一種航天器推進(jìn)劑在軌加注系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種航天器推進(jìn)劑在軌加注系統(tǒng)及方法，采用了先一次排氣后再增壓加注的技術(shù)，使得目標(biāo)貯箱和加注貯箱不需要?dú)饴泛鸵郝吠瑫r(shí)連接，只用單一的液路進(jìn)行連接，簡(jiǎn)化了對(duì)接機(jī)構(gòu)；補(bǔ)給航天器不需要安裝泵進(jìn)行增壓加注，不但避免了泵中電機(jī)旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的姿態(tài)干擾力矩，而且降低了加注時(shí)的增壓壓力，提升任務(wù)的可靠性；加注之前對(duì)目標(biāo)航天器貯箱泄壓至推進(jìn)劑飽和蒸汽壓以下的措施，確保了目標(biāo)航天器貯箱填充率達(dá)到較高的水平。此外，該系統(tǒng)具有可重復(fù)使用的特性，補(bǔ)給航天器可以對(duì)多個(gè)目標(biāo)或?qū)σ粋€(gè)目標(biāo)進(jìn)行多次在軌補(bǔ)給，為在軌加注服務(wù)的進(jìn)一步實(shí)施奠定基礎(chǔ)。
【專利說(shuō)明】一種航天器推進(jìn)劑在軌加注系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明公開(kāi)了推進(jìn)劑在軌加注系統(tǒng)及方法，尤其涉及一種航天器推進(jìn)劑在軌加注系統(tǒng)及方法，屬于航天【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著我國(guó)航天技術(shù)的發(fā)展，許多昂貴并有重大價(jià)值的有效載荷逐漸應(yīng)用到空間平臺(tái)中。而空間在軌系統(tǒng)由于自身?xiàng)l件的限制和空間環(huán)境的影響，在沒(méi)有任何補(bǔ)給和維護(hù)的條件下，常常由于燃料有限而被迫終止使用，不得不重新制造和發(fā)射全新的系統(tǒng)加以取代，造成不必要的損失和浪費(fèi)。一味通過(guò)提高運(yùn)載發(fā)射能力增加推進(jìn)劑攜帶量而延長(zhǎng)在軌航天器壽命的方法不能從根本上滿足未來(lái)航天發(fā)展要求，還會(huì)帶來(lái)許多不利影響。
[0003]在軌加注服務(wù)是對(duì)空間在軌系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)定或應(yīng)急的在軌燃料加注服務(wù)的空間活動(dòng)，能夠延長(zhǎng)在軌系統(tǒng)使用壽命，擴(kuò)展和提高系統(tǒng)性能。該服務(wù)進(jìn)一步方便了航天任務(wù)的實(shí)施，降低在軌系統(tǒng)全壽命周期成本，提高整體性能，降低風(fēng)險(xiǎn)，增強(qiáng)航天任務(wù)靈活性，為進(jìn)行長(zhǎng)期頻繁的空間活動(dòng)提供強(qiáng)有力的后勤保障。
[0004]航天器在軌加注過(guò)程，就是攜帶補(bǔ)給推進(jìn)劑的航天器(補(bǔ)給航天器)與需要進(jìn)行推進(jìn)劑補(bǔ)給的航天器(目標(biāo)航天器)在空間中實(shí)現(xiàn)交會(huì)對(duì)接后，通過(guò)連通的管路將推進(jìn)劑(通常是常規(guī)液體推進(jìn)劑，如胼二甲肼)由補(bǔ)給航天器貯箱輸送到目標(biāo)航天器貯箱的過(guò)程。其中空間流體傳輸技術(shù)是在軌加注的關(guān)鍵技術(shù)，由于飛行器處于微重力環(huán)境，受到液體表面張力、飛行器姿態(tài)變化等因素的影響，貯箱內(nèi)部的推進(jìn)劑和增壓氣體在沒(méi)有推進(jìn)劑管理的情況下處于氣液混合的無(wú)序狀態(tài)，而在軌加注服務(wù)要求在微重力環(huán)境下把無(wú)蒸汽的單相液體以特定的熱力學(xué)狀態(tài)從補(bǔ)給航天器貯箱輸送到目標(biāo)航天器貯箱中，這使得空間流體傳輸過(guò)程十分復(fù)雜。因此對(duì)于空間攜帶有推進(jìn)劑的補(bǔ)給航天器，需要采取一種既簡(jiǎn)單又可靠的方式將單相液體推進(jìn)劑傳輸?shù)侥繕?biāo)航天器上。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題:克服現(xiàn)有在推進(jìn)劑加注服務(wù)過(guò)程中，如何將補(bǔ)給航天器中的推進(jìn)劑穩(wěn)定地傳輸?shù)侥繕?biāo)航天器中的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種航天器推進(jìn)劑在軌加注系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)簡(jiǎn)單，方法可靠。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種航天器推進(jìn)劑在軌加注系統(tǒng)，包括目標(biāo)航天器加注系統(tǒng)和補(bǔ)給航天器加注系統(tǒng)，其中目標(biāo)航天器加注系統(tǒng)由目標(biāo)對(duì)接接口、第四閥門M4、目標(biāo)貯箱、第一壓力傳感器P1、第一溫度傳感器Tl、第三閥門M3、排氣閥、第二閥門M2、第一減壓器、第一閥門Ml和目標(biāo)貯箱氣源系統(tǒng)組成，目標(biāo)貯箱氣源系統(tǒng)依次通過(guò)第一閥門Ml、第一減壓器、第二閥門M2與目標(biāo)貯箱的一端相連通，在目標(biāo)貯箱與第二閥門M2之間分別安裝第一壓力傳感器P1、第一溫度傳感器Tl和第三閥門M3，排氣閥通過(guò)第三閥門M3與目標(biāo)貯箱相連通，目標(biāo)貯箱的另一端通過(guò)第四閥門M4與目標(biāo)對(duì)接接口相連通；補(bǔ)給航天器加注系統(tǒng)由補(bǔ)給對(duì)接接口、第五閥門M5、加注貯箱、第二壓力傳感器P2、第六閥門M6、安全閥、第七閥門M7、第二減壓器、第八閥門M8和加注貯箱氣源系統(tǒng)組成，加注貯箱氣源系統(tǒng)依次通過(guò)第八閥門M8、第二減壓器、第七閥門M7與加注貯箱相連通，在加注貯箱與第七閥門M7之間分別安裝第二壓力傳感器P2和第六閥門M6，安全閥通過(guò)第六閥門M6與加注貯箱相連通，加注貯箱的另一端通過(guò)第五閥門M5與加注對(duì)接接口相連通。
[0007]一種利用在軌加注系統(tǒng)的在軌加注方法，步驟如下
[0008](I)將目標(biāo)航天器中沉底發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，完成目標(biāo)貯箱中的推進(jìn)劑沉底；
[0009](2)然后將目標(biāo)航天器加注系統(tǒng)與補(bǔ)給航天器加注系統(tǒng)通過(guò)對(duì)接接口進(jìn)行對(duì)接；
[0010]( 3 )打開(kāi)第三閥門M3對(duì)目標(biāo)貯箱進(jìn)行排氣，通過(guò)第一測(cè)壓傳感器Pl測(cè)量目標(biāo)貯箱內(nèi)部的壓力，當(dāng)目標(biāo)貯箱內(nèi)部壓力達(dá)到推進(jìn)劑的飽和蒸氣壓以下時(shí)，維持對(duì)目標(biāo)貯箱排氣30-40s后關(guān)閉第三閥門M3 ；
[0011](4)依次打開(kāi)第五閥門M5和第四閥門M4，利用加注貯箱對(duì)目標(biāo)貯箱進(jìn)行加注；
[0012](5)打開(kāi)第七閥門M7和第八閥門M8，利用加注貯箱氣源系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)貯箱進(jìn)行增壓；
[0013](6)通過(guò)第一測(cè)壓傳感器Pl測(cè)量目標(biāo)貯箱內(nèi)部的壓力，當(dāng)目標(biāo)貯箱達(dá)到工作壓力時(shí)，關(guān)閉第四閥門M4、第五閥門M5、第七閥門M7和第八閥門M8，將目標(biāo)航天器加注系統(tǒng)與補(bǔ)給航天器加注系統(tǒng)脫開(kāi)，完成加注。
[0014]所述加注貯箱對(duì)目標(biāo)貯箱加注的速度為10L/min。
[0015]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于:本發(fā)明采用了先一次排氣后再增壓加注的技術(shù)，使得目標(biāo)貯箱和加注貯箱不需要?dú)饴泛鸵郝吠瑫r(shí)連接，只用單一的液路進(jìn)行連接，簡(jiǎn)化了對(duì)接機(jī)構(gòu)；補(bǔ)給航天器不需要安裝泵進(jìn)行增壓加注，不但避免了泵中電機(jī)旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的姿態(tài)干擾力矩，而且降低了加注時(shí)的增壓壓力，提升任務(wù)的可靠性；加注之前對(duì)目標(biāo)航天器貯箱泄壓至推進(jìn)劑飽和蒸汽壓以下的措施，確保了目標(biāo)航天器貯箱填充率達(dá)到較高的水平。此外，該系統(tǒng)具有可重復(fù)使用的特性，補(bǔ)給航天器可以對(duì)多個(gè)目標(biāo)或?qū)σ粋€(gè)目標(biāo)進(jìn)行多次在軌補(bǔ)給，為在軌加注服務(wù)的進(jìn)一步實(shí)施奠定基礎(chǔ)。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1為本發(fā)明系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]基于空間在軌加注服務(wù)技術(shù)的研究基礎(chǔ)，目前已有的常規(guī)推進(jìn)劑在軌補(bǔ)給方式有三種:一是直接加注方式、二是模塊更換方式、三是模塊新增方式。其中直接加注方式的工程實(shí)施性更好，已被俄羅斯和美國(guó)的航天任務(wù)采用。這種在軌加注方式需要目標(biāo)航天器和補(bǔ)給航天器具備相應(yīng)的在軌補(bǔ)給接口和管路系統(tǒng)，不會(huì)對(duì)航天器總體布局方案造成很大影響。同時(shí)，系統(tǒng)具有可重復(fù)使用的特點(diǎn)，補(bǔ)給航天器可以對(duì)多個(gè)目標(biāo)或?qū)σ粋€(gè)目標(biāo)進(jìn)行多次在軌補(bǔ)給。
[0018]在微重力環(huán)境下，貯箱內(nèi)部的推進(jìn)劑和增壓氣體處于氣液混合的狀態(tài)，需要將貯箱內(nèi)部的大量增壓氣體排出而保留液態(tài)的推進(jìn)劑，本發(fā)明提出并設(shè)計(jì)了一種在軌加注的系統(tǒng)方案，該方案首先進(jìn)行目標(biāo)航天器推進(jìn)劑沉底，然后通過(guò)對(duì)接接口管路使目標(biāo)航天器與補(bǔ)給航天器組成一個(gè)組合體，之后對(duì)目標(biāo)航天器進(jìn)行排氣，將目標(biāo)貯箱壓力降到液體推進(jìn)劑的飽和蒸氣壓以下，后采用直接加注的方式進(jìn)行加注并由補(bǔ)給航天器對(duì)其進(jìn)行增壓加注，當(dāng)達(dá)到目標(biāo)航天器貯箱的工作壓力時(shí)，停止加注并撤出對(duì)接接口管路，從而實(shí)現(xiàn)補(bǔ)給航天器對(duì)目標(biāo)航天器的推進(jìn)劑加注服務(wù)。
[0019]本發(fā)明的系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，包括目標(biāo)航天器加注系統(tǒng)和補(bǔ)給航天器加注系統(tǒng)，其中目標(biāo)航天器加注系統(tǒng)由目標(biāo)對(duì)接接口、第四閥門M4、目標(biāo)貯箱、第一壓力傳感器P1、第一溫度傳感器Tl、第三閥門M3、排氣閥、第二閥門M2、第一減壓器、第一閥門Ml和目標(biāo)貯箱氣源系統(tǒng)組成，目標(biāo)貯箱氣源系統(tǒng)依次通過(guò)第一閥門Ml、第一減壓器、第二閥門M2與目標(biāo)貯箱的一端相連通，在目標(biāo)貯箱與第二閥門M2之間分別安裝第一壓力傳感器P1、第一溫度傳感器Tl和第三閥門M3，排氣閥通過(guò)第三閥門M3與目標(biāo)貯箱相連通，目標(biāo)貯箱的另一端通過(guò)第四閥門M4與目標(biāo)對(duì)接接口相連通；補(bǔ)給航天器加注系統(tǒng)由補(bǔ)給對(duì)接接口、第五閥門M5、加注貯箱、第二壓力傳感器P2、第六閥門M6、安全閥、第七閥門M7、第二減壓器、第八閥門M8和加注貯箱氣源系統(tǒng)組成，加注貯箱氣源系統(tǒng)依次通過(guò)第八閥門M8、第二減壓器、、第七閥門M7與加注貯箱相連通，在加注貯箱與第七閥門M7之間分別安裝第二壓力傳感器P2和第六閥門M6，安全閥通過(guò)第六閥門M6與加注貯箱相連通，加注貯箱的另一端通過(guò)第五閥門M5與加注對(duì)接接口相連通。
[0020]一種利用在軌加注系統(tǒng)的在軌加注方法，步驟如下
[0021 ] ( I)啟動(dòng)目標(biāo)航天器中沉底發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，完成目標(biāo)貯箱中的推進(jìn)劑沉底；
[0022](2)然后將目標(biāo)航天器加注系統(tǒng)與補(bǔ)給航天器加注系統(tǒng)通過(guò)對(duì)接接口進(jìn)行對(duì)接；
[0023]( 3 )打開(kāi)第三閥門M3對(duì)目標(biāo)貯箱進(jìn)行排氣，通過(guò)第一測(cè)壓傳感器Pl測(cè)量目標(biāo)貯箱內(nèi)部的壓力，當(dāng)目標(biāo)貯箱內(nèi)部壓力達(dá)到推進(jìn)劑的飽和蒸氣壓以下時(shí)，維持對(duì)目標(biāo)貯箱排氣30-40s后關(guān)閉第三閥門M3 ；
[0024](4)依次打開(kāi)第五閥門M5和第四閥門M4，利用加注貯箱對(duì)目標(biāo)貯箱進(jìn)行加注；
[0025](5)打開(kāi)第七閥門M7和第八閥門M8，利用加注貯箱氣源系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)貯箱進(jìn)行增壓；
[0026](6)通過(guò)第一測(cè)壓傳感器Pl測(cè)量目標(biāo)貯箱內(nèi)部的壓力，當(dāng)目標(biāo)貯箱達(dá)到工作壓力時(shí)，關(guān)閉第四閥門M4、第五閥門M5、第七閥門M7和第八閥門M8，將目標(biāo)航天器加注系統(tǒng)與補(bǔ)給航天器加注系統(tǒng)脫開(kāi)，完成加注。
[0027]通過(guò)對(duì)接裝置使補(bǔ)給航天器和目標(biāo)航天器組成一個(gè)組合體，同時(shí)目標(biāo)加注接口與補(bǔ)給加注接口對(duì)接形成完整的加注系統(tǒng)。對(duì)接后，對(duì)目標(biāo)航天器的貯箱進(jìn)行排氣，由于受到空間低溫和真空環(huán)境的影響(環(huán)境溫度4K，出口壓力極低)，貯箱若直接排氣，則貯箱內(nèi)部氣體溫度會(huì)大幅度降低，根據(jù)對(duì)貯箱內(nèi)部增壓氣體進(jìn)行絕熱膨脹的仿真研究結(jié)果，貯箱內(nèi)增壓氣體的溫度將下降到約60K，可利用第一溫度傳感器Tl進(jìn)行監(jiān)控，大量的增壓氣體將不能排出，而在加注過(guò)程中剩余的增壓氣體壓力和溫度升高，從而導(dǎo)致貯箱推進(jìn)劑填充率較低。因此本發(fā)明創(chuàng)新地采取將貯箱泄壓到液態(tài)推進(jìn)劑的飽和蒸汽壓以下的措施，使部分液體推進(jìn)劑汽化，不但可以使推進(jìn)劑蒸汽和低溫的增壓氣體進(jìn)行熱交換，提高貯箱內(nèi)部氣體溫度，而且產(chǎn)生的推進(jìn)劑蒸汽會(huì)將增壓氣體進(jìn)一步排出，保證貯箱內(nèi)部殘余的增壓氣體進(jìn)一步減少。
[0028]然后對(duì)目標(biāo)貯箱進(jìn)行加注，通過(guò)壓力調(diào)節(jié)和限流裝置保持加注流量維持在IOL/min左右。當(dāng)目標(biāo)貯箱內(nèi)部壓力達(dá)到貯箱的工作壓力時(shí)，加注過(guò)程停止。加注過(guò)程中，由于目標(biāo)貯箱的壓力逐漸升高，之前汽化的推進(jìn)劑蒸汽逐漸液化，最終達(dá)到目標(biāo)貯箱具有較高的填充率。通過(guò)在軌加注地面演示試驗(yàn)的測(cè)量，這種加注方式可以使目標(biāo)貯箱推進(jìn)劑的填充率達(dá)到95%以上。
[0029]本發(fā)明未詳細(xì)描述內(nèi)容為本領(lǐng)域技術(shù)人員公知技術(shù)。
【權(quán)利要求】
1.一種航天器推進(jìn)劑在軌加注系統(tǒng)，其特征在于:包括目標(biāo)航天器加注系統(tǒng)和補(bǔ)給航天器加注系統(tǒng)，其中目標(biāo)航天器加注系統(tǒng)由目標(biāo)對(duì)接接口、第四閥門M4、目標(biāo)貯箱、第一壓力傳感器P1、第一溫度傳感器Tl、第三閥門M3、排氣閥、第二閥門M2、第一減壓器、第一閥門Ml和目標(biāo)貯箱氣源系統(tǒng)組成，目標(biāo)貯箱氣源系統(tǒng)依次通過(guò)第一閥門Ml、第一減壓器、第二閥門M2與目標(biāo)貯箱的一端相連通，在目標(biāo)貯箱與第二閥門M2之間分別安裝第一壓力傳感器P1、第一溫度傳感器Tl和第三閥門M3，排氣閥通過(guò)第三閥門M3與目標(biāo)貯箱相連通，目標(biāo)貯箱的另一端通過(guò)第四閥門M4與目標(biāo)對(duì)接接口相連通；補(bǔ)給航天器加注系統(tǒng)由補(bǔ)給對(duì)接接口、第五閥門M5、加注貯箱、第二壓力傳感器P2、第六閥門M6、安全閥、第七閥門M7、第二減壓器、第八閥門M8和加注貯箱氣源系統(tǒng)組成，加注貯箱氣源系統(tǒng)依次通過(guò)第八閥門M8、第二減壓器、第七閥門M7與加注貯箱相連通，在加注貯箱與第七閥門M7之間分別安裝第二壓力傳感器P2和第六閥門M6，安全閥通過(guò)第六閥門M6與加注貯箱相連通，加注貯箱的另一端通過(guò)第五閥門M5與加注對(duì)接接口相連通。
2.一種利用權(quán)利要求1所述系統(tǒng)的在軌加注方法，其特征在于其特征在于: (1)將目標(biāo)航天器中沉底發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，完成目標(biāo)貯箱中的推進(jìn)劑沉底； (2)然后將目標(biāo)航天器加注系統(tǒng)與補(bǔ)給航天器加注系統(tǒng)通過(guò)對(duì)接接口進(jìn)行對(duì)接； (3)打開(kāi)第三閥門M3對(duì)目標(biāo)貯箱進(jìn)行排氣，通過(guò)第一測(cè)壓傳感器Pl測(cè)量目標(biāo)貯箱內(nèi)部的壓力，當(dāng)目標(biāo)貯箱內(nèi)部壓力達(dá)到推進(jìn)劑的飽和蒸氣壓以下時(shí)，維持對(duì)目標(biāo)貯箱排氣30-40s后關(guān)閉第三閥門M3 ； (4)依次打開(kāi)第五閥門M5和第四閥門M4，利用加注貯箱對(duì)目標(biāo)貯箱進(jìn)行加注； (5)打開(kāi)第七閥門M7和第八閥門M8，利用加注貯箱氣源系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)貯箱進(jìn)行增壓； (6)通過(guò)第一測(cè)壓傳感器Pl測(cè)量目標(biāo)貯箱內(nèi)部的壓力，當(dāng)目標(biāo)貯箱達(dá)到工作壓力時(shí)，關(guān)閉第四閥門M4、第五閥門M5、第七閥門M7和第八閥門M8，將目標(biāo)航天器加注系統(tǒng)與補(bǔ)給航天器加注系統(tǒng)脫開(kāi)，完成加注。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種航天器推進(jìn)劑在軌加注方法，其特征在于:所述加注貯箱對(duì)目標(biāo)貯箱加注的速度為10L/min。
【文檔編號(hào)】B64G1/64GK103950554SQ201410141702
【公開(kāi)日】2014年7月30日 申請(qǐng)日期:2014年4月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月10日
【發(fā)明者】閆指江, 饒大林, 申麟, 林木, 王書(shū)廷, 李勇鵬 申請(qǐng)人:中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院