器（6）开启两台所述俯仰姿控推力器释放所述集气罐（3）内的压力直至达到目标压力，所述液体轨控发动机（7）推力随着液体推进剂入口压力的下降而下降。

8.根据权利要求7所述的固液双模式姿轨控动力系统的控制方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述集气罐（3）设置有压力传感器（4），通过所述压力传感器（4）监测所述集气罐（3）的压力，若压力低于预设值，所述控制器（1）控制所述燃气发生器（2）点燃新的所述固体药柱（21）以向所述集气罐（3）内补充压力。

9.根据权利要求8所述的固液双模式姿轨控动力系统的控制方法，其特征在于，所述步骤S1中，若所述压力高于设定压力时，通过所述控制器（1）控制所述燃气姿控推力器（6）开启两台所述俯仰姿控推力器，将所述集气罐（3）内的多余气体释放并保持飞行器的飞行姿态不变。

10.根据权利要求7所述的固液双模式姿轨控动力系统的控制方法，其特征在于，所述步骤S2中，随着燃气的消耗，所述压力传感器（4）检测到压力小于预设值时，所述控制器（1）控制所述燃气发生器（2）点燃新的所述固体药柱（21），为所述集气罐（3）补充高压燃气。