CN103950554B - 一种航天器推进剂在轨加注系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种航天器推进剂在轨加注系统及方法，采用了先一次排气后再增压加注的技术，使得目标贮箱和加注贮箱不需要气路和液路同时连接，只用单一的液路进行连接，简化了对接机构；补给航天器不需要安装泵进行增压加注，不但避免了泵中电机旋转而产生的姿态干扰力矩，而且降低了加注时的增压压力，提升任务的可靠性；加注之前对目标航天器贮箱泄压至推进剂饱和蒸汽压以下的措施，确保了目标航天器贮箱填充率达到较高的水平。此外，该系统具有可重复使用的特性，补给航天器可以对多个目标或对一个目标进行多次在轨补给，为在轨加注服务的进一步实施奠定基础。

Description

一种航天器推进剂在轨加注系统及方法

技术领域

本发明公开了推进剂在轨加注系统及方法，尤其涉及一种航天器推进剂在轨加注系统及方法，属于航天技术领域。

背景技术

随着我国航天技术的发展，许多昂贵并有重大价值的有效载荷逐渐应用到空间平台中。而空间在轨系统由于自身条件的限制和空间环境的影响，在没有任何补给和维护的条件下，常常由于燃料有限而被迫终止使用，不得不重新制造和发射全新的系统加以取代，造成不必要的损失和浪费。一味通过提高运载发射能力增加推进剂携带量而延长在轨航天器寿命的方法不能从根本上满足未来航天发展要求，还会带来许多不利影响。

在轨加注服务是对空间在轨系统进行预定或应急的在轨燃料加注服务的空间活动，能够延长在轨系统使用寿命，扩展和提高系统性能。该服务进一步方便了航天任务的实施，降低在轨系统全寿命周期成本，提高整体性能，降低风险，增强航天任务灵活性，为进行长期频繁的空间活动提供强有力的后勤保障。

航天器在轨加注过程，就是携带补给推进剂的航天器（补给航天器）与需要进行推进剂补给的航天器（目标航天器）在空间中实现交会对接后，通过连通的管路将推进剂（通常是常规液体推进剂，如胼二甲肼）由补给航天器贮箱输送到目标航天器贮箱的过程。其中空间流体传输技术是在轨加注的关键技术，由于飞行器处于微重力环境，受到液体表面张力、飞行器姿态变化等因素的影响，贮箱内部的推进剂和增压气体在没有推进剂管理的情况下处于气液混合的无序状态，而在轨加注服务要求在微重力环境下把无蒸汽的单相液体以特定的热力学状态从补给航天器贮箱输送到目标航天器贮箱中，这使得空间流体传输过程十分复杂。因此对于空间携带有推进剂的补给航天器，需要采取一种既简单又可靠的方式将单相液体推进剂传输到目标航天器上。

发明内容

本发明所要解决的技术问题：克服现有在推进剂加注服务过程中，如何将补给航天器中的推进剂稳定地传输到目标航天器中的问题，本发明提供一种航天器推进剂在轨加注系统及方法，该系统简单，方法可靠。

本发明的技术解决方案是：一种航天器推进剂在轨加注系统，包括目标航天器加注系统和补给航天器加注系统，其中目标航天器加注系统由目标对接接口、第四阀门M4、目标贮箱、第一压力传感器P1、第一温度传感器T1、第三阀门M3、排气阀、第二阀门M2、第一减压器、第一阀门M1和目标贮箱气源系统组成，目标贮箱气源系统依次通过第一阀门M1、第一减压器、第二阀门M2与目标贮箱的一端相连通，在目标贮箱与第二阀门M2之间分别安装第一压力传感器P1、第一温度传感器T1和第三阀门M3,排气阀通过第三阀门M3与目标贮箱相连通，目标贮箱的另一端通过第四阀门M4与目标对接接口相连通；补给航天器加注系统由补给对接接口、第五阀门M5、加注贮箱、第二压力传感器P2、第六阀门M6、安全阀、第七阀门M7、第二减压器、第八阀门M8和加注贮箱气源系统组成，加注贮箱气源系统依次通过第八阀门M8、第二减压器、第七阀门M7与加注贮箱相连通，在加注贮箱与第七阀门M7之间分别安装第二压力传感器P2和第六阀门M6,安全阀通过第六阀门M6与加注贮箱相连通，加注贮箱的另一端通过第五阀门M5与加注对接接口相连通。

一种利用在轨加注系统的在轨加注方法，步骤如下

（1）将目标航天器中沉底发动机点火，完成目标贮箱中的推进剂沉底；

（2）然后将目标航天器加注系统与补给航天器加注系统通过对接接口进行对接；

（3）打开第三阀门M3对目标贮箱进行排气，通过第一测压传感器P1测量目标贮箱内部的压力，当目标贮箱内部压力达到推进剂的饱和蒸气压以下时，维持对目标贮箱排气30-40s后关闭第三阀门M3；

（4）依次打开第五阀门M5和第四阀门M4，利用加注贮箱对目标贮箱进行加注；

（5）打开第七阀门M7和第八阀门M8,利用加注贮箱气源系统对目标贮箱进行增压；

（6）通过第一测压传感器P1测量目标贮箱内部的压力，当目标贮箱达到工作压力时，关闭第四阀门M4、第五阀门M5、第七阀门M7和第八阀门M8,将目标航天器加注系统与补给航天器加注系统脱开，完成加注。

所述加注贮箱对目标贮箱加注的速度为10L/min。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明采用了先一次排气后再增压加注的技术，使得目标贮箱和加注贮箱不需要气路和液路同时连接，只用单一的液路进行连接，简化了对接机构；补给航天器不需要安装泵进行增压加注，不但避免了泵中电机旋转而产生的姿态干扰力矩，而且降低了加注时的增压压力，提升任务的可靠性；加注之前对目标航天器贮箱泄压至推进剂饱和蒸汽压以下的措施，确保了目标航天器贮箱填充率达到较高的水平。此外，该系统具有可重复使用的特性，补给航天器可以对多个目标或对一个目标进行多次在轨补给，为在轨加注服务的进一步实施奠定基础。

附图说明

图1为本发明系统组成结构图。

具体实施方式

基于空间在轨加注服务技术的研究基础，目前已有的常规推进剂在轨补给方式有三种：一是直接加注方式、二是模块更换方式、三是模块新增方式。其中直接加注方式的工程实施性更好，已被俄罗斯和美国的航天任务采用。这种在轨加注方式需要目标航天器和补给航天器具备相应的在轨补给接口和管路系统，不会对航天器总体布局方案造成很大影响。同时，系统具有可重复使用的特点，补给航天器可以对多个目标或对一个目标进行多次在轨补给。

在微重力环境下，贮箱内部的推进剂和增压气体处于气液混合的状态，需要将贮箱内部的大量增压气体排出而保留液态的推进剂，本发明提出并设计了一种在轨加注的系统方案，该方案首先进行目标航天器推进剂沉底，然后通过对接接口管路使目标航天器与补给航天器组成一个组合体，之后对目标航天器进行排气，将目标贮箱压力降到液体推进剂的饱和蒸气压以下，后采用直接加注的方式进行加注并由补给航天器对其进行增压加注，当达到目标航天器贮箱的工作压力时，停止加注并撤出对接接口管路，从而实现补给航天器对目标航天器的推进剂加注服务。

本发明的系统组成结构图如图1所示，包括目标航天器加注系统和补给航天器加注系统，其中目标航天器加注系统由目标对接接口、第四阀门M4、目标贮箱、第一压力传感器P1、第一温度传感器T1、第三阀门M3、排气阀、第二阀门M2、第一减压器、第一阀门M1和目标贮箱气源系统组成，目标贮箱气源系统依次通过第一阀门M1、第一减压器、第二阀门M2与目标贮箱的一端相连通，在目标贮箱与第二阀门M2之间分别安装第一压力传感器P1、第一温度传感器T1和第三阀门M3,排气阀通过第三阀门M3与目标贮箱相连通，目标贮箱的另一端通过第四阀门M4与目标对接接口相连通；补给航天器加注系统由补给对接接口、第五阀门M5、加注贮箱、第二压力传感器P2、第六阀门M6、安全阀、第七阀门M7、第二减压器、第八阀门M8和加注贮箱气源系统组成，加注贮箱气源系统依次通过第八阀门M8、第二减压器、、第七阀门M7与加注贮箱相连通，在加注贮箱与第七阀门M7之间分别安装第二压力传感器P2和第六阀门M6,安全阀通过第六阀门M6与加注贮箱相连通，加注贮箱的另一端通过第五阀门M5与加注对接接口相连通。

一种利用在轨加注系统的在轨加注方法，步骤如下

（1）启动目标航天器中沉底发动机点火，完成目标贮箱中的推进剂沉底；

（2）然后将目标航天器加注系统与补给航天器加注系统通过对接接口进行对接；

（3）打开第三阀门M3对目标贮箱进行排气，通过第一测压传感器P1测量目标贮箱内部的压力，当目标贮箱内部压力达到推进剂的饱和蒸气压以下时，维持对目标贮箱排气30-40s后关闭第三阀门M3；

（4）依次打开第五阀门M5和第四阀门M4，利用加注贮箱对目标贮箱进行加注；

（5）打开第七阀门M7和第八阀门M8,利用加注贮箱气源系统对目标贮箱进行增压；

（6）通过第一测压传感器P1测量目标贮箱内部的压力，当目标贮箱达到工作压力时，关闭第四阀门M4、第五阀门M5、第七阀门M7和第八阀门M8,将目标航天器加注系统与补给航天器加注系统脱开，完成加注。

通过对接装置使补给航天器和目标航天器组成一个组合体，同时目标加注接口与补给加注接口对接形成完整的加注系统。对接后，对目标航天器的贮箱进行排气，由于受到空间低温和真空环境的影响（环境温度4K，出口压力极低），贮箱若直接排气，则贮箱内部气体温度会大幅度降低，根据对贮箱内部增压气体进行绝热膨胀的仿真研究结果，贮箱内增压气体的温度将下降到约60K，可利用第一温度传感器T1进行监控，大量的增压气体将不能排出，而在加注过程中剩余的增压气体压力和温度升高，从而导致贮箱推进剂填充率较低。因此本发明创新地采取将贮箱泄压到液态推进剂的饱和蒸汽压以下的措施，使部分液体推进剂汽化，不但可以使推进剂蒸汽和低温的增压气体进行热交换，提高贮箱内部气体温度，而且产生的推进剂蒸汽会将增压气体进一步排出，保证贮箱内部残余的增压气体进一步减少。

然后对目标贮箱进行加注，通过压力调节和限流装置保持加注流量维持在10L/min左右。当目标贮箱内部压力达到贮箱的工作压力时，加注过程停止。加注过程中，由于目标贮箱的压力逐渐升高，之前汽化的推进剂蒸汽逐渐液化，最终达到目标贮箱具有较高的填充率。通过在轨加注地面演示试验的测量，这种加注方式可以使目标贮箱推进剂的填充率达到95%以上。

本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (2)

1.一种航天器推进剂在轨加注方法，其特征在于：

航天器推进剂在轨加注系统：包括目标航天器加注系统和补给航天器加注系统，其中目标航天器加注系统由目标对接接口、第四阀门M4、目标贮箱、第一压力传感器P1、第一温度传感器T1、第三阀门M3、排气阀、第二阀门M2、第一减压器、第一阀门M1和目标贮箱气源系统组成，目标贮箱气源系统依次通过第一阀门M1、第一减压器、第二阀门M2与目标贮箱的一端相连通，在目标贮箱与第二阀门M2之间分别安装第一压力传感器P1、第一温度传感器T1和第三阀门M3,排气阀通过第三阀门M3与目标贮箱相连通，目标贮箱的另一端通过第四阀门M4与目标对接接口相连通；补给航天器加注系统由补给对接接口、第五阀门M5、加注贮箱、第二压力传感器P2、第六阀门M6、安全阀、第七阀门M7、第二减压器、第八阀门M8和加注贮箱气源系统组成，加注贮箱气源系统依次通过第八阀门M8、第二减压器、第七阀门M7与加注贮箱相连通，在加注贮箱与第七阀门M7之间分别安装第二压力传感器P2和第六阀门M6,安全阀通过第六阀门M6与加注贮箱相连通，加注贮箱的另一端通过第五阀门M5与加注对接接口相连通；

利用航天器推进剂在轨加注系统进行加注的方法，步骤如下：

(1)将目标航天器中沉底发动机点火，完成目标贮箱中的推进剂沉底；

(2)然后将目标航天器加注系统与补给航天器加注系统通过对接接口进行对接；

(3)打开第三阀门M3对目标贮箱进行排气，通过第一测压传感器P1测量目标贮箱内部的压力，当目标贮箱内部压力达到推进剂的饱和蒸气压以下时，维持对目标贮箱排气30-40s后关闭第三阀门M3；

(4)依次打开第五阀门M5和第四阀门M4，利用加注贮箱对目标贮箱进行加注；

(5)打开第七阀门M7和第八阀门M8,利用加注贮箱气源系统对目标贮箱进行增压；

(6)通过第一测压传感器P1测量目标贮箱内部的压力，当目标贮箱达到工作压力时，关闭第四阀门M4、第五阀门M5、第七阀门M7和第八阀门M8,将目标航天器加注系统与补给航天器加注系统脱开，完成加注。

2.根据权利要求1所述的一种航天器推进剂在轨加注方法，其特征在于：所述加注贮箱对目标贮箱加注的速度为10L/min。