專利名稱：可消亡的燃料供應(yīng)系統(tǒng)的制作方法
可消亡的燃料供應(yīng)系統(tǒng)
背景技術(shù)：
衛(wèi)星燃料箱是復(fù)雜的裝置，其使用各種措施向航天器的推進(jìn)系統(tǒng)輸送燃料。在零重力或低重力環(huán)境中，難以將液體從加壓氣體中分開以便輸送充足量的液體以支持航天飛行需求。通常，用推進(jìn)劑管理裝置(PMD)來執(zhí)行該過程，所述推進(jìn)劑管理裝置采用表面張カ和毛細(xì)作用來傳輸液體燃料。至關(guān)重要的是，箱和PMD材料與液體燃料化學(xué)物質(zhì)(例如肼)是可兼容的且可潤(rùn)濕的。本領(lǐng)域已知，諸如鈦和鈦合金的材料由于它們與肼以及用于燃料衛(wèi)星的其他推進(jìn)劑和氧化劑的高化學(xué)兼容性和潤(rùn)濕性而被用于該目的。
對(duì)于近地軌道衛(wèi)星的ー個(gè)要求是能夠在壽命末期為離軌操作保留足夠的燃料。該行動(dòng)的目的是將航天器定位在受控的重返大氣層軌跡中，其允許該航天器落入海洋中，從而減少殘骸落入人口密集區(qū)域造成的生命和財(cái)產(chǎn)損失。不幸的是，如果重返大氣層航天飛行的末期失控的話，該最終行動(dòng)所需的燃料量也可能在其他情況下使得航天器保持運(yùn)轉(zhuǎn)達(dá)高至數(shù)年的時(shí)間。失控重返大氣層的要求是航天器在重返大氣層期間焚毀(消亡)，但是可忽略的部分未焚毀。用于消亡程序的設(shè)計(jì)方案已經(jīng)強(qiáng)調(diào)了用較低熔點(diǎn)材料(例如鋁)來替換用較高熔點(diǎn)材料(例如鋼和鈦)制造部件，以增大重返大氣層期間的可消亡性。為此，用于NASA全球降水測(cè)量衛(wèi)星(GPM)的燃料箱已經(jīng)被設(shè)計(jì)成使用鋁燃料箱和PMD。用于增加GPM部件所用鋁合金的化學(xué)兼容性和潤(rùn)濕性的特殊表面處理是昂貴的、勞動(dòng)密集的，并且難以在已完成的箱結(jié)構(gòu)中進(jìn)行檢驗(yàn)。

發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)實(shí)施例中，一種可消亡燃料供應(yīng)系統(tǒng)具有液體存儲(chǔ)箱和推進(jìn)劑管理裝置。所述液體存儲(chǔ)箱和推進(jìn)劑管理裝置由鋁合金制造。用鈦基涂層來涂覆所述推進(jìn)劑管理裝置的表面和所述液體存儲(chǔ)箱的內(nèi)側(cè)表面的選定區(qū)域，以保證推進(jìn)劑的潤(rùn)濕性和對(duì)于推進(jìn)劑的腐蝕防護(hù)。在另ー個(gè)實(shí)施例中，一種制造可消亡燃料供應(yīng)系統(tǒng)的方法包括首先制造所述燃料供應(yīng)系統(tǒng)的鋁基部件。然后，例如通過焊接或機(jī)械緊固來部分地組裝和連結(jié)所述部件。然后，在通過焊接最終組裝所述箱之前，用鈦基涂層涂覆箱和部件內(nèi)側(cè)表面的選定區(qū)域。


圖I是其內(nèi)具有推進(jìn)劑管理部件的推進(jìn)劑箱的示意圖。圖IA是海綿狀物推進(jìn)劑管理部件的頂視圖的示意草圖。圖IB是海綿狀物推進(jìn)劑管理部件的側(cè)視圖的示意草圖。圖2是示出了可消亡燃料供應(yīng)系統(tǒng)的制造步驟的圖。
具體實(shí)施例方式國(guó)家和國(guó)際協(xié)議已經(jīng)強(qiáng)調(diào)了從近地軌道(NEO)重返大氣層航天飛行的末期以最少化危險(xiǎn)的軌道殘骸。受控的重返大氣層(由此航天器被送入具有諸如海洋之類的預(yù)定著陸點(diǎn)的軌跡中)已經(jīng)是為公眾所接受的慣常做法，以便最小化人員或財(cái)產(chǎn)損壞。失控的重返大氣層要求航天器在沖擊地面之前完全焚毀(消亡)。由于在受控重返大氣層期間不必將航天器定位在適當(dāng)軌跡的取向中而節(jié)約的燃料，可消亡的衛(wèi)星航天飛行可延長(zhǎng)高達(dá)數(shù)年。正是為了上述原因，近來的NASA全球降水測(cè)量(GPM)衛(wèi)星是首個(gè)根據(jù)“為了消亡的設(shè)計(jì)”(DfD)規(guī)范而進(jìn)行的設(shè)計(jì)。在DfD設(shè)計(jì)中，低熔點(diǎn)金屬和其他材料包括了全部結(jié)構(gòu)或者結(jié)構(gòu)的大部分。鋁由于其相對(duì)低的熔點(diǎn)是有利的。鋼和鈦衛(wèi)星部件不會(huì)在重返大氣層期間消亡。GPM衛(wèi)星的燃料供應(yīng)系統(tǒng)包括被加壓的復(fù)合材料包裹壓カ容器(C0PV)、鋁箱村里和鋁推進(jìn)劑管理裝置(PMD)。在零重力環(huán)境中，PMD系統(tǒng)中的燃料傳輸是通過毛細(xì)作用進(jìn)行的，并且箱和PMD部件能夠被推進(jìn)劑潤(rùn)濕的能力是燃料系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的絕對(duì)必要條件。不幸的是，肼和其他燃料以及氧化劑在普通清潔鋁表面上的潤(rùn)濕性不足以允許鋁PMD系統(tǒng)エ作。然而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了ー個(gè)解決方案，在某種鋁合金上產(chǎn)生含水的氧化物表面層，其實(shí)現(xiàn)了足夠的潤(rùn)濕性并且允許鋁PMD系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)。表面處理是昂貴的、勞動(dòng)密度的并且易損壞的。例 如，暴露于普通“車間氣源”可使得表面不可潤(rùn)濕并且可使得GPM PMD在發(fā)射之前失效。另夕卜，暴露于處理和測(cè)試衛(wèi)星燃料箱時(shí)通常使用的常見化學(xué)物質(zhì)對(duì)于含水氧化物涂覆的鋁表面而言是破壞性的。最后，無法在箱已經(jīng)被構(gòu)造出來之后直接測(cè)試經(jīng)處理的鋁表面的潤(rùn)濕性，并且，使用經(jīng)過類似處理的測(cè)試試樣是低等的且最低限度上可接受的判定和鑒定過程。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例是在最終組裝之前用一薄層鈦基涂層來涂覆箱內(nèi)部和所有內(nèi)部PMD結(jié)構(gòu)，從而保證推進(jìn)劑輸送系統(tǒng)的可接受的潤(rùn)濕性和抗腐蝕能力。另ー個(gè)實(shí)施例是僅涂覆PMD及其所有流體連通部件，而不是整個(gè)箱襯里?，F(xiàn)在將討論推進(jìn)劑輸送系統(tǒng)的ー個(gè)例子。該系統(tǒng)僅僅是一個(gè)例子并且不應(yīng)被看作在任何方面對(duì)現(xiàn)在已知的或?qū)⒁_發(fā)的推進(jìn)劑輸送系統(tǒng)進(jìn)行限制。圖I示出了推進(jìn)劑輸送系統(tǒng)10的示意草圖。推進(jìn)劑輸送系統(tǒng)10是單推進(jìn)劑輸送系統(tǒng)，其中使用了単一燃料，例如肼。利用燃料和氧化劑的雙推進(jìn)劑系統(tǒng)也經(jīng)常被使用。輸送系統(tǒng)10包括箱12、入口氣流管線14、出口液流管線16、推進(jìn)劑18、葉片20和海綿狀物22。葉片20將推進(jìn)劑18輸送到海綿狀物22，其中，當(dāng)推進(jìn)系統(tǒng)需要時(shí)，海綿狀物22中所收集和存儲(chǔ)的推進(jìn)劑18被從液流管線16抽取?？上鐾七M(jìn)劑輸送系統(tǒng)10優(yōu)選地由鋁合金制造。適合于該目的的鋁合金包括但不限于6061,2219和2014合金。在零重力環(huán)境中，表面張カ和毛細(xì)作用是在諸如衛(wèi)星的航天器中輸送推進(jìn)劑的必要驅(qū)動(dòng)力。推進(jìn)劑管理裝置的主要功能是在沒有氣泡的情況下將燃料輸送到推進(jìn)系統(tǒng)。夾帶在燃料管線中的氣體可導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)故障。用于該目的的普通過濾器是鈦合金濾網(wǎng)，其中，毛細(xì)作用使液體通過濾網(wǎng)，而氣泡被留在后面。葉片20可以是簡(jiǎn)單的薄金屬肋條，其對(duì)準(zhǔn)成垂直于箱殼12，如圖I所示。推進(jìn)劑聚集在葉片20和箱殼12的相交處并且被表面張カ和彎月面力保持就位。收集海綿狀物22可以是豎直面板的徑向組件。圖IA和IB分別是海綿狀物22的頂視圖和側(cè)視圖。以類似的方式，推進(jìn)劑被表面張カ和彎月面力保持就位并且沿著海綿狀物22的整個(gè)長(zhǎng)度填充虛線圓圈24內(nèi)側(cè)的區(qū)域。其他收集貯器(未示出)是存水彎(trap)和槽器。例如，D. E.Jaekle, Jr.在美國(guó)航空航天協(xié)會(huì)的論文AIAA-91-2172、AIAA-93_1970 和 AIAA-95-2531 中分別描述了葉片、海綿狀物、存水彎和槽器。如上所述，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例是用鈦基涂層來涂覆燃料供應(yīng)系統(tǒng)的與推進(jìn)劑接觸的所有表面，以便在航天飛行的整個(gè)壽命期間保證潤(rùn)濕性和抗腐蝕能力。優(yōu)選的鈦基涂層是但不限于純鈦和Ti-6A1-4V合金和Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al合金。沉積方法包括物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、濺射、電鍍以及本領(lǐng)域已知的其他方法。在重返大氣層期間，隨著鋁部件焚毀，薄的鈦基涂層變成結(jié)構(gòu)的無關(guān)緊要的部件。如上所述，其他實(shí)施例是用鈦基涂層僅涂覆PMD部件以及流體連通表面，以確保航天飛行期間可接受的燃料供應(yīng)。對(duì)于衛(wèi)星燃料系統(tǒng)而言，兩種箱構(gòu)造是優(yōu)選的。一個(gè)實(shí)施例是容納推進(jìn)劑管理裝置(PMD)的簡(jiǎn)單的鋁加壓箱。另ー個(gè)實(shí)施例是被復(fù)合材料包殼的包裹層圍繞的鋁加壓箱，稱為復(fù)合材料包裹壓カ容器或C0PV。在COPV中，鋁箱在本領(lǐng)域中被 稱為襯里。圖2示出了一種用加壓鋁推進(jìn)劑箱和COPV箱來制造可消亡燃料系統(tǒng)的方法。該過程首先獲得鋁合金材料，優(yōu)選地為板料(步驟30)。然后，由該板料制造液體推進(jìn)劑箱殼區(qū)段，優(yōu)選地通過旋壓和本領(lǐng)域已知的其他方法進(jìn)行(步驟32)。箱區(qū)段的優(yōu)選厚度在約O. 9毫米和7毫米之間。適合用于該箱的鋁合金包括但不限于6061、2219和2014合金。任選地，然后，用鈦基涂層來涂覆箱殼區(qū)段的內(nèi)表面或內(nèi)表面的ー些部分(步驟34)。優(yōu)選地，用于箱殼內(nèi)部區(qū)段的鈦基涂層包括但不限于純鈦和Ti-6A1-4V合金和Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al合金。鈦基涂層的厚度在約I微米和約10微米之間。然后，從合格賣方獲得或者制造鋁PMD部件，例如葉片、海綿狀物、存水彎、槽器及其他(步驟36)。適合用于PMD部件的鋁合金包括但不限于6061、2219和2014合金。然后，將鈦基涂層施加到PMD部件(步驟38)。合適的涂層包括但不限于純鈦和Ti-6A1-4V合金和Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al合金(步驟38)。然后，通過本領(lǐng)域已知的エ藝將PMD部件組裝到PMD固定裝置中(步驟40)并然后安裝到箱殼部件中(步驟42)。通過用焊接、銅焊、機(jī)械緊固件或本領(lǐng)域已知的其他方法將PMD部件附接到箱殼而將PMD部件安裝到相同部件中(步驟42)。然后，將容納了所安裝的PMD裝置的箱殼部件組裝和連結(jié)成完成的箱和村里(步驟44 )。該組裝和連結(jié)包括氣體鎢極電弧焊、電子束焊接、激光束焊接以及本領(lǐng)域已知的其他方法。如果所完成的產(chǎn)品是箱，則然后使該箱具有服務(wù)資格(步驟46)。如果所完成的產(chǎn)品是C0PV，則然后用復(fù)合材料纖維來包裹容納了已安裝的PMD裝置的所組裝的村里，以形成COPV (步驟48)。然后，使COPV具有服務(wù)資格(步驟50)。盡管已參照(ー個(gè)或多個(gè))示范實(shí)施例描述了本發(fā)明，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理解在不背離本發(fā)明范圍的情況下可做各種改變，并且各種元素可用等同物代替。另外，在不背離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)范圍的情況下，可根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)做各種變型以適應(yīng)具體的情況或材料。因此，所意圖的是，本發(fā)明不限于所公開的(ー個(gè)或多個(gè))具體實(shí)施例，而是本發(fā)明將會(huì)包括落入所附權(quán)利要求范圍內(nèi)的所有實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種可消亡燃料供應(yīng)系統(tǒng)，包括 用于存儲(chǔ)液體推進(jìn)劑的鋁合金液體存儲(chǔ)箱； 鋁合金推進(jìn)劑管理裝置；和 高度可潤(rùn)濕的且抗腐蝕的鈦基涂層，其覆蓋所述推進(jìn)劑管理裝置和液體存儲(chǔ)箱的選定內(nèi)表面。
2.如權(quán)利要求I所述的可消亡燃料供應(yīng)系統(tǒng)，其中，所述鈦基涂層選自由純鈦和Ti-6A1-4V 合金和 Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al 合金組成的組。
3.如權(quán)利要求2所述的可消亡燃料供應(yīng)系統(tǒng)，其中，所述鈦基涂層是Ti-6A1-4V合金。
4.如權(quán)利要求3所述的可消亡燃料供應(yīng)系統(tǒng)，其中，所述鈦基涂層具有從約I微米到約.10微米的厚度。
5.如權(quán)利要求I所述的可消亡燃料供應(yīng)系統(tǒng)，其中，所述鈦基涂層通過物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、濺射、電鍍和離子束沉積中的至少ー個(gè)來沉積。
6.如權(quán)利要求I所述的可消亡燃料供應(yīng)系統(tǒng)，其中，所述鋁合金選自由6061、2219和.2014合金組成的組。
7.如權(quán)利要求6所述的可消亡燃料供應(yīng)系統(tǒng)，其中，所述鋁合金是6061合金。
8.如權(quán)利要求I所述的可消亡燃料供應(yīng)系統(tǒng)，其中，所述液體存儲(chǔ)箱具有從約O.9毫米到約7毫米的厚度。
9.如權(quán)利要求I所述的可消亡燃料供應(yīng)系統(tǒng)，其中，所述液體推進(jìn)劑包括單或雙推進(jìn)劑燃料。
10.如權(quán)利要求9所述的可消亡燃料供應(yīng)系統(tǒng)，其中，所述單推進(jìn)劑燃料包括肼。
11.一種制造可消亡燃料供應(yīng)系統(tǒng)的方法，包括 制造液體存儲(chǔ)箱區(qū)段； 制造推進(jìn)劑管理裝置(PMD)部件； 將PMD部件附接到液體存儲(chǔ)箱區(qū)段的內(nèi)表面； 用高度可潤(rùn)濕的且抗腐蝕的鈦基涂層涂覆選定的存儲(chǔ)箱區(qū)段內(nèi)部和PMD部件； 組裝安裝有部件的存儲(chǔ)箱區(qū)段以形成完成的液體存儲(chǔ)箱。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述存儲(chǔ)箱區(qū)段和PMD部件由鋁合金制成。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述鋁合金選自由6061、2215和2014合金組成的組。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述鋁合金是6061合金。
15.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，通過焊接、銅焊或用機(jī)械緊固件將所述PMD部件附接到所述存儲(chǔ)箱區(qū)段。
16.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述鈦基涂層選自由純鈦、Ti-6A1-4V和Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al 合金組成的組。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述鈦基涂層具有從約I微米到約10微米的厚度。
18.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，通過氣體鎢極電弧焊、電子束焊接和激光束焊接中的至少ー個(gè)來組裝所述液體存儲(chǔ)箱區(qū)段。
19.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述液體存儲(chǔ)箱具有從約O.9毫米到約7毫米的厚度。
20.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，通過物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、濺射、電鍍和離子束沉積中的至少ー個(gè)來沉積所述鈦基涂層。
全文摘要
一種用于衛(wèi)星的可消亡燃料供應(yīng)系統(tǒng)包括加壓鋁合金箱，其內(nèi)具有鋁合金推進(jìn)劑管理裝置。推進(jìn)劑管理裝置(PMD)可具有本領(lǐng)域已知的任何毛細(xì)作用表面張力流體傳輸特征。用鈦基涂層覆蓋箱和PMD的選定內(nèi)表面，以保證燃料供應(yīng)系統(tǒng)的推進(jìn)劑潤(rùn)濕性和抗腐蝕能力。
文檔編號(hào)F02K9/44GK102691592SQ20121007552
公開日2012年9月26日 申請(qǐng)日期2012年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月21日
發(fā)明者W.H.塔特爾 申請(qǐng)人:哈米爾頓森德斯特蘭德公司