CN110539899B - 航天器在轨补加管路内残余推进剂吹除系统及吹除方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种航天器在轨补加管路内残余推进剂吹除系统及吹除方法，其中，航天器在轨补加管路内残余推进剂吹除系统，包括：供气单元，所述供气单元与推进剂输出管路相连接；接收单元，所述接收单元与推进剂接收管路相连接；排气单元，所述排气单元与所述推进剂接收管路相连接，沿推进剂补加方向，所述排气单元与所述推进剂接收管路的连接位置位于所述接收单元与所述推进剂接收管路连接位置之前。采用供气单元和接收单元对推进剂补加管路中的推进剂进行回收，达到了充分利用管路中残留推进剂的目的。推进剂不向舱外排出，有效减少了对清理补加管路中残余推进剂时产生的干扰力，降低了对航天器姿态的影响，又避免了污染舱外设备和排气口堵塞。

Description

航天器在轨补加管路内残余推进剂吹除系统及吹除方法

技术领域

本发明涉及航天领域，尤其涉及一种航天器在轨补加管路内残余推进剂吹除系统及吹除方法。

背景技术

推进剂在轨补加技术是空间站工程的核心技术，是空间站长期运行的必备技术。俄罗斯从1978年就已经实现了推进剂在轨加注，目前已经成功地完成了多次在轨补给，而美国从上世纪80年代初就开始了在轨补给技术的研究，使该技术得到了充分的发展，并成功实现了在轨演示验证。

推进剂在轨补加是指两个具备独立飞行功能的航天器，在轨建立推进剂输送通道，将推进剂从一个航天器推进剂贮箱输送至另一个航天器的推进剂贮箱。补加结束后，两个飞行器间的推进剂输送管路内将残留推进剂。为避免两个飞行器分离时，推进剂从分离面流出，从而污染对接面，引起安全性风险，需要在推进剂输送结束后，将飞行器间补加管路内推进剂进行吹除。通常情况下，推进剂被直接吹除到舱外，但这样会出现较大的吹除干扰力，影响航天器姿态，也将造成管路内推进剂和吹除气体的浪费，另外吹除过程中还容易造成吹除结冰堵塞的风险。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用表面张力贮箱的航天器在轨补加管路内残余推进剂吹除系统及吹除方法，解决航天器补加管路中推进剂被浪费的的问题。

为实现上述发明目的，本发明提供一种航天器在轨补加管路内残余推进剂吹除系统，包括：

供气单元，所述供气单元与推进剂输出管路相连接；

接收单元，所述接收单元与推进剂接收管路相连接；

排气单元，所述排气单元与所述推进剂接收管路相连接；

沿推进剂补加方向，所述排气单元与所述推进剂接收管路的连接位置位于所述接收单元与所述推进剂接收管路连接位置之前。

根据本发明的一个方面，所述供气单元包括：

高压气瓶，用于提供吹除气体，同时作为推进增压气瓶；

第一管路，分别与所述高压气瓶和所述推进剂输出管路相连接；

减压阀，设置于所述第一管路上；

单向阀，设置于所述第一管路上，且位于所述减压阀与所述第一管路和所述推进剂输出管路相连接的位置之间。

根据本发明的一个方面，所述供气单元还包括：

第一控制阀，设置于所述第一管路上，且位于所述高压气瓶与所述减压阀之间；

第二控制阀，设置于所述第一管路上，且位于所述单向阀与所述第一管路和所述推进剂输出管路相连接的位置之间；

第一压力传感器，设置于所述第一管路上，且位于所述高压气瓶与所述第一控制阀之间；

第二压力传感器，设置于所述第一管路上，且位于所述单向阀与所述第二控制阀之间。

根据本发明的一个方面，所述接收单元包括：

接收贮箱，为表面张力贮箱，用于接收所述推进剂输出管路和所述推进剂接收管路中的残余推进剂，同时作为接收补加推进剂贮箱；

第二管路，分别与所述接收贮箱和所述推进剂接收管路相连接；

第三控制阀，设置于所述第二管路上，且位于所述接收贮箱与所述第二管路和所述推进剂接收管路相连接的位置之间；

第三压力传感器，设置于所述第二管路上，且位于所述第三控制阀与所述接收贮箱之间。

根据本发明的一个方面，所述排气单元包括：

第三管路，所述第三管路与所述推进剂接收管路相连接，沿推进剂补加方向，所述第三管路与所述推进剂接收管路的连接位置位于所述第二管路与所述推进剂接收管路连接位置之前；

排气口，所述排气口与所述第三管路相连接；

第四控制阀，设置于所述第三管路上；

所述排气口设置锥形的管状防护罩。

根据本发明的一个方面，所述排气单元还包括：

第四压力传感器，设置于所述推进剂接收管路上，且沿推进剂补加方向，所述第四压力传感器设置于所述第三管路与所述推进剂接收管路连接位置之前。

为实现上述发明目的，本发明提供一种吹除方法，包括：

S1.关闭供气单元、接收单元和排气单元上所有阀门，对系统初始化；

S2.打开第三控制阀，使推进剂输出管路和推进剂接收管路与接收贮箱连通；

S3.打开第一控制阀和第二控制阀，将第一管路与推进剂输出管路相连通，挤压残余推进剂流入接收贮箱中；

S4.待所述接收贮箱压力达到工作压力上限，关闭所述第一控制阀、所述第二控制阀和所述第三控制阀；

S5.开启第四控制阀，使管路中的气体由排气口排出；

S6.待管路中气体排尽，关闭所述第四控制阀。

根据本发明的一个方面，步骤S2中，通过第一压力传感器监视所述第一管路的压力状态。

根据本发明的一个方面，步骤S3中，通过第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器和第四压力传感器监视所有管路的压力状态。

根据本发明的一个方面，步骤S5中，通过第四压力传感器监视推进剂接收管路的压力状态。

根据本发明的一个方案，通过采用供气单元和接收单元对推进剂补加管路中的推进剂进行回收，达到了充分利用管路中残留推进剂的目的，避免了推进剂的浪费。而且推进剂不向舱外排出，这样有效减少了对清理补加管路中残余推进剂时产生的干扰力，降低了对航天器姿态的影响。同时，又降低了向舱外排放残余推进剂时污染舱外设备和排气口堵塞的风险。

根据本发明的一个方案，通过减压阀的作用，有效避免了由于高压气瓶中高压气体直接输出导致压力过高，引起接收贮箱超压的风险。另外，通过设置单向阀，能够避免推进剂回流进入高压气瓶，进而影响推进系统的性能。

根据本发明的一个方案，在完成对管路中推进剂的吹除后，对外仅排出密闭管路内的气体，而不用持续向外吹除，降低增压气体损耗。

根据本发明的一个方案，在进行管路中残余气体的吹除过程时，实现了部分增压气体进入接收贮箱内，相当于在进行接收贮箱的气体补加，减少后续气体补加的补加量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示意性表示本发明的一种实施方式的航天器在轨补加管路内残余推进剂吹除系统的结构图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

在针对本发明的实施方式进行描述时，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”所表达的方位或位置关系是基于相关附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，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，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。

如图1所示，根据本发明的一种实施方式，本发明的一种航天器在轨补加管路内残余推进剂吹除系统，包括：供气单元1、接收单元2和排气单元3。在本实施方式中，供气单元1与推进剂输出管路相连接，接收单元2与推进剂接收管路相连接，排气单元3与所述推进剂接收管路相连接。在本实施方式中，推进剂输出管路和推进剂接收管路在推进剂补加过程中通过浮动断接器A相互连通。其中，浮动断接器A包括主动端A1和被动端A2。主动端A1与推进剂输出管路相连接，被动端A2与推进剂接收管路相连接。在本实施方式中，沿推进剂补加方向，排气单元3与推进剂接收管路的连接位置位于接收单元2与推进剂接收管路连接位置之前。通过采用供气单元1和接收单元2对推进剂补加管路中的推进剂进行回收，达到了充分利用管路中残留推进剂的目的，避免了推进剂的浪费。而且推进剂不向舱外排出，这样有效减少了对清理补加管路中残余推进剂时产生的干扰力，降低了对航天器姿态的影响。同时，又避免了向舱外排放残余推进剂时污染舱外设备和堵塞排气口的风险。

如图1所示，根据本发明的一种实施方式，供气单元1包括：高压气瓶11、第一管路12、减压阀和单向阀。在本实施方式中，高压气瓶11与第一管路12相互连通。在高压气瓶11中储存有被压缩的吹除气体。在进行推进剂的吹除过程中，吹除气体均是由高压气瓶11所提供。第一管路12远离高压气瓶11的一端和推进剂输出管路相连接。在本实施方式中，沿高压气瓶11至推进剂输出管路的方向(即吹除气体输出的方向)，减压阀RVb1和单向阀CVb1依次设置在第一管路12上。由高压气瓶11输出的高压气体会通过减压阀RVb1的作用减压后流入到推进剂输出管路。此外，单向阀CVb1用于控制吹除气体的流动方向，防止气体的倒流以及管路中液体的倒流。通过上述设置，通过减压阀的作用，有效避免了由于高压气瓶11中高压气体直接输出导致压力过高，引起接收贮箱超压的风险。另外，通过设置单向阀，能够避免推进剂回流进入高压气瓶，进而影响推进系统的性能。此外，高压气瓶还可作为推进剂增压气瓶使用，提高了高压气瓶的有效利用率。

如图1所示，根据本发明的一种实施方式，供气单元1还包括：第一控制阀LVb1、第二控制阀LVb2、第一压力传感器PTb1和第二压力传感器PTb2。在本实施方式中，第一控制阀LVb1设置于第一管路12上，且位于高压气瓶11与减压阀RVb1之间，第二控制阀LVb2设置于第一管路12上，且位于单向阀CVb1与第一管路12和推进剂输出管路相连接的位置之间。第一压力传感器PTb1设置于第一管路12上，且位于高压气瓶11与第一控制阀LVb1之间，第二压力传感器PTb2设置于第一管路12上，且位于单向阀CVb1与第二控制阀LVb2之间。通过在第二管路12上交替设置多个控制阀和压力传感器能够对第一管路12上的气体流通进行灵活控制，以及压力数据的实时测量，这样能够保证对供气单元1上在吹除过程进行实时检测，保证吹除作业的稳定安全运行。

如图1所示，根据本发明的一种实施方式，接收单元2包括：接收贮箱21、第二管路22、第三控制阀LVb5和第三压力传感器PTb4。在本实施方式中，接收贮箱2用于接收推进剂输出管路和推进剂接收管路中的残余推进剂；第二管路22分别与接收贮箱21和推进剂接收管路相连接；第三控制阀LVb5设置于第二管路22上，且位于接收贮箱21与第二管路22和推进剂接收管路相连接的位置之间；第三压力传感器PTb4设置于第二管路22上，且位于第三控制阀与接收贮箱21之间。

如图1所示，根据本发明的一种实施方式，排气单元3包括：第三管路31、排气口32、第四控制阀LVb4和第四压力传感器PTb3。在本实施方式中，第三管路31与推进剂接收管路相连接，沿推进剂补加方向，第三管路31与推进剂接收管路的连接位置位于第二管路22与推进剂接收管路连接位置之前；排气口32与第三管路31相连接；第四控制阀LVb4设置于第三管路31上；第四压力传感器PTb3设置于推进剂接收管路上，且沿推进剂补加方向，第四压力传感器PTb3设置于第三管路31与推进剂接收管路连接位置之前。在本实施方式中，排气口32设置锥形的管状防护罩。通过将排气口32设置锥形的管状防护罩，可有利于控制气体的排出方向，避免对舱外重要位置的污染。

利用本发明的航天器在轨补加管路内残余推进剂吹除系统的吹除方法包括以下步骤：

S1.关闭供气单元1、接收单元2和排气单元3上所有阀门，对系统初始化。在本实施方式中，推进剂输送已结束，即在推进剂输出管路上的第五控制阀LVb3和推进剂接收管路上的第六控制阀LVb6已处于关闭状态。因此，在对系统初始化时仅对吹除系统上的阀门进行初始化。

S2.打开第三控制阀LVb5，使推进剂输出管路和推进剂接收管路与接收贮箱21连通。在本实施方式中通过第三压力传感器PTb4和第四压力传感器PTb3监视所有管路的压力状态；

S3.打开第一控制阀LVb1和第二控制阀LVb2，将第一管路12与推进剂输出管路相连通，挤压残余推进剂流入接收贮箱21中。在本实施方式中，通过第一压力传感器PTb1、第二压力传感器PTb2、第三压力传感器PTb4和第四压力传感器PTb3监视所有管路的压力状态。

S5.开启第四控制阀LVb4，使管路中的气体由排气口32排出。在本实施方式中，在排出气体的过程中在管路压力达到真空状态后，继续保持阀门打开状态，进行真空抽吸，排出管内残留的少量推进剂。在本实施方式中，通过第四压力传感器PTb3监视推进剂接收管路的压力状态。

S6.确认吹除完毕后，关闭第四控制阀LVb4。

以上所述仅为本发明的一个实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种航天器在轨补加管路内残余推进剂吹除系统，其特征在于，包括：

供气单元（1），所述供气单元（1）与推进剂输出管路相连接；

接收单元（2），所述接收单元（2）与推进剂接收管路相连接；

排气单元（3），所述排气单元（3）与所述推进剂接收管路相连接，

沿推进剂补加方向，所述排气单元（3）与所述推进剂接收管路的连接位置位于所述接收单元（2）与所述推进剂接收管路连接位置之前；

所述供气单元（1）包括：高压气瓶（11），第一管路（12），设置于所述第一管路（12）上的减压阀、单向阀，以及设置于所述第一管路（12）上的第一控制阀、第二控制阀、第一压力传感器和第二压力传感器；

所述接收单元（2）包括：

接收贮箱（21），用于接收所述推进剂输出管路和所述推进剂接收管路中的残余推进剂；

第二管路（22），分别与所述接收贮箱（21）和所述推进剂接收管路相连接；

第三控制阀，设置于所述第二管路（22）上，且位于所述接收贮箱（21）与所述第二管路（22）和所述推进剂接收管路相连接的位置之间；

第三压力传感器，设置于所述第二管路（22）上，且位于所述第三控制阀与所述接收贮箱（21）之间。

2.根据权利要求1所述的航天器在轨补加管路内残余推进剂吹除系统，其特征在于，所述高压气瓶（11）用于提供吹除气体；

所述第一管路（12）分别与所述高压气瓶（11）和所述推进剂输出管路相连接；

所述单向阀位于所述减压阀与所述第一管路（12）和所述推进剂输出管路相连接的位置之间。

3.根据权利要求2所述的航天器在轨补加管路内残余推进剂吹除系统，其特征在于，所述第一控制阀位于所述高压气瓶（11）与所述减压阀之间；

所述第二控制阀位于所述单向阀与所述第一管路（12）和所述推进剂输出管路相连接的位置之间；

所述第一压力传感器位于所述高压气瓶（11）与所述第一控制阀之间；

所述第二压力传感器位于所述单向阀与所述第二控制阀之间。

4.根据权利要求3所述的航天器在轨补加管路内残余推进剂吹除系统，其特征在于，所述排气单元（3）包括：

第三管路（31），所述第三管路（31）与所述推进剂接收管路相连接，沿推进剂补加方向，所述第三管路（31）与所述推进剂接收管路的连接位置位于所述第二管路（22）与所述推进剂接收管路连接位置之前；

排气口（32），所述排气口（32）与所述第三管路（31）相连接；

第四控制阀，设置于所述第三管路（31）上。

5.根据权利要求4所述的航天器在轨补加管路内残余推进剂吹除系统，其特征在于，所述排气单元（3）还包括：

第四压力传感器，设置于所述推进剂接收管路上，且沿推进剂补加方向，所述第四压力传感器设置于所述第三管路（31）与所述推进剂接收管路连接位置之前。

6.根据权利要求4或5所述的航天器在轨补加管路内残余推进剂吹除系统，其特征在于，所述排气口（32）设置锥形的管状防护罩。

7.一种利用如权利要求1至6中任一项所述的航天器在轨补加管路内残余推进剂吹除系统的吹除方法，包括：

S1. 关闭供气单元（1）、接收单元（2）和排气单元（3）上所有阀门，对系统初始化；

S2. 打开第三控制阀，使推进剂输出管路和推进剂接收管路中的残余与接收贮箱（21）相连通；

S3. 打开第一控制阀和第二控制阀，将第一管路（12）与推进剂输出管路相连通，挤压残余推进剂流入接收贮箱中；

S4. 待所述接收贮箱（21）压力达到工作压力上限，关闭所述第一控制阀、所述第二控制阀和所述第三控制阀；

S5. 开启第四控制阀，使管路中的气体由排气口（32）排出；

S6. 待管路中气体排尽，关闭所述第四控制阀。

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