阅读说明：本技术 挤压和电动泵辅助增压结合的空间动力系统 (Space power system combining extrusion and electric pump auxiliary pressurization ) 是由 王丹 陈宏玉 周晨初 陈鹏飞 刘占一 周康 于 2020-12-03 设计创作，主要内容包括：为了解决现有的挤压系统动力性能低、质量重,难以满足深空探测发展使用需求的技术问题,本发明提出了一种挤压和电动泵辅助增压的空间动力系统。本发明通过挤压+电动泵辅助增压的方式,能将轨控氧化剂贮箱和轨控燃料贮箱的箱压降低,通过电动泵增压实现轨控推力室室压达到设定要求,从而达到低贮箱箱压,高推力室室压,且贮箱质量轻的效果。(The invention provides a space power system for extrusion and electric pump assisted pressurization, aiming at solving the technical problems that the existing extrusion system is low in power performance and heavy in weight and is difficult to meet the requirements of deep space exploration development and use. The invention can reduce the tank pressure of the rail-controlled oxidant storage tank and the rail-controlled fuel storage tank by a mode of extrusion and electric pump auxiliary pressurization, and realizes that the pressure of the rail-controlled thrust chamber reaches the set requirement by the pressurization of the electric pump, thereby achieving the effects of low tank pressure, high thrust chamber pressure and light storage tank weight.)

挤压和电动泵辅助增压结合的空间动力系统

技术领域

本发明属于液体火箭发动机技术领域，涉及一种挤压和电动泵辅助增压结合的空间动力系统。

背景技术

目前高性能空间变推力发动机普遍采用如图1所示的挤压式动力系统，其原理是：通过电机108调节第一可调汽蚀管109和第二可调汽蚀管110的工况，从而调节进入轨控推力室111的推进剂压力，实现推力调节；该方案要求氧化剂贮箱104和燃料贮箱105的箱压要足够高，因此在设计时需要将箱体壁厚做的很厚，导致整体重量重，无法满足未来空间飞行任务对高性能、轻质化空间动力系统的需求。尤其是对火星等远地天体探测时，天体引力大，轨道器工作时间长，推进剂消耗更多，对动力系统性能和质量要求更高，现有的挤压式系统无法满足使用要求。

发明内容

为了解决现有的挤压系统动力性能低、质量重，难以满足深空探测发展使用需求的技术问题，本发明提出了一种挤压和电动泵辅助增压的空间动力系统。

本发明的技术方案是：

挤压和电动泵辅助增压结合的空间动力系统，其特殊之处在于：包括气瓶、第一隔离阀、第一减压器、第二减压器、轨控氧化剂贮箱、轨控燃料贮箱、姿控氧化剂贮箱、姿控燃料贮箱、轨控推力室和姿控推力室；

气瓶至少有一个；当气瓶仅有一个时，其出气口通过第一隔离阀同时与第一减压器、第二减压器的入口端相连通；当气瓶有多个时，多个气瓶并行设置，其出气口均通过第一隔离阀同时与第一减压器、第二减压器的入口端相连通；气瓶中装有惰性气体，用于给贮箱中的推进剂增压；

从第一减压器出口端流出的介质分为两路，一路进入姿控氧化剂贮箱，另一路进入姿控燃料贮箱；姿控氧化剂贮箱和姿控燃料贮箱用于向姿控推力室提供推进剂；

从第二减压器出口端流出的介质分为两路，一路进入轨控氧化剂贮箱，另一路进入轨控燃料贮箱；轨控氧化剂贮箱和轨控燃料贮箱用于向轨控推力室提供推进剂；

在轨控氧化剂贮箱与轨控推力室氧化剂入口端之间的氧化剂供应管路上，沿氧化剂流向依次设置有第二隔离阀、第一增压泵和氧化剂主阀；在轨控燃料贮箱与轨控推力室燃料入口端之间的燃料供应管路上，沿燃料流向依次设置有第三隔离阀、第二增压泵和燃料主阀；

第一增压泵的输入端连接有第一电机的输出端，第二增压泵的输入端连接有第二电机的输出端；第一电机和第二电机由控制器控制；控制器由电池供电。

进一步地，从第一增压泵与第一主阀之间的管路上分出一条支路，该支路通过第一节流阀和第一单向阀与姿控氧化剂贮箱与姿控推力室之间的氧化剂供应管路相连通；从第二增压泵与第二主阀之间的管路上分出一条支路，该支路通过第二节流阀和第二单向阀与姿控燃料贮箱与姿控推力室之间的燃料供应管路相连通。

进一步地，轨控氧化剂贮箱和轨控燃料贮箱均至少有一个；当轨控氧化剂贮箱有多个时，这多个轨控氧化剂贮箱并行设置，其入口端均通过各自的管路与第二减压器的出口端相连，其出口端均通过各自的管路同时与多个并行设置的轨控推力室的氧化剂入口端相连；当轨控燃料贮箱有多个时，这多个轨控燃料贮箱并行设置，其入口端均通过各自的管路与第二减压器的出口端相连，其出口端均通过各自的管路同时与多个并行设置的轨控推力室的燃料入口端相连。

进一步地，姿控氧化剂贮箱和姿控燃料贮箱均至少有一个；当姿控氧化剂贮箱有多个时，这多个姿控氧化剂贮箱并行设置，其入口端均通过各自的管路与第一减压器的出口端相连，其出口端均通过各自的管路同时与多个并行设置的姿控推力室的氧化剂入口端相连；当姿控燃料贮箱有多个时，这多个姿控燃料贮箱并行设置，其入口端均通过各自的管路与第一减压器的出口端相连，其出口端均通过各自的管路同时与多个并行设置的姿控推力室的燃料入口端相连。

进一步地，第一隔离阀、第二隔离阀和第三隔离阀均为电控阀门，由控制器控制。

进一步地，电池采用可反复充放电锂离子电池。

本发明的有益效果是：

1、通过本发明的挤压+电动泵辅助增压的方式，能将轨控氧化剂贮箱和轨控燃料贮箱的箱压降低(例如由现有单纯挤压式系统的3.4MPa降低至0.5MPa)，通过电动泵增压实现轨控推力室室压达到设计要求(例如2MPa)，从而达到低贮箱箱压，高推力室室压，且贮箱质量轻的效果。

2、本发明通过电机和增压泵实现进入轨控推力室中推进剂流量和压力的调节，变推力方便，且能够实现多次起动。

3、本发明中的电池采用可反复充放电锂离子电池，能够在轨充电，节约能源。

4、本发明中的隔离阀均为电控阀门，与电机、增压泵均受控制器控制，可进行推力、混合比、剩余推进剂等整机智慧化管理。

5、本发明集轨控、姿控于一体，采用挤压气提供基础箱压，经电动泵进一步增加供应给推力室，兼顾了挤压和泵压系统的优势，适用于深空探测用空间动力系统。

附图说明

图1为现有的挤压方式的空间动力系统的原理示意图。

图2为本发明挤压和电动泵辅助增加结合的空间动力系统的原理示意图。

图1中附图标记说明：

101-气瓶；102-第一隔离阀；103-减压器；104-氧化剂贮箱；105-燃料贮箱；106-第二隔离阀；107-第三隔离阀；108-电机；109-第一可调汽蚀管；110-第二可调汽蚀管；111-轨控推力室；112-姿控推力室。

图2中附图标记说明：

1-气瓶；2-第一隔离阀；3-第一减压器；4-第二减压器；5-轨控氧化剂贮箱；6-轨控燃料贮箱；7-第二隔离阀；8-第三隔离阀；9-姿控氧化剂贮箱；10-姿控燃料贮箱；11-第一增压泵；12-第一电机；13-第二增压泵；14-第二电机；15-电池；16-控制器；17-氧化剂主阀；18-第二单向阀；19-第一单向阀；20-第一节流阀；21-第二节流阀；22-轨控推力室；23-姿控推力室；24-燃料主阀。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明所提供的挤压和电动泵辅助增压结合的空间动力系统，主要包括气瓶1、第一隔离阀2、第一减压器3、第二减压器4、轨控氧化剂贮箱5、轨控燃料贮箱6、姿控氧化剂贮箱9、姿控燃料贮箱10、轨控推力室22和姿控推力室23。

气瓶1至少有一个；当气瓶1仅有一个时，其出气口通过第一隔离阀2同时与第一减压器3、第二减压器4的入口端相连通；当气瓶1有多个时，多个气瓶1并行设置，其出气口均通过第一隔离阀2同时与第一减压器3、第二减压器4的入口端相连通；气瓶1中装有惰性气体，用于给贮箱中的推进剂增压；

从第一减压器3出口端流出的介质分为两路，一路进入姿控氧化剂贮箱9，另一路进入姿控燃料贮箱10；姿控氧化剂贮箱9和姿控燃料贮箱10用于向一个或多个并行设置的姿控推力室23提供推进剂；姿控氧化剂贮箱9和姿控燃料贮箱10均至少有一个；当姿控氧化剂贮箱9有多个时，这多个姿控氧化剂贮箱9并行设置，其入口端均通过各自的管路与第一减压器3的出口端相连，其出口端均通过各自的管路同时与多个并行设置的姿控推力室23的氧化剂入口端相连；当姿控燃料贮箱10有多个时，这多个姿控燃料贮箱10并行设置，其入口端均通过各自的管路与第一减压器3的出口端相连，其出口端均通过各自的管路同时与多个并行设置的姿控推力室23的燃料入口端相连；

从第二减压器4出口端流出的介质分为两路，一路进入轨控氧化剂贮箱5，另一路进入轨控燃料贮箱6；轨控氧化剂贮箱5和轨控燃料贮箱6用于向一个或多个并行的轨控推力室22提供推进剂；轨控氧化剂贮箱5和轨控燃料贮箱6均至少有一个；当轨控氧化剂贮箱5有多个时，这多个轨控氧化剂贮箱5并行设置，其入口端均通过各自的管路与第二减压器4的出口端相连，其出口端均通过各自的管路同时与多个并行设置的轨控推力室22的氧化剂入口端相连；当轨控燃料贮箱6有多个时，这多个轨控燃料贮箱6并行设置，其入口端均通过各自的管路与第二减压器4的出口端相连，其出口端均通过各自的管路同时与多个并行设置的轨控推力室22的燃料入口端相连；

在轨控氧化剂贮箱5与轨控推力室22氧化剂入口端之间的氧化剂供应管路上，沿氧化剂流向依次设置有第二隔离阀7、第一增压泵11和氧化剂主阀17；在轨控燃料贮箱6与轨控推力室22燃料入口端之间的燃料供应管路上，沿燃料流向依次设置有第三隔离阀8、第二增压泵13和燃料主阀24；

第一增压泵11的输入端连接有第一电机12的输出端，第二增压泵13的输入端连接有第二电机14的输出端；第一电机12和第二电机14由控制器16控制；控制器16由电池15供电；

从第一增压泵11与第一主阀17之间的管路上分出一条支路，该支路通过第一节流阀20和第一单向阀19与姿控氧化剂贮箱9与姿控推力室23之间的氧化剂供应管路相连通；当第一节流阀20关闭时，该支路不通；当需要向姿控氧化剂贮箱9反向加注时，第一节流阀20打开，第一单向阀19能够确保轨控氧化剂贮箱5内的氧化剂只能向姿控氧化剂贮箱9加注而不会回流；

从第二增压泵13与第二主阀24之间的管路上分出一条支路，该支路通过第二节流阀21和第二单向阀18与姿控燃料贮箱10与姿控推力室23之间的燃料供应管路相连通；当第二节流阀21关闭时，该支路不通；当需要向姿控燃料贮箱10反向加注时，第二节流阀21打开，第二单向阀18能够确保轨控燃料贮箱6内的燃料只能向姿控燃料贮箱10加注而不会回流。

上述第一隔离阀2、第二隔离阀7和第三隔离阀8均为电控阀门，由控制器16控制。

本发明的工作过程及原理是：

利用轨控氧化剂贮箱5、轨控燃料贮箱6为轨控推力室22提供推进剂，利用姿控氧化剂贮箱9和姿控燃料贮箱10为姿控推力室23提供推进剂；

通过气瓶1挤压提供轨控氧化剂贮箱5、轨控燃料贮箱6、姿控氧化剂贮箱9和姿控燃料贮箱10的初始箱压，通过控制器16控制第一电机12驱动第一增压泵11、第二电机14驱动第二增压泵13为进入轨控推力室22的推进剂(氧化剂和燃料)的压力进行调节，使其进一步增压，从而相对于传统挤压式空间动力系统，对轨控氧化剂贮箱5和轨控燃料贮箱6的箱压要求降低，从而在设计时可以将轨控氧化剂贮箱5和轨控燃料贮箱6的壁厚减薄，降低轨控氧化剂贮箱5和轨控燃料贮箱6的重量，进而降低整体空间动力系统的重量；另外，由于轨控氧化剂贮箱5和轨控燃料贮箱6内的压力降低，可以进一步使得所需气瓶1的体积减小，从而也能进一步降低整体空间动力系统的重量；

当姿控氧化剂贮箱9和姿控燃料贮箱10内的推进剂不足时，还可以通过打开第一节流阀20和第二节流阀21，将轨控氧化剂贮箱5和轨控燃料贮箱6中的推进剂输入姿控氧化剂贮箱9和姿控燃料贮箱10内。

本发明中的姿控氧化剂贮箱9和姿控燃料贮箱10的设计容量可以为单次工作(例如900s)的推进剂量，虽仍为气瓶挤压供应，但推进剂量少，质量轻。单次工作时，第一节流阀20和第二节流阀21关闭，各个贮箱各自供给各自对应的推力室，当单次工作完毕后，姿控氧化剂贮箱9和姿控燃料贮箱10内的推进剂消耗光，第一节流阀20和第二节流阀21打开，由轨控氧化剂贮箱5和轨控燃料贮箱6分别给姿控氧化剂贮箱9和姿控燃料贮箱10反向加注，补充推进剂，从而实现多次工作。

技术效果对比说明：

1、结合图1所示现有的挤压式空间动力系统的示意图，以7500N推力、单次工作时间900s、累计工作时间4500s的火星探测空间动力系统为例：

气瓶101两个，采用密度1300kg/m³的复合材料气瓶，选取氦气增压，气瓶压力为35MPa，质量65.8kg；

轨控氧化剂贮箱104两个，贮箱压力3.4MPa，总质量为68kg；

轨控燃料贮箱105两个，贮箱压力3.4MPa，总质量为27.3kg；

电机108一个，质量2kg；

第一可调汽蚀管109和第二可调汽蚀管110各一个，合计质量0.2kg；

第一隔离阀102、第二隔离阀106和第三隔离阀107总质量为0.9kg；

轨控推力室111两个，室压2MPa，质量共26kg；

姿控推力室112十六个，总质量8kg；

空间动力系统重量合计约198.2kg。

2、结合图2所示本发明的挤压和电动泵辅助增压结合的空间动力系统示意图，以7500N推力、单次工作时间900s、累计工作时间4500s的火星探测空间动力系统为例：

气瓶1两个，采用密度1300kg/m³的复合材料气瓶，选取氦气增压，气瓶压力为35MPa，由于贮箱压力降低，供气量减少，气瓶体积减小，总质量11.3kg；

轨控氧化剂贮箱5两个，贮箱压力0.5MPa，总质量28kg；

轨控燃料贮箱6两个，贮箱压力0.5MPa，总质量10kg；

姿控氧化剂贮箱9一个，质量2.5kg；

姿控燃料贮箱10一个，质量1kg；

电机泵(11、12、13、14)两组，总质量12kg；

锂离子电池15一个，质量6.8kg；

控制器16一个，质量4kg；

第一隔离阀2、第二隔离阀7和第三隔离阀8，总质量0.9kg；

轨控推力室22两个，室压2MPa，质量26kg；

姿控推力室23十六个，总质量8kg；

本实施例挤压和电动泵辅助增压结合的空间动力系统重量合计约110.5kg。

通过以上对比可见，实现同样推力，本发明的挤压和电动泵辅助增压结合的空间动力系统相比现有的恒压挤压动力系统减重87.7kg。