專利名稱：一種高效利用雙組元推進劑的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種高效利用雙組元推進劑的方法，屬于衛(wèi)星雙組元推進系統(tǒng)技術。
背景技術：
衛(wèi)星雙組元推進系統(tǒng)具有比沖高的特點，使用M0N-1 (氧化劑)和MMH (燃燒劑)2種推進劑作為工質(zhì)，但是兩種推進劑組元需要按照特定的混合比(質(zhì)量比)進入發(fā)動機燃燒才能達到最好的效果。由于通常在軌的雙組元推進系統(tǒng)沒有在軌混合比主動控制能力，其混合比指標只能依靠推進劑管道、發(fā)動機和推力器的設計和生產(chǎn)來保證，最終的混合比偏差指標要求通常是不大于3%，那么對于攜帶3100kg推進劑的15年壽命衛(wèi)星來說，需要預留93kg推進劑作為混合比偏差的余量。如果衛(wèi)星推進系統(tǒng)具備了在軌主動控制混合比的能力，將混合比偏差控制在1%以內(nèi)，只需預留31kg推進劑作為混合比偏差余量即可，這樣就能夠節(jié)省62kg推進劑，相當于衛(wèi)星I年多的壽命。此外，如果混合比偏離設計值，將會造成一種推進劑消耗完而另一種推進劑還有剩余的情況，這不僅僅是浪費推進劑，而且無法使用的推進劑相當于增加了航天器的重量，還得消耗更多的推進劑。例如混合比偏差較大，達到了3%的情況下，衛(wèi)星壽命末期就會有57kg的氧化劑或36kg的燃燒劑無法使用，那么為了將這些無用的推進劑送到軌道，已經(jīng)消耗了與其質(zhì)量相當?shù)耐七M劑，綜合起來，相當于浪費了114kg推進劑。對于并聯(lián)貯箱結構的推進系統(tǒng)來說，一個重要的問題是推進劑平衡排放能力。若兩只并聯(lián)貯箱的推進劑排放不平衡，則當一只貯箱內(nèi)推進劑排空后，再繼續(xù)就會把貯箱內(nèi)的氣體排出，使得推進劑管道中的推進劑夾氣，推力器和發(fā)動機無法工作，衛(wèi)星壽命結束。而且另一只貯箱內(nèi)剩余推進劑就會成為呆重，不僅無法使用，還會導致額外浪費推進劑。對于攜帶推進劑3000kg的衛(wèi)星來說，每只貯箱內(nèi)加注量為934kg氧化劑或566kg燃燒劑，若貯箱并聯(lián)排放的不平衡率為3%，到衛(wèi)星壽命末期會有28kg氧化劑和17kg燃燒劑成為呆重，還要額外消耗45kg推進劑將這些呆重(推進劑)送到衛(wèi)星軌道。若能夠?qū)①A箱并聯(lián)平衡排放指標控制到I %以內(nèi)，綜合起來就能夠節(jié)省約60kg推進劑。此外，若并聯(lián)貯箱排放不平衡，將導致衛(wèi)星質(zhì)心偏斜，嚴重時可導致變軌發(fā)動機點火時姿態(tài)無法控制。典型的航天器用并聯(lián)貯箱結構雙組元推進系統(tǒng)的系統(tǒng)配置如圖I所示，4只推進劑貯箱統(tǒng)一由機械減壓氣路供氣。并聯(lián)貯箱的平衡排放只能由貯箱下游的管路流阻實現(xiàn)被動控制，系統(tǒng)混合比也只能通過在減壓氣路上配置壓降相近的單向閥來實現(xiàn)被動控制，整個推進系統(tǒng)無主動控制系統(tǒng)混合比和貯箱并聯(lián)平衡排放的能力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的解決問題克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種高效利用雙組元推進劑的方法，在提高剩余推進劑測量精度的基礎上，實現(xiàn)對并聯(lián)貯箱平衡排放和系統(tǒng)混合比的主動控制，大幅提聞推進劑利用效率。
本發(fā)明的技術解決方案一種高效利用雙組元推進劑的方法，在氣瓶(I)和每組元推進劑貯箱(8)之間用氣體旁路(11)連接，所述氣體旁路(11)由2只自鎖閥(7)和I只氣容(13)連接而成，氣容(13)處于2只自鎖閥(7)之間。為提高氣體旁路(11)的可靠性，在氣體旁路(11)兩端增加第一常開電爆閥(12)或常閉電爆閥(14)，起到故障隔離作用。為避免2種組元的推進劑蒸汽通過氣體旁路(11)在上游相遇而發(fā)生爆炸，在2個氣體旁路(11)的之間設置第二常開電爆閥(15)，在使用氣體旁路(11)前啟爆該第二常開電爆閥(15)，將2組氣體旁路(11)的連接斷開，并且把氣瓶(I)分為2組，分別與2個氣體旁路(11)連接，并通過氣體旁路(11)分別給每種組元的推進劑貯箱(8)供氣。為了能夠在地面上對氣體旁路(11)性能進行測試，在氣體旁路(11)上游設置加排閥⑶
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于本發(fā)明實現(xiàn)了對剩余推進劑的精確測量以及對并聯(lián)貯箱平衡排放和系統(tǒng)混合比的主動控制，大幅提高推進劑利用效率，并且還能夠作為機械減壓支路的功能備份，消除系統(tǒng)單點故障，提高系統(tǒng)可靠性。具體如下I、精確測量剩余推進劑。通過氣體旁路(11)，可以將氣瓶(I)內(nèi)的高壓氣體以精確的體積注入到推進劑貯箱(8)內(nèi)，利用壓力傳感器(2)精確測量注入前后氣瓶(I)和推進劑貯箱(8)的壓力，根據(jù)氣體狀態(tài)方程即可精確計算出每只推進劑貯箱(8)內(nèi)氣體和液體的體積。剩余推進劑精確測量是為了獲得當前系統(tǒng)混合比和并聯(lián)貯箱平衡排放情況，制定后續(xù)的控制目標。2、主動控制并聯(lián)貯箱平衡排放。通過控制并聯(lián)的推進劑貯箱(8)中每只推進劑貯箱(8)的壓力能夠?qū)崿F(xiàn)對并聯(lián)貯箱平衡排放指標的主動控制，例如通過提高推進劑貯箱MON-A的壓力，就能夠增加推進劑貯箱MON-A排出的氧化劑(M0N-1)的流量，從而控制推進劑貯箱MON-A和MON-B的平衡排放指標。3、主動控制系統(tǒng)混合比。通過控制不同組元推進劑貯箱(8)的壓力能夠?qū)崿F(xiàn)對系統(tǒng)混合比指標的主動控制，例如通過提高推進劑貯箱MMH-A和MMH-B的壓力，就能夠提高軌控發(fā)動機(9)和姿控推力器(10)燃燒劑入口壓力，使得燃燒劑(MMH)的流量增大，從而降低系統(tǒng)的混合比。4、作為機械減壓支路的功能備份，消除系統(tǒng)單點故障。圖I中推進劑貯箱(8)的壓力只能由減壓器(4)和單向閥(5)維持和控制，若減壓器(4)和單向閥(5)任何一個出現(xiàn)故障，都能導致系統(tǒng)失效，屬于單點故障。在增加了氣體旁路(11)后，可以在減壓器(4)和單向閥(5)發(fā)生故障時，通過控制氣體旁路(11)中自鎖閥(7)的開關來控制推進劑貯箱
(8)的壓力，從而消除系統(tǒng)的單點故障。經(jīng)過地面測試，本發(fā)明可將混合比偏差控制到O. 8%以內(nèi)，將貯箱并聯(lián)平衡排放指標控制到O. 8 %以內(nèi)，相當于節(jié)省了 5 % 6 %的推進劑，對于GEO軌道15年壽命衛(wèi)星來說，相當于3 4年壽命。


圖I為典型的航天器用并聯(lián)貯箱結構雙組元推進系統(tǒng)原理圖；圖2為本發(fā)明實現(xiàn)的系統(tǒng)原理圖。
具體實施例方式如圖I所示，典型的航天器用并聯(lián)貯箱結構雙組元推進系統(tǒng)基本由氣瓶I、壓力傳感器2、加排閥3、減壓器4、單向閥5、常開電爆閥6、自鎖閥7、推進劑貯箱8、軌控發(fā)動機9和姿控推力器10組成，其中氣瓶I用于存儲高壓氣體(通常是氦氣)；推進劑貯箱8用于存儲推進劑；氣瓶I和推進劑貯箱8之間由減壓器4和單向閥5連接，并配置必須的壓力傳感器2、加排閥3、常開電爆閥6和自鎖閥7 ;減壓器4用于對氣瓶I中的高壓氣體進行減壓并注入推進劑貯箱8，以維持推進劑貯箱8的壓力穩(wěn)定；單向閥5用于防止不同組元的推進劑貯箱8內(nèi)的推進劑蒸汽反向擴散到減壓器下游的交匯點，避免發(fā)生爆炸危險；壓力傳感器2用于測量氣瓶I和推進劑貯箱8的壓力；加排閥3用于地面操作，給氣瓶I和推進劑貯箱8加注或排放推進劑和氣體；常開電爆閥6用于切斷推進劑貯箱8和上游供氣管道之間的連接，切斷時機是在軌控發(fā)動機完成任務后或者上游供氣管道發(fā)生故障時；自鎖閥7用于控制氣體或推進劑管道的通斷。在氣瓶I和每組元推進劑貯箱8之間用氣體旁路11連接，所述氣體旁路11由2只自鎖閥7和I只氣容13連接而成，氣容13處于2只自鎖閥7之間。為提高氣體旁路11的可靠性，在氣體旁路11兩端增加第一常開電爆閥12或常閉電爆閥14，起到故障隔離作用。為避免2種組元的推進劑蒸汽通過氣體旁路11在上游相遇而發(fā)生爆炸，在2個氣體旁路11的之間設置第二常開電爆閥15，在使用氣體旁路11前啟爆該第二常開電爆閥15，將2組氣體旁路11的連接斷開，并且把氣瓶I分為2組，分別與2個氣體旁路11連接，并通過氣體旁路11分別給每種組元的推進劑貯箱8供氣。為了能夠在地面上對氣體旁路11性能進行測試，在氣體旁路11上游設置加排閥3。一種高效利用雙組元推進劑的方法能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能I、精確測量剩余推進劑。如圖2所示，以測量推進劑貯箱MON-A為例，在測量前確認常閉電爆閥14已起爆，自鎖閥LV2、LV3、LV5和LV6處于關閉狀態(tài)，自鎖閥LVl和LV4處于開啟狀態(tài)，然后打開自鎖閥LV5使氣瓶中的高壓氣體充入氣容13，待穩(wěn)定后關閉自鎖閥LV5，隨即打開自鎖閥LV6將氣容13里的氣體注入推進劑貯箱Μ0Ν-Α。通過壓力傳感器2采集注入前后氣容13和推進劑貯箱MON-A的壓力變化，即可通過基于氣體狀態(tài)方程的剩余量測量模型精確計算出貯箱MON-A中的剩余推進劑。測量其它推進劑貯箱8內(nèi)的剩余推進劑的方法類似。2、主動控制并聯(lián)貯箱平衡排放。根據(jù)精確測量得到的貯箱剩余推進劑量，可計算出并聯(lián)貯箱的平衡排放情況。將剩余推進劑量以及當前系統(tǒng)的壓力和溫度數(shù)據(jù)帶入到相應的并聯(lián)貯箱平衡排放仿真模型中，即可得到同種推進劑貯箱(Μ0Ν-Α和MON-B，MMH-A和MMH-B)需要調(diào)整的壓差目標。以調(diào)整推進劑貯箱MON-A和MON-B的并聯(lián)平衡排放指標為例，根據(jù)計算結果，若需要提高推進劑貯箱MON-A壓力，首先確認常閉電爆閥14已起爆，自鎖閥LV2、LV3、LV5和LV6處于關閉狀態(tài)，自鎖閥LVl和LV4處于開啟狀態(tài)，然后打開自鎖閥LV5使氣瓶中的高壓氣體充入氣容13，待穩(wěn)定后關閉自鎖閥LV5，隨即打開自鎖閥LV6將氣容13里的氣體注入推進劑貯箱Μ0Ν-Α，根據(jù)推進劑貯箱MON-A的壓力變化情況決定自鎖閥LV6的關閉時機，使得推進劑貯箱MON-A與MON-B的壓差達到目標值。其它的調(diào)整情況類似。3、主動控制系統(tǒng)混合比。根據(jù)精確測量得到的貯箱剩余推進劑量，可計算出系統(tǒng)的混合比，以及剩余推進劑的組元比。將剩余推進劑量以及當前系統(tǒng)的壓力和溫度數(shù)據(jù)帶入到系統(tǒng)混合比仿真模型中，即可得到2種組元的推進劑貯箱(MON-A、MON-B和MMH-A、MMH-B)需要調(diào)整的壓力幅度。例如，根據(jù)計算結果，若需要提高系統(tǒng)混合比，則需要提高推進劑貯箱MON-A和MON-B的壓力，首先確認常閉電爆閥14已起爆，自鎖閥LV2、LV3、LV5和LV6處于關閉狀態(tài)，自鎖閥LVl和LV4處于開啟狀態(tài)，然后打開自鎖閥LV5使氣瓶中的高壓氣體充入氣容13，待穩(wěn)定后關閉自鎖閥LV5，隨即打開自鎖閥LV6將氣容13里的氣體注入推進劑貯箱Μ0Ν-Α，根據(jù)推進劑貯箱MON-A的壓力變化情況決定自鎖閥LV6的關閉時機，使得推進劑貯箱MON-A的壓力達到目標值。之后關閉自鎖閥LVl和LV4，開啟自鎖閥LV2和LV3，再打開自鎖閥LV5使氣瓶中的高壓氣體充入氣容13，待穩(wěn)定后關閉自鎖閥LV5，隨即打開自鎖閥LV6將氣容13里的氣體注入推進劑貯箱Μ0Ν-Β，根據(jù)推進劑貯箱MON-B的壓力變化情況決定自鎖閥LV6的關閉時機，使得推進劑貯箱MON-B的壓力也達到目標值。降低系 統(tǒng)混合比的操作是提高推進劑貯箱MMH-A和MMH-B的壓力，操作過程類似。4、作為機械減壓支路的功能備份。若機械減壓支路(減壓器4和單向閥5所在管路)失效，可利用氣體旁路11完成機械減壓支路的功能。以控制推進劑貯箱MON-A和MON-B的壓力為例，首先確認常閉電爆閥14已起爆，將自鎖閥LV5置于關閉狀態(tài)，自鎖閥LVl、LV2、LV3、LV4和LV6置于開啟狀態(tài)，然后通過控制自鎖閥LV5的開關來控制氣體從氣瓶I注入到推進劑貯箱8中，并維持推進劑貯箱8的壓力穩(wěn)定。另外，控制自鎖閥LV6的開關也能夠?qū)崿F(xiàn)上述功能。控制推進劑貯箱MMH-A和MMH-B的壓力的方法類似。本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬本領域技術人員的公知技術。
權利要求
1.一種高效利用雙組元推進劑的方法，其特征在于在氣瓶(I)和每組元推進劑貯箱(8)之間用氣體旁路(11)連接，所述氣體旁路(11)由2只自鎖閥(7)和I只氣容(13)連接而成，氣容(13)處于2只自鎖閥(7)之間。
2.根據(jù)權利要求I所述的高效利用雙組元推進劑的方法，其特征在于為提高氣體旁路(11)的可靠性，在氣體旁路(11)兩端增加第一常開電爆閥(12)或常閉電爆閥(14)，起到故障隔離作用。
3.根據(jù)權利要求I所述的高效利用雙組元推進劑的方法，其特征在于:為避免2種組元的推進劑蒸汽通過氣體旁路(11)在上游相遇而發(fā)生爆炸，在2個氣體旁路(11)的之間設置第二常開電爆閥(15)，在使用氣體旁路(11)前啟爆該第二常開電爆閥(15)，將2組氣體旁路(11)的連接斷開，并且把氣瓶(I)分為2組，分別與2個氣體旁路(11)連接，并通過氣體旁路(11)分別給每種組元的推進劑貯箱(8)供氣。
4.根據(jù)權利要求I所述的高效利用雙組元推進劑的方法，其特征在于為了能夠在地面上對氣體旁路(11)性能進行測試，在氣體旁路(11)上游設置加排閥(3)。
全文摘要
本發(fā)明屬于雙組元推進系統(tǒng)技術領域。為有效利用推進劑，提出了一種高效利用雙組元推進劑的方法，通過在高壓氣瓶和貯箱之間增加氣體旁路，實現(xiàn)了以下功能提高推進劑剩余量測量精度；主動控制并聯(lián)貯箱平衡排放；主動控制系統(tǒng)混合比；可作為機械減壓支路的功能備份，消除系統(tǒng)單點故障，提高系統(tǒng)可靠性。一種高效利用雙組元推進劑的方法可廣泛用于各種桁架式衛(wèi)星，并可推廣至所有采用雙組元推進系統(tǒng)的衛(wèi)星，提升雙組元推進系統(tǒng)性能，提高雙組元推進系統(tǒng)的在軌管理能力。
文檔編號F02K9/28GK102926889SQ20121043136
公開日2013年2月13日 申請日期2012年10月31日 優(yōu)先權日2012年10月31日
發(fā)明者梁軍強, 李永, 宋濤, 馬云華, 李湘寧, 耿永兵, 李澤, 黃江川, 王曉磊, 林震, 林星榮, 林長杰, 王雪婷, 張廣科 申請人:北京控制工程研究所