一种固液混合式燃气增压系统及其控制方法
阅读说明：本技术 一种固液混合式燃气增压系统及其控制方法 (Solid-liquid mixed type fuel gas pressurization system and control method thereof ) 是由 周明龙 张舜禹 姜丹丹 任建军 岳文骏 郭涵婧 翟艳鹏 于 2020-12-29 设计创作，主要内容包括：本发明涉及推进剂贮箱增压领域内的一种固液混合式燃气增压系统及其控制方法,包括固体燃气增压模块、液体燃气填充模块以及发动机燃料贮箱；所述固体燃气增压模块、所述液体燃气填充模块以及发动机燃料贮箱依次连通；所述固体燃气增压模块产生燃气并通入所述液体燃气填充模块内,所述液体燃气填充模块受到通入燃气的压力并产生高温燃气,所述高温燃气流入下游的所述发动机燃料贮箱内。本发明固液混合式燃气增压系统复杂度低,可靠性高,节省了增压系统在航天姿轨控动力系统中的体积。(The invention relates to a solid-liquid mixed gas pressurization system and a control method thereof in the field of pressurization of a propellant storage tank, and the solid-liquid mixed gas pressurization system comprises a solid gas pressurization module, a liquid gas filling module and an engine fuel storage tank; the solid fuel gas pressurizing module, the liquid fuel gas filling module and the engine fuel storage tank are communicated in sequence; the solid fuel gas pressurizing module generates fuel gas and leads the fuel gas into the liquid fuel gas filling module, the liquid fuel gas filling module receives the pressure of the led fuel gas and generates high-temperature fuel gas, and the high-temperature fuel gas flows into the engine fuel storage tank at the downstream. The solid-liquid mixed gas pressurization system is low in complexity and high in reliability, and the volume of the pressurization system in an aerospace attitude and orbit control power system is saved.)
技术领域
本发明涉及推进剂贮箱增压领域，具体地，涉及一种固液混合式燃气增压系统及其控制方法。
背景技术
姿轨控动力系统是航天器的关键分系统之一，主要为各种航天器在飞行过程的姿态稳定和控制、轨道转移、轨道修正提供控制力和控制力矩，被广泛应用于卫星、飞船、导弹、运载火箭、深空探测器等重要的航天器中。具有响应快速、控制方便等特点。一般姿轨控动力系统的运作是由增压系统为燃料贮箱提供压力，推动燃料贮箱中的燃料以一定的压力进入姿轨控发动机控制阀中，当控制阀开启时进入发动机燃烧室进行反应，最终通过尾喷管喷出产生推力。由于姿轨控动力系统中除个别轨控发动机体积和质量较大外，其余发动机体积和质量一般较小，因此整个姿轨控动力系统的主要质量和体积都集中在发动机的增压系统、推进剂贮箱以及发动机上。
目前常规典型的姿轨控动力系统采用高压气体恒压挤压式增压系统来推动燃料贮箱，完成整个姿轨控动力系统进行燃料供给，高压气体挤压式供应系统中，高压气路主要由气瓶、导管、多通、充气阀、电爆阀、高压传感器及相关支架等组成，对于整个系统尤其是弹用姿轨控系统来说，高压气体挤压式增压系统的气瓶占据着系统较大的质量和空间，同时由于气路中存在高压，对其的连接和密封也面临着严峻的可靠性考验。并且对于某些航天产品来说对于贮存和快速响应能力具有较高的需求，挤压式增压系统在长储阶段一般只完成燃料的加注，其内部的高压气体一般需要临射前进行充填，部分系统则是在气体充填后定期检查和补充高压气体，应急发射时响应速度较慢。
有研究者想要通过液体燃气增压系统来代替高压气体挤压式增压系统，以降低姿轨控动力系统中发动机的燃气增压系统的质量，减少发动机的燃气增压系统的体积，但是常规的单级液体燃气增压系统，尽管相较于高压气体挤压式增压系统其体积有了减小，但是系统中的压力放大贮箱为了能够产生足够多的面积差完成压力放大，其结构质量往往较大，导致整个燃气增压方案的质量相比于高压气体增压方案优化并不明显。
经现有技术检索发现，中国发明专利公开号为CN106194500A，公开了一种应用于液体火箭的三合气增压系统，包括氦氢气瓶(1)、氧气瓶(2)、流量控制单元和催化床(5)；氦氢气瓶(1)中预先存储氦气和氢气的混合气体；氧气瓶(2)中存储氧气；两个气瓶通过流量控制单元控制气瓶内气体输出的流量，输出的氦气、氢气以及氧气的混合气体通过催化床气并释放热量，将氦气、水蒸气和反应剩余的氧气加温后进入贮箱增压。(5)进行催化反应，氧气和氢气反应后生成水蒸。该发明专利仍然存在占用空间体积大等问题。
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混合式燃气增压系统及其控制方法。
根据本发明提供的一种固液混合式燃气增压系统，包括固体燃气增压模块、液体燃气填充模块以及发动机燃料贮箱；
所述固体燃气增压模块、所述液体燃气填充模块以及发动机燃料贮箱依次连通；
所述固体燃气增压模块产生燃气并通入所述液体燃气填充模块内，所述液体燃气填充模块受到通入燃气的压力并产生高温燃气，所述高温燃气流入下游的所述发动机燃料贮箱内。
一些实施方式中，所述固体燃气增压模块包括固体燃气发生器、增压燃气气瓶以及减压阀，所述固体燃气发生器、所述增压燃气气瓶以及所述减压阀依次连通，所述减压阀与所述液体燃气填充模块连通。
一些实施方式中，液体燃气填充模块包括单组元燃料贮箱、流量控制器以及液体燃气发生器，所述单组元燃料贮箱、所述流量控制器以及所述液体燃气发生器依次连通，所述单组元燃料贮箱与所述减压阀连通，所述液体燃气发生器与所述发动机燃料贮箱连通。
一些实施方式中，所述发动机燃料贮箱设置有压力传感器。
一些实施方式中，所述固体燃气增压模块与所述发动机燃料贮箱之间设有多组所述液体燃气填充模块，多组所述液体燃气填充模块依次串联。
一些实施方式中，所述发动机燃料贮箱为多个，多个所述发动机燃料贮箱并联。
本发明还提供了一种固液混合式燃气增压系统的控制方法，采用所述的固液混合式燃气增压系统，包括如下步骤：
步骤A，系统初始压力建立：所述固体燃气增压模块产生燃气通入所述液体燃气填充模块内，所述液体燃气填充模块受到通入的燃气的压力后产生高温燃气通入所述发动机燃料贮箱内，使得所述发动机燃料贮箱达到预设压力；
步骤B，系统压力完成并锁定：所述发动机燃料贮箱达到预设压力后，所述液体燃气填充模块流向所述发动机燃料贮箱的管路锁闭，所述固体燃气增压模块的燃气继续通入所述燃气填充模块内并使其达到预设压力后，所述固体燃气增压模块流向所述燃气填充模块的管路锁闭，所述固体燃气增压模块继续产生燃气使其自身系统达到预设压力并保持；
步骤C，系统压力解锁释放：姿/轨控发动机工作时，所述液体燃气填充模块流向所述发动机燃料贮箱的管路以及所述固体燃气增压模块流向所述液体燃气填充模块的管路依次解锁，所述发动机燃料贮箱通过所述固体燃气增压模块与所述液体燃气填充模块获得高温燃气并以系统预设压力向姿/轨控发动机供给燃料。
一些实施方式中，所述步骤A，系统初始压力建立的程序为：
步骤A-1，所述固体燃气发生器产生燃气充入所述增压燃气气瓶，所述增压燃气气瓶压力升高使得燃气经所述减压阀流入所述单组元燃料贮箱中；
步骤A-2，所述单组元燃料贮箱内的推进剂在进入的燃气压力的推动下经所述流量控制阀流入所述液体燃气发生器内，所述液体燃气发生器产生高温燃气；
步骤A-3，所述液体燃气发生器产生的高温燃气流入所述发动机燃料贮箱内，完成系统初始压力的建立。
一些实施方式中，所述步骤B，系统压力完成并锁定的程序为：
步骤B-1，当发动机燃料贮箱达到预设压力后，所述单组元燃料贮箱与所述液体燃气发生器之间的压力升高并达到预设压力，所述流量控制阀锁闭；
步骤B-2，所述流量控制阀锁闭后，所述单组元燃料贮箱通过所述增压燃气气瓶送出的燃气达到预设压力后，所述减压阀锁闭；
步骤B-3，所述减压阀锁闭后，所述固体燃气发生器产生的燃气使所述增压燃气气瓶达到预设压力，系统压力完成并保持在锁定状态。
一些实施方式中，所述步骤C，系统压力解锁释放的程序为：
步骤C-1，姿/轨控发动机工作时，所述发动机燃料贮箱向姿/轨控发动机供给燃料，所述发动机燃料贮箱系统压力降低，所述流量控制阀解锁；
步骤C-2，所述流量控制阀解锁后，所述液体燃气发生器获得所述单组元燃料贮箱供应的推进剂而产生高温燃气通入所述发送机燃料贮箱，所述单组元燃料贮箱压力降低，所述减压阀解锁；
步骤C-3，所述减压阀解锁后，所述增压燃气气瓶将燃气输送至所述单组元燃料贮箱内，所述固体燃气发生器工作并产生燃气送入所述单组元燃料贮箱内。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明固液混合式燃气增压系统复杂度低，可靠性高，节省了增压系统在航天姿轨控动力系统中的体积。
2、本发明通过将固体燃气增压模块作为系统第一级子系统，能够实现气体直接流动，补气速度快，输出压力精度高，具有响应迅速、压力输出精准以及常压贮存的优点。
3、本发明通过对液体燃气填充模块以及发动机燃料贮箱的优化设计，提高系统空间利用率，提升系统常压贮存的能力以及快速响应能力。
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是本发明固液混合式燃气增压系统整体结构示意图；
其中，附图中的标记为
100-固体燃气增压模块，101-固体燃气发生器，102-增压燃气气瓶，103-减压阀，200-液体燃气填充模块，201-单组元燃料贮箱，202-流量控制器，203-液体燃气发生器，300-发动机燃料贮箱。
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1
本发明实提供了一种固液混合式燃气增压系统，如图1所示，包括固体燃气增压模块100、液体燃气填充模块200以及发动机燃料贮箱300，固体燃气增压模块100、液体燃气填充模块200以及发动机燃料贮箱300通过管道依次连通。固体燃气增压模块100产生燃气并通入液体燃气填充模块200内，液体燃气填充模块200受到通入燃气的压力并产生高温燃气，高温燃气流入下游的发动机燃料贮箱300内。
固体燃气增压模块100包括固体燃气发生器101、增压燃气气瓶102以及减压阀103，固体燃气发生器101、增压燃气气瓶102以及减压阀103依次连通。液体燃气填充模块200包括单组元燃料贮箱201、流量控制器202以及液体燃气发生器203，单组元燃料贮箱201、流量控制器202以及液体燃气发生器203依次连通。其中，单组元燃料贮箱201与减压阀103连通，液体燃气发生器203与发动机燃料贮箱300连通。优选的，发动机燃料贮箱300设置有压力传感器，压力传感器用于检测发动机燃料贮箱300内的压力并反馈至控制系统。发动机燃料贮箱300设置有一个及以上的轨控发动机和若干姿控发动机的对接接口。
本发明固液混合式燃气增压系统的工作原理为：
系统开始运行时，固体燃气发生器101产生燃气充入增压燃气气瓶102内，因初始系统压力较低，燃气自增压燃气气瓶102流出后流减压阀103顺向流入中游的单组元贮箱201中，单组元贮箱201受到进入燃气的压力后输送出推进剂，推进剂经流量控制阀202流入液体燃气发生器203，液体燃气发生器203产生高温燃气并输送至下游的发动机燃料贮箱300内，建立起系统的初始压力。当发动机燃料贮箱300内的压力达到预设之后，位于流量控制阀202下游的压力达到其锁闭压力时流量控制阀202锁闭，流量控制阀202锁闭后，单组元燃料贮箱201继续获取燃气并达到预定压力后，减压阀103下游的气体压力升高至其锁闭压力导致减压阀103锁闭.由于减压阀锁闭，固体燃气发生器101产生的燃气流入增压燃气气瓶102后不再后流动，储存于增压燃气气瓶102中，此时系统完成建压。系统建压完成后，在姿/轨控发动机工作时，流量控制阀202和减压阀103依次解除锁闭，单组元燃料贮箱内的推进剂流入液体燃气发生器203产生高温燃气流入发动机燃料贮箱300内，发动机燃料贮箱300以系统设定的压力向轨控发动机和/或姿控发动机供给燃料。当发动机工作停止工作时，减压阀和流量控制阀后压力逐渐升高，导致流量控制阀和减压阀依次锁闭，系统停止工作，等待下一次发动机工作。本发明固液混合式燃气增压系统复杂度低，可靠性高，节省了增压系统在航天姿轨控动力系统中的体积。另外，本发明通过将固体燃气增压模块作为系统第一级子系统，能够实现气体直接流动，补气速度快，输出压力精度高，具有响应迅速、压力输出精准以及常压贮存的优点。
实施例2
本实施例2是在实施例1的基础上形成，通过对液体燃气填充模块以及发动机燃料贮箱的优化设计，提高系统空间利用率，提升系统常压贮存的能力以及快速响应能力。具体地：
如图1所示，位于固体燃气增压模块100与发动机燃料贮箱300之间的液体燃气填充模块200具有组，优选的多组液体燃气填充模块200之间为串联关系。
优选的，系统内发动机燃料贮箱300包括有多个，优选为2-4个。多个发动机燃料贮箱300之间可采用并联连通的方式。
实施例3
本实施例3是在实施例1或实施例2的基础上形成的一种固液混合式燃气增压系统的控制方法，如图1所示，采用实施例1或实施例2任一实施例所述的固液混合式燃气增压系统，其固液混合式燃气增压系统的控制方法包括如下步骤：
步骤A，系统初始压力建立：固体燃气增压模块100产生燃气通入液体燃气填充模块200内，液体燃气填充模块200受到通入的燃气的压力后产生高温燃气通入发动机燃料贮箱300内，使得发动机燃料贮箱300达到预设压力。具体的：
步骤A-1，固体燃气发生器101产生燃气充入增压燃气气瓶102，增压燃气气瓶102压力升高使得燃气经减压阀103流入单组元燃料贮箱201中；
步骤A-2，单组元燃料贮箱201内的推进剂在进入的燃气压力的推动下经流量控制阀202流入液体燃气发生器203内，液体燃气发生器203产生高温燃气；
步骤A-3，液体燃气发生器203产生的高温燃气流入发动机燃料贮箱300内，完成系统初始压力的建立。
步骤B，系统压力完成并锁定：发动机燃料贮箱300达到预设压力后，液体燃气填充模块200流向发动机燃料贮箱300的管路锁闭，固体燃气增压模块100的燃气继续通入燃气填充模块200内并使其达到预设压力后，固体燃气增压模块100流向燃气填充模块200的管路锁闭，固体燃气增压模块100继续产生燃气使其自身系统达到预设压力并保持。具体的：
步骤B-1，当发动机燃料贮箱300达到预设压力后，单组元燃料贮箱201与液体燃气发生器203之间的压力升高并达到预设压力，流量控制阀202锁闭；
步骤B-2，流量控制阀202锁闭后，单组元燃料贮箱201通过增压燃气气瓶102送出的燃气达到预设压力后，减压阀102锁闭；
步骤B-3，减压阀102锁闭后，固体燃气发生器101产生的燃气使增压燃气气瓶102达到预设压力，系统压力完成并保持在锁定状态。
步骤C，系统压力解锁释放：姿/轨控发动机工作时，液体燃气填充模块200流向发动机燃料贮箱300的管路以及固体燃气增压模块100流向诉液体燃气填充模块200的管路依次解锁，发动机燃料贮箱300通过固体燃气增压模块100与液体燃气填充模块200获得高温燃气并以系统预设压力向姿/轨控发动机供给燃料。具体地：
步骤C-1，姿/轨控发动机工作时，发动机燃料贮箱300向姿/轨控发动机供给燃料，发动机燃料贮箱300系统压力降低，流量控制阀202解锁；
步骤C-2，流量控制阀202解锁后，液体燃气发生器203获得单组元燃料贮箱201供应的推进器而产生高温燃气通入发送机燃料贮箱300，单组元燃料贮箱201压力降低，减压阀103解锁；
步骤C-3，减压阀103解锁后，增压燃气气瓶102将燃气输送至单组元燃料贮箱201内，固体燃气发生器101工作并产生燃气送入单组元燃料贮箱201内，使得发动机燃料贮箱300以预设压力向姿/轨空发动机供给燃料。
当发动机工作停止工作时，减压阀和流量控制阀后压力逐渐升高，导致流量控制阀和减压阀依次锁闭，系统停止工作，等待下一次发动机工作。
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。
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