一種大型表面張力貯箱高剛度推進劑管理裝置制造方法
【專利摘要】一種大型表面張力貯箱高剛度推進劑管理裝置,包括:中間底、液體通道、放氣通道、中間底小收集器、放氣杯、中間底大收集器、氣泡陷阱;中間底置于貯箱下半部;液體通道的角收集器一端與中間底連接,另一段與氣泡陷阱連接,氣泡陷阱固定于貯箱出口位置,中間底大收集器位于中間底中間部位,中間底小收集器分布于中間底大收集器周圍,放氣通道置于中間底上部,一端焊接于中間底邊緣處,另一端懸空放置。本發明克服現有小容量網式貯箱的技術不足,是一種推進劑攜帶量大、可靠性高的大型表面張力貯箱高剛度PMD,增強了大型衛星的適應能力,能夠在微重力環境下向發動機或推力器提供滿足流量要求的不夾氣的推進劑,用于空間微重力環境下的推進劑管理。
【專利說明】一種大型表面張力貯箱高剛度推進劑管理裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種大型表面張力貯箱高剛度推進劑管理裝置,能夠在微重力環境下向發動機或推力器提供滿足流量要求的不夾氣的推進劑。
【背景技術】
[0002]推進劑貯箱是航天器上最重要的部件之一,它的作用是存儲和管理推進劑,在規定的流量和加速度條件下,為發動機或推力器提供不夾氣的推進劑,其核心部件是推進劑管理裝置(PMD)。表面張力貯箱是目前世界上使用最為廣泛的推進劑貯箱,它分為網式和板式兩種。我國現有的表面張力貯箱都是網式的,它利用液體的表面張力通過篩網來收集推進劑,同時阻止氣體進入管路通道,屬于第一代表面張力貯箱產品。DFH-4衛星平臺用表面張力貯箱是世界上最大的表面張力貯箱之一,為滿足15年的衛星壽命,需要攜帶3100kg的推進劑,單個貯箱的容積要求達到1400L以上,而之前我國已有的推進劑貯箱最大容量為606L。為解決大容量C:箱的推進劑貯存與管理問題,開展了大型貯箱PMD技術攻關工作,設計了大型表面張力貯箱高剛度PMD,以滿足大容量貯箱的推進劑管理需求。通過攻關,掌握了大型高剛度PMD設計技術、新型高可靠氣泡陷阱技術、新型收集器技術、高剛度PMD組裝成型技術、大型薄板中間底穩定性控制技術、大提升高度PMD地面驗證技術等一系列關鍵技術,完成的O 1200表面張力貯箱PMD經受住了非常苛刻的環境條件實驗驗證,性能達到國際先進水平,為DFH-4衛星的飛行驗證和后續軍用衛星裝備、民用衛星出口做出了巨大
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[0003]國外表面張力貯箱的研制開始于70年代,到80年代末在軌道航天器上已占據絕對的主導地位,目前除了俄羅斯沒有使用外,其它靜止軌道通信衛星都釆用表面張力貯箱。歐美國家均生產了大量表面張力貯箱,代表性的文章如下:W.H.Tam,W.D.Lay,M.S.Hersh,at all.Design,Development, Qualification, and Manufacture of theHS601Propellant Tank.AIAA96-2748 ;W.H.Tam,D.E.Jaekle, Jr.Design and Manufactureof the HS601Block II Propellant Tank Assembly.AIAA98-3199 ;Walter H.Tam,D.E.Jaekle Jr.Design and Manufacture of a Propellant Tank Assembly.AIAA2000-3444 ;Gaston Netter,Ulrich Renner,Michael Dreyer.Design and Verification of aStandard Surface Tension Propellant Tank AIAA99-2178。
[0004]在國外研制的這些貯箱中,《HS601平臺》衛星表面張力貯箱是世界上飛行最多的貯箱,其PMD包括導流板、蓄液器、陷阱、管狀收集器和毛細網窗口,工作模式包括衛星變軌時的大流量工作方式和軌道保持及姿控時的小流量工作方式。變軌發動機工作時衛星處于慢自旋狀態,加上有向下的加速度,推進劑自動沉底;軌控南北位保工作時使用蓄液器和陷阱內的推進劑,在工作間隙蓄液器通過導流板充液;當陷阱外的液體被全部消耗盡時,通過管狀收集器為發動機提供推進劑,直到貯箱排空。每次位保和姿控所需的推進劑由蓄液器提供,在推進系統工作間隙表面張力驅動推進劑填滿蓄液器。液體以三種途徑排出貯箱:直接從蓄液池通過底部的篩網進入出口池、蓄液池內的推進劑通過管路進入底收集器再進入出口池及蓄液池外的液體通過底收集器直接進入出口池。由于該貯箱為板網結合貯箱,推進劑的管理和蓄留主要依靠板式部件,且排出流量較小,無法滿足DFH-4衛星平臺用大型表面張力貯箱低流阻、大流量的任務需求;ETS-VIII貯箱是PSI公司2001年為勞拉公司研制的,其PMD由四條導流板和一個蓄液器/氣泡陷阱組建構成,導流板從底部延伸到柱段的頂部。PMD采用了陷阱-導流板-蓄液器式的結構是目前最流行的形式,但板式部件繼承性差,焊接和裝配工藝存在難點,這些與DFH-4衛星緊迫的進度不適應,無法滿足當時我國大型貯箱的推進劑管理需求。由此可以看出,盡管國外在公開貢獻上發表了一些文章,這些文獻都是關于貯箱的一些整體結構和裝置的原理及功能介紹,沒有關于針對實際貯箱PMD詳細結構設計的描述,不能作為我國貯箱設計的依據,因此必須根據我國衛星實際需求,開展適合于大型貯箱PMD的詳細結構設計工作。
[0005]一種大型表面張力貯箱高剛度PMD是國內第一個大型表面張力貯箱推進劑管理裝置,國外沒有相關的文獻和資料可以借鑒,整個部件的研制是在DFH-3貯箱和國外極少公開文獻資料的基礎上做了大量的創新工作而完成的。
【發明內容】
[0006]本發明解決的技術問題是:克服現有小容量網式貯箱的技術不足,提供一種推進劑攜帶量大、可靠性高的大型表面張力貯箱高剛度PMD,增強大型衛星的適應能力,能夠在微重力環境下向發動機或推力器提供滿足流量要求的不夾氣的推進劑,用于空間微重力環境下的推進劑管理。
[0007]本發明技術解決方案:一種大型表面張力貯箱高剛度推進劑管理裝置,包括中間底、液體通道、放氣通道、中間底小收集器、放氣杯、中間底大收集器、氣泡陷阱。為了實現對貯箱內推進劑全管理,合理設計了推進劑管理裝置的總體布局。其中,中間底置于貯箱下半部;液體通道的角收集器一端與中間底連接,另一段與氣泡陷阱連接,氣泡陷阱固定于貯箱出口位置,中間底大收集器位于中間底中間部位,中間底小收集器分布于中間底大收集器周圍,放氣杯置于中間底上部,一端焊接于中間底邊緣處,另一端懸空放置,這樣就形成了該表面張力貯箱高剛度PMD。該PMD置于表面張力貯箱內表面且與內表面保持一定間隙,其作用是收集貯箱內推進劑,阻止增壓氣體流入PMD,并將推進劑沿著通道輸送至氣泡陷阱出口,確保貯箱內的推進劑沿著通道流入貯箱出口而進入推力器,能夠對大容量貯箱內的推進劑進行有效管理。
[0008]所述氣泡陷阱為一個空腔結構,上端和低端均采用中間部位加工有10?20個圓孔的壓板和200X1400?350X2300目小孔的不銹鋼網片構成,不銹鋼網片位于兩層壓板之間,采用電子束焊焊接。在微重力環境下,分布在貯箱內的推進劑在表面張力的作用下通過不銹鋼網片傳輸到氣泡陷阱內,而氣泡陷阱外部的氣體無法進入內部,保證向推力器提供無夾氣的推進劑。
[0009]放氣通道一端與氣泡陷阱上端焊接,另一端與其中一根液體通道連通,作用是當加注時氣泡陷阱內的氣泡能夠通過放氣通道和液體通道排出PMD。
[0010]放氣杯的主要作用是保證加注推進劑時,中間底以下的氣體能夠順利排出,推進劑能夠充滿貯箱下艙。所述放氣杯的數量為I?3個。
[0011]所述液體通道的數量為4?8根。[0012]所述中間底大收集器位于中間底中間部位。
[0013]所述中間底小收集器均勻分布于中間底大收集器周圍的數量為3?6個。
[0014]本發明與現有技術相比的優點在于:
[0015]( I)由于PMD采用多條液體通道和一個氣泡陷阱的結構布局,使得PMD具有非常高的推進劑收集能力,實現了 PMD的高擠出效率、100%氣泡截留和故障恢復能力,貯箱擠出效率達到99.5%以上,大大延長了貯箱的使用壽命;
[0016](2)本發明涉及的PMD直徑達到1230mm、高度700mm,而采用多條液體通道與氣泡陷阱整體焊接結構形式,無活動部件,與貯箱殼體焊接后能夠具備加壓無變形能力,要具備足夠的強度和剛度,大大增強了貯箱的環境適應能力。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1為本發明PMD結構示意圖;
[0018]圖2為氣泡陷阱結構示意圖;
[0019]圖3為放氣杯結構示意圖;
[0020]圖4為發動機第四次點火后推進劑管理裝置內推進劑分布示意圖;
[0021]圖5為南北位置保持時推進劑管理裝置內推進劑分布示意圖;
[0022]圖6為壽命末期推進劑管理裝置內推進劑分布示意圖。
【具體實施方式】
[0023]如圖1所示的一種大型表面張力貯箱高剛度PMD,置于表面張力貯箱內表面且與內表面保持一定間隙,用于收集貯箱內推進劑,阻止增壓氣體進入,并將推進劑沿著通道輸送至氣泡陷阱出口,確保貯箱內的推進劑沿著通道流入貯箱出口而進入推力器。該裝置包括以下部件:中間底1、液體通道2、放氣通道3、中間底小收集器4、放氣杯5、中間底大收集器6、氣泡陷阱7。其中,中間底I置于貯箱下半部;液體通道2的角收集器一端與中間底I連接,另一段與氣泡陷阱7連接,液體通道2的數量為4?8根;氣泡陷阱7固定于貯箱出口位置;中間底大收集器6位于中間底中間部位,中間底小收集器4均勻分布于中間底大收集器6的周圍,數量為3?6個;放氣通道3為中空圓管通道,一端與氣泡陷阱7上端焊接,另一端與其中一根液體通道2連通,作用是當加注時氣泡陷阱內的推進劑能夠通過放氣通道件和液體通道排出PMD ;放氣杯5置于中間底I上部,一端焊接于中間底I邊緣處,另一端懸空放置,放氣杯5的數量為I?3個。該PMD由多條流體通道、氣泡陷阱、中間底等部件構成,且采用整體焊接,無活動部件,因此便形成了具備高強度和剛度的表面張力貯箱PMD。
[0024]如圖2所示,氣泡陷阱7主要由以下幾部分構成:氣泡陷阱殼體8、陷阱端蓋9、放氣收集器10、通道窗口 11、氣泡過濾器12、陷阱底座13。氣泡陷阱為一個空腔結構,上端安裝放氣收集器10,低端放置氣泡過濾器12,側面安裝了通道窗口 11,數量為4?8個,用于連接液體通道2。放氣收集器10、氣泡過濾器12和通道窗口 11均采用中間部位加工有一定數量的圓孔的壓板和小直徑不銹鋼網片構成,不銹鋼網片位于兩層壓板之間,采用電子束焊焊接。在微重力環境下,分布在貯箱內的推進劑在表面張力的作用下通過不銹鋼網片傳輸到氣泡陷阱內,而氣泡陷阱外部的氣體無法進入內部,保證向推力器提供無夾氣的推進劑。[0025]放氣杯5的結構示意圖見圖3,其構成如下:放氣杯堵管14、放氣杯骨架15、放氣杯網片16、放氣杯支壓板17、放氣杯接管18。放氣杯堵管14 一般2根,而放氣杯接管18為I根,三者均布于放氣杯骨架15的側向,放氣杯支壓板17為加工有一定數量的圓孔的壓板,放氣杯網片16置于兩塊放氣杯支壓板17之間,三者焊接于放氣杯骨架15的上端。放氣杯5主要作用是保證加注推進劑時,中間底I以下的氣體能夠順利排出,推進劑能夠充滿貯箱下艙。
[0026]中間底小收集器4與中間底大收集器6的主要功能是保證中間底I上下兩部分的推進劑能夠大流量貫通。
[0027]該大型表面張力貯箱高剛度PMD的主要幾個工作模式如下:
[0028]在衛星第四次點火后,在微重力環境下,貯箱上艙內液體全部耗盡,推進劑剩余全部分布在下艙,如圖4所示。隨著液體不斷消耗,氣體會進入下艙。
[0029]南北位置保持階段,產生垂直于貯箱軸線的加速度,液體被甩到側面,但下艙的管理裝置能夠保證推進劑的供應,如圖5所示。
[0030]在貯箱壽命末期,如圖6所示。在微重力環境下,液體基本蓄留在中間底與貯箱殼體壁面之間區域。隨著氣泡陷阱內液體基本排空,分布在夾角處的液體在表面張力作用下沿著液體通道傳輸到板式PMD底部,通過氣泡過濾器進入推力器,直至貯箱內液體排空。氣泡陷阱可以阻止高壓氣體進入貯箱出液口,實現不夾氣排液的目的。在貯箱的整個壽命時間內,PMD實現了對液體全管理。
[0031]本發明未公開技術屬本領域技術人員公知常識。
【權利要求】
1.一種大型表面張力貯箱高剛度推進劑管理裝置,其特征在于包括:中間底、多根液體通道、放氣通道、中間底小收集器、放氣杯、中間底大收集器和氣泡陷阱;中間底置于貯箱下半部;液體通道的角收集器一端與中間底連接,另一段與氣泡陷阱連接,氣泡陷阱固定于貯箱出口位置,中間底大收集器位于中間底中間部位,中間底小收集器分布于中間底大收集器周圍;放氣通道為中空圓管通道,一端與氣泡陷阱上端焊接,另一端與其中一根液體通道連通;放氣杯置于中間底上部,一端焊接于中間底邊緣處,另一端懸空放置。
2.根據權利要求1所述的一種大型表面張力貯箱高剛度推進劑管理裝置,其特征在于:所述氣泡陷阱為一個空腔結構,上端和低端均采用中間部位加工有10?20個圓孔的壓板和200 X 1400?350X2300目小孔的不銹鋼網片構成,不銹鋼網片位于兩層壓板之間,采用電子束焊焊接。
3.根據權利要求1所述的一種大型表面張力貯箱高剛度推進劑管理裝置,其特征在于:所述液體通道的數量為4?8根。
4.根據權利要求1所述的一種大型表面張力貯箱高剛度推進劑管理裝置,其特征在于:所述中間底大收集器位于中間底中間部位。
5.根據權利要求1所述的一種大型表面張力貯箱高剛度推進劑管理裝置,其特征在于:所述中間底小收集器均勻分布于中間底大收集器周圍的數量為3?6個。
6.根據權利要求1所述的一種大型表面張力貯箱高剛度推進劑管理裝置,其特征在于:所述放氣杯的數量為I?3個。
【文檔編號】F02K9/80GK103590924SQ201310485525
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年10月16日 優先權日:2013年10月16日
【發明者】魏延明, 李永, 莊保堂, 白建軍, 姚燦, 胡齊, 蘇龍斐 申請人:北京控制工程研究所