CN115285378A - 具有稳压机构的姿控发动机装置、装配方法及加注方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有稳压机构的姿控发动机装置、装配方法及加注方法，包括贮箱壳体、弹性元件、压板、封闭气腔、稳定板以及封闭液腔，贮箱壳体包括连接姿控发动机机组的出口；封闭液腔、稳定板、封闭气腔、压板以及弹性元件五者，自贮箱壳体出口沿贮箱壳体的轴向，向贮箱壳体底部依次设置；压板和稳定板二者均与贮箱壳体的内壁滑移配合，压板和稳定板二者的滑移方向均平行于贮箱壳体的轴向。通过封闭液腔的上下游，在相同体积流量下，不同截面积导致行程差异的特点；提前将弹性元件势能进行蓄能，利用弹性元件在较小的行程下弹力变化不大的特点，将弹性元件的弹力与封闭气腔的压力进行动态平衡，实现姿控发动机机组模块入口压力稳定的作用。
Description
技术领域
本发明涉及姿控发动机结构设计技术领域，具体地，涉及一种具有稳压机构的姿控发动机装置、装配方法及加注方法。
背景技术
传统的姿控发动机系统包括落压式系统和恒压式系统，落压式姿控发动机系统是随着工作时间的变化，推力器入口压力不断衰减的系统。恒压式姿控发动机系统是保证推力器入口压力恒定的系统，恒压式姿控发动机具有推力稳定的优点。
随着航天科技水平的不断进步，一种可以快速响应的模块化姿控发动机装置需求日益提升。传统的恒压式姿控发动机装置主要由气瓶、减压器、贮箱、导管以及各类阀门组成，恒压式姿控发动机装置大部分的组件需要实现的功能是将推力器入口压力稳定在额定工况，通过减压阀将上游高压气(约20MP)转换为下游需要使用的低压气体(约1.5Mpa)。
现有公开号为CN113090414A的中国专利申请文献，其公开了一种姿控发动机包括推力室，推力室的头部具有混合腔；第一电磁阀具有第一通道，第一电磁阀与推力室相连接，控制第一电磁阀可使第一通道可选择地与混合腔相连通；第二电磁阀，第二电磁阀具有第二通道，第二电磁阀与推力室相连接，控制第二电磁阀可使第二通道可选择地与混合腔相连通；密封圈，所述密封圈设置于第一电磁阀与推力室的连接处，第一电磁阀为氧化剂电磁阀。
现有技术中的恒压式姿控发动机产品组件种类数量过多，系统复杂，模块化设计不足，通用化能力不足，无法满足日益增长的快速响应、快速装配的任务需求，存在待改进之处。
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具有稳压机构的姿控发动机装置、装配方法及加注方法。
根据本发明提供的一种具有稳压机构的姿控发动机装置,包括贮箱壳体、弹性元件、压板、封闭气腔、稳定板以及封闭液腔，所述贮箱壳体包括连接姿控发动机机组的出口；所述封闭液腔、稳定板、封闭气腔、压板以及弹性元件五者，自所述贮箱壳体出口沿贮箱壳体的轴向，向所述贮箱壳体底部依次设置；所述弹性元件的伸缩方向平行于贮箱壳体的轴向，所述压板和稳定板二者均与贮箱壳体的内壁滑移配合，且所述压板和稳定板二者的滑移方向均平行于贮箱壳体的轴向。
优选地，所述封闭气腔和封闭液腔二者均包括柔性腔体；所述封闭气腔包括充气口，所述充气口设置在贮箱壳体的外侧壁上，所述封闭液腔的出口与贮箱壳体的出口连通。
优选地，所述充气口安装有充气阀，所述封闭液腔的出口安装有加注阀。
优选地，所述贮箱壳体的内壁上设置有限位装置，所述弹性元件和压板二者均设置在限位装置远离贮箱壳体出口的一侧。
优选地，所述限位装置包括限位块，所述限位块凸出于贮箱壳体轴向中部的内壁。
优选地，所述压板靠近封闭气腔的侧壁设置为弧形面。
优选地，所述稳定板包括弧形板，所述弧形板与封闭气腔和封闭液腔二者接触的侧面均为弧形面。
优选地，所述贮箱壳体出口位于的贮箱壳体的内壁面设置为弧形面。
根据本发明提供的一种具有稳压机构的姿控发动机装置装配方法，装配方法包括如下步骤：S1、将所述弹性元件和压板二者压入至贮箱壳体内的限位装置处；S2、将所述封闭气腔安装入贮箱壳体内；S3、将所述稳定板安装入贮箱壳体内；S4、将所述封闭液腔安装入贮箱壳体内；S5、通过焊接工艺将贮箱壳体带有出口的一端封闭。
根据本发明提供的一种具有稳压机构的姿控发动机装置加注方法，加注方法包括如下步骤：M1、将推进剂加注至所述封闭液腔内，并将所述封闭液腔出口处的阀门关闭；M2、将所述贮箱壳体的出口与姿控发动机机组的进口对接；M3、通过所述封闭气腔的充气口对封闭气腔内充入低压气体，之后再关闭所述封闭气腔充气口处的阀门；M4、打开所述封闭液腔出口处和姿控发动机机组进口处的阀门，所述封闭液腔内的推进剂被压入姿控发动机机组的每台推力器内。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明通过封闭液腔的上下游，在相同体积流量下，不同的截面积导致行程差异巨大的特点，通过提前将弹性元件势能进行蓄能，利用弹性元件在较小的行程下弹力变化不大的特点，将弹性元件的弹力与封闭气腔的压力进行动态平衡，实现姿控发动机机组模块入口压力稳定的作用，且模块化、结构简单、可快速响应，可快速装配。
2、本发明通过弹簧和压板对封闭气腔压力的动态平衡，不需要高压气瓶及充入高压气体，不需要使用减压阀进行减压，结构简单，操作方便。
3、本发明通过模块化设计，可以通过约定安装接口的方式实现通用化及快速装配。
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为本发明主要体现具有稳压机构整体结构的示意图；
图2为本发明与传统落压式姿控发动机系统入口压力变化曲线对比图。
图中所示：
贮箱壳体1 封闭液腔6
弹性元件2 限位装置7
压板3 充气口8
封闭气腔4 姿控发动机机组9
稳定板5
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。
实施例一
如图1所示，根据本发明提供的一种具有稳压机构的姿控发动机装置，包括贮箱壳体1、弹性元件2、压板3、封闭气腔4、稳定板5以及封闭液腔6。贮箱壳体1包括连接姿控发动机机组9的出口。封闭液腔6、稳定板5、封闭气腔4、压板3以及弹性元件2五者，自贮箱壳体1出口沿贮箱壳体1的轴向，向贮箱壳体1底部依次设置。且弹性元件2的伸缩方向平行于贮箱壳体1的轴向，压板3和稳定板5二者均与贮箱壳体1的内壁滑移配合，压板3和稳定板5二者的滑移方向均平行于贮箱壳体1的轴向。
具体地，贮箱壳体1呈中空圆柱形，贮箱壳体1的一端设置有开口，贮箱壳体1的开口直径远远小于贮箱壳体1的直径。
弹性元件2包括弹簧或弹性块，本申请优选使用弹簧，本申请的弹性元件2可以包括多根弹簧，也可以包括一根弹簧，且任一弹性的伸缩方向均平行于贮箱壳体1的轴向。弹性元件2安装时，将弹簧压入贮箱壳体1内，使弹簧处于一次压缩状态。为了保证弹簧安装入贮箱壳体1内的一次压缩状态，贮箱壳体1内壁的中部一体成型有限位装置7，限位装置7包括限位块，限位块凸出于贮箱壳体1轴向中部的内壁。安装弹簧时，将弹簧压入贮箱壳体1内至限位装置7处，之后再将压板3装入弹簧和限位装置7之间，从而保证了弹簧在贮箱壳体1内安装到位后，处于第一次压缩状态。
此时，弹性元件2和压板3二者均位于限位装置7远离贮箱壳体1出口的一侧。压板3呈圆盘形，压板3的周侧壁与贮箱壳体1的内壁接触并滑移配合。压板3具有一定的厚度，能够保证压板3沿贮箱壳体1轴向滑移的稳定性。且优选地，弹簧在压板3上呈均匀分布，从而能够保证弹簧对压板3的力的均匀，进一步地保证了压板3沿贮箱壳体1轴向滑移的稳定性。
如图1所示，封闭气腔4包括柔性腔体，封闭气腔4由柔性材料制成，并具有足够的强度。封闭气腔4包括充气口8，充气口8设置在贮箱壳体1的外侧壁上。封闭气腔4的密封性良好，且封闭气腔4的容积可以根据使用工况设计调整。压板3靠近封闭气腔4的侧壁设置为弧形面，能够保证压板3在与封闭气腔4接触时，不会将封闭气腔4损坏，且压板3上弧形面的弧形中部位于压板3的几何中心，能够保证封闭气腔4作用于压板3的力的均匀，更进一步地保证了压板3沿贮箱壳体1轴向滑移的稳定性。
稳定板5设置在封闭气腔4背离压板3的一侧，稳定板5的边缘与贮箱壳体1的内壁接触并滑移配合。稳定板5的边缘具有一定厚度，能够保证稳定板5沿贮箱壳体1轴向的运动能力，并且不发生偏转现象。稳定板5包括弧形板，弧形板与封闭气腔4和封闭液腔6二者接触的侧面均为弧形面。弧形板采用柔性材料或刚性材料，需要说明的是，弧形板能够适应不同压差下的变形。
封闭液腔6设置在稳定板5背离封闭气腔4的一侧，封闭液腔6包括柔性腔体，封闭液腔6由柔性材料制成，并具有足够的强度，且封闭液腔6的开口与贮箱壳体1的开口连通。封闭液腔6与推进剂有良好的相容性，且封闭液腔6的密封性良好，封闭液腔6的容积可以根据使用工况设计调整。进一步地，贮箱壳体1出口位于的贮箱壳体1的内壁面设置为弧形面，从而减少了封闭液腔6被贮箱壳体1内壁损伤的情况发生。
进一步地，封闭气腔4的充气口8可以安装有充气阀，封闭液腔6的出口可以安装有加注阀，实现充气和加注功能。
进一步地，弹簧的刚度满足工作时，封闭气腔4充入推力器入口额定压力(约1.2MPa)后，压板3远离限位装置7一定距离。
装配时，先将弹性元件2压入贮箱壳体1内至限位装置7处，弹性元件2处于一次压缩状态，再对封闭液腔6进行加注推进剂(如无水肼、DT-3等)，加注完成后由封闭气腔4的充气口8对封闭气腔4充入推力器入口额定压力，弹性元件2处于二次压缩状态，压板3远离限位装置7一定距离，贮箱壳体1出口连接姿控发动机机组9。
实施例二
基于实施例一，根据本发明提供的一种具有稳压机构的姿控发动机装置的装配方法，采用上述的具有稳压机构的姿控发动机装置,装配方法包括如下步骤：
S1、将弹性元件2和压板3二者压入至贮箱壳体1内的限位装置7处。
S2、将封闭气腔4安装入贮箱壳体1内。
S3、将稳定板5安装入贮箱壳体1内。
S4、将封闭液腔6安装入贮箱壳体1内。
S5、通过焊接工艺将贮箱壳体1带有出口的一端封闭，并保证密封合格。
实施例三
基于实施例一，根据本发明提供的一种具有稳压机构的姿控发动机装置的加注方法，采用上述的具有稳压机构的姿控发动机装置,加注方法包括如下步骤：
M1、将推进剂通过抽真空的方式加注至封闭液腔6内，并将封闭液腔6出口处的阀门关闭。
M2、将所述贮箱壳体1的出口与姿控发动机机组9的进口对接。
M3、通过封闭气腔4的充气口8对封闭气腔4内充入低压气体，充入封闭气腔4内的气体的额定压力为推力器入口的额定压力(约1.2MPa)，之后再关闭封闭气腔4充气口8处的阀门。
M4、打开封闭液腔6出口处和姿控发动机机组9进口处的阀门，封闭液腔6内的推进剂被封闭气腔4压入姿控发动机机组9的每台推力器内，弹性元件2挤压压板3保持封闭气腔4压力的平衡。
需要注意的是：箭上控制系统通过电缆控制每个推力器的电磁阀工作，由于单台推力器工作流量较小，且一般处于脉冲工作状态。封闭气腔4的直径远远大于封闭液腔6出口的直径，因此弹性元件2的伸缩速度变得缓慢，弹性元件2压紧力变化较小，从而实现封闭气腔4压力平衡的效果，推力器入口的压力稳定在额定压力附近。
本申请利用封闭液腔6的上下游，在相同体积流量下，不同的截面积导致行程差异巨大的特点。提前将弹性元件2势能进行蓄能，利用弹性元件2在较小的行程下弹力变化不大的特点，将弹性元件2的弹力与封闭气腔4的压力进行动态平衡，实现姿控发动机机组9模块入口压力稳定的作用。模块化、结构简单、可快速响应，且可广泛应用于航天各个领域姿控发动机产品。
实施例四
基于实施例一，根据本发明提供的一种具有稳压机构的姿控发动机装置，下游姿控发动机机组9的推力器工作时最大的体积流量为0.15L/s，贮箱壳体1的直径为300mm，低压气体压力为1.2MPA,弹性元件2采用多个弹簧的形式，则弹簧需要克服1.2MPA气体的弹力为F＝P×S＝84780N；其中F表示力的大小，P表示压强，S表示面积。
选用三根弹簧，每根弹簧线径d为12mm、有效圈数5圈、外径D2为100mm的弹簧，钢弹簧的切变模量G＝8×104MPa，则弹性系数为：
弹簧压缩行程x1＝681mm，体积流量QL＝0.15L/s对应的压板3移动速度为：
如图2所示，经计算，推力器工作10s工况下弹簧力减少21/681＝3％，封闭气腔4压力减少0.036MPa，实现稳压功能，以初始气垫厚度100mm计算，与传统落压式姿控发动机系统入口压力变化曲线见附图。
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)
1.一种具有稳压机构的姿控发动机装置，其特征在于，包括贮箱壳体(1)、弹性元件(2)、压板(3)、封闭气腔(4)、稳定板(5)以及封闭液腔(6)，所述贮箱壳体(1)包括连接姿控发动机机组(9)的出口；
所述封闭液腔(6)、稳定板(5)、封闭气腔(4)、压板(3)以及弹性元件(2)五者，自所述贮箱壳体(1)出口沿贮箱壳体(1)的轴向，向所述贮箱壳体(1)底部依次设置；
所述弹性元件(2)的伸缩方向平行于贮箱壳体(1)的轴向，所述压板(3)和稳定板(5)二者均与贮箱壳体(1)的内壁滑移配合，且所述压板(3)和稳定板(5)二者的滑移方向均平行于贮箱壳体(1)的轴向。
2.如权利要求1所述的具有稳压机构的姿控发动机装置，其特征在于，所述封闭气腔(4)和封闭液腔(6)二者均包括柔性腔体；
所述封闭气腔(4)包括充气口(8)，所述充气口(8)设置在贮箱壳体(1)的外侧壁上，所述封闭液腔(6)的出口与贮箱壳体(1)的出口连通。
3.如权利要求2所述的具有稳压机构的姿控发动机装置，其特征在于，所述充气口(8)安装有充气阀，所述封闭液腔(6)的出口安装有加注阀。
4.如权利要求1所述的具有稳压机构的姿控发动机装置，其特征在于，所述贮箱壳体(1)的内壁上设置有限位装置(7)，所述弹性元件(2)和压板(3)二者均设置在限位装置(7)远离贮箱壳体(1)出口的一侧。
5.如权利要求4所述的具有稳压机构的姿控发动机装置，其特征在于，所述限位装置(7)包括限位块，所述限位块凸出于贮箱壳体(1)轴向中部的内壁。
6.如权利要求1所述的具有稳压机构的姿控发动机装置，其特征在于，所述压板(3)靠近封闭气腔(4)的侧壁设置为弧形面。
7.如权利要求1所述的具有稳压机构的姿控发动机装置，其特征在于，所述稳定板(5)包括弧形板，所述弧形板与封闭气腔(4)和封闭液腔(6)二者接触的侧面均为弧形面。
8.如权利要求1所述的具有稳压机构的姿控发动机装置，其特征在于，所述贮箱壳体(1)出口位于的贮箱壳体(1)的内壁面设置为弧形面。
9.一种具有稳压机构的姿控发动机装置的装配方法，其特征在于，采用权利要求1-8任一项所述的具有稳压机构的姿控发动机装置,装配方法包括如下步骤：
S1、将所述弹性元件(2)和压板(3)二者压入至贮箱壳体(1)内的限位装置(7)处；
S2、将所述封闭气腔(4)安装入贮箱壳体(1)内；
S3、将所述稳定板(5)安装入贮箱壳体(1)内；
S4、将所述封闭液腔(6)安装入贮箱壳体(1)内；
S5、通过焊接工艺将贮箱壳体(1)带有出口的一端封闭。
10.一种的具有稳压机构的姿控发动机装置的加注方法，其特征在于，采用权利要求1-8任一项所述的具有稳压机构的姿控发动机装置,加注方法包括如下步骤：
M1、将推进剂加注至所述封闭液腔(6)内，并将所述封闭液腔(6)出口处的阀门关闭；
M2、将所述贮箱壳体(1)的出口与姿控发动机机组(9)的进口对接；
M3、通过所述封闭气腔(4)的充气口(8)对封闭气腔(4)内充入低压气体，之后再关闭所述封闭气腔(4)充气口(8)处的阀门；
M4、打开所述封闭液腔(6)出口处和姿控发动机机组(9)进口处的阀门，所述封闭液腔(6)内的推进剂被压入姿控发动机机组(9)的每台推力器内。
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