CN117108413A - 一种末修姿控动力系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种末修姿控动力系统，属于航天技术领域领域，包括动力模块、推进剂存储模块和推进剂供给模块；动力模块包括若干末修发动机；若干末修发动机与箭体固定连接；末修发动机具有多次启动能力，且末修发动机具有稳态连续和脉冲两种工作方式；推进剂存储模块包括燃料贮箱和氧化剂贮箱；推进剂存储模块固设于箭体内部；推进剂供给模块配置成将推进剂存储模块中存储的推进剂按照要求供给至末修发动机。本发明能够对运载火箭的末级进行调整，保证卫星入轨时的角度和入轨精度。
Description
技术领域
本发明涉及航天技术领域，特别涉及一种末修姿控动力系统。
背景技术
火箭作为运输航天器的工具，在将航天器送入预定轨道后，火箭末级会与航天器分离。
不论是卫星还是其他航天器，内部都是由非常精密的电子元器件构成的，火箭末级不仅仅要将它们送到预定轨道，还要将卫星调整好姿势。
随着卫星及其他航天器对于精度的要求越来越高，现有的末修姿控动力系统并不能够很好地完成相应航天器姿态调整工作。
有鉴于此，实有必要提供一种新的技术方案以解决上述问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本申请提供一种末修姿控动力系统，能够对运载火箭的末级进行调整，保证卫星入轨时的角度和入轨精度。
一种末修姿控动力系统，包括：
动力模块；所述动力模块包括若干末修发动机；若干所述末修发动机与箭体固定连接；所述末修发动机具有多次启动能力，且所述末修发动机具有稳态连续和脉冲两种工作方式；
推进剂存储模块；所述推进剂存储模块包括燃料贮箱和氧化剂贮箱；所述推进剂存储模块固设于所述箭体内部；
推进剂供给模块；所述推进剂供给模块配置成将所述推进剂存储模块中存储的推进剂按照要求供给至所述末修发动机。
优选的，所述末修发动机包括第一推力发动机和第二推力发动机；所述第二推力发动机的推力小于所述第一推力发动机的推力。
优选的，若干所述第一推力发动机构成多组发动机组合体；每组所述发动机组合体包括多个第一推力发动机；所述发动机组合体内的所述第一推力发动机两两垂直设置。
优选的，每组所述发动机组合体包括3个第一推力发动机；所述发动机组合体内的其中一所述第一推力发动机平行于所述箭体轴向设置。
优选的，所述发动机组合体为4组；4组所述发动机组合体位于所述箭体横截面的四个象限上；4组所述发动机组合体沿所述箭体中心两两对称设置。
优选的，所述第一推力发动机的推力为700N；所述第二推力发动机的推力为50N。
优选的，所述推进剂供给模块包括气路增压模块和推进剂供应模块；
所述推进剂供应模块与所述末修发动机连通，为所述末修发动机供给燃料和氧化剂；
所述气路增压模块包括用于存储高压气体的气瓶；所述气瓶与所述推进剂存储模块内连通，为所述燃料贮箱和所述氧化剂贮箱增压；所述气瓶的出口端设置有用于保证进入所述燃料贮箱和所述氧化剂贮箱内的气压为恒压的减压阀。
优选的，所述推进剂供给模块还包括设置于所述气瓶下游的气路电爆阀、所述燃料贮箱进气端的上游电爆阀和排出端的下游电爆阀以及所述氧化剂贮箱进气端的上游电爆阀和排出端的下游电爆阀；所述气路电爆阀、所述上游电爆阀和下游电爆阀内均设置有电爆管；所述气路电爆阀、所述上游电爆阀和下游电爆阀均为常闭结构。
优选的，所述推进剂供给模块还包括用于控制所述第二推力发动机的启闭的电磁阀和控制所述第一推力发动机的启闭的电动气阀；所述电磁阀下游的氧化剂出口和燃料出口均设置节流孔板；所述电动气阀下游的氧化剂出口和燃料出口均设置节流孔板。
优选的，还包括压力监测模块；所述压力监测模块用于监测所述气瓶出口、所述燃料贮箱出口、所述氧化剂贮箱出口以及所述末修发动机推进剂入口的压力。
与现有技术相比，本申请至少具有以下有益效果：
1、本发明能够对运载火箭的末级进行位置和角度调整，实现末级火箭飞行过程中的滚转、俯仰、偏航控制以及末级入轨修正、离轨钝化，保证卫星入轨时的角度和入轨精度。
2、本发明的末修发动机包括第一推力发动机和第二推力发动机，且两者的推力不同，能够对末级火箭按照不同推力进行调整，提高末级火箭调整的灵活性和多样性。
3、本发明中的末修发动机分布在4个不同的象限中，其结构布局合理，火箭的控制精度高，方便火箭飞行状态的调整。
4、本发明中的末修发动机具有稳态连续和脉冲两种工作方式，能够根据末级火箭的状态按照时序进行有效调整，且具有高效、稳定性好的特点。
5、本发明推进剂供给模块能够有效控制推进剂的供给压力和流量，保证发动机推进剂入口压力和推力室室压的稳定。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
图1为本发明末修姿控动力系统的模块连接示意图；
图2为本发明末修姿控动力系统中从箭体尾部观察的推力室安装布局图。
图3为本发明末修姿控动力系统的系统工作原理图.
其中，上述附图包括以下附图标记：
100、推进剂存储模块，200、推进剂供给模块，210、气路增压模块，220、推进剂供应模块，300、箭体，400、动力模块，40、末修发动机，41、第一推力发动机，42、第二推力发动机，1、气瓶，2、气瓶充气阀，3、气路电爆阀，4、减压阀，5、气路压力表，6、安全阀，7、第一单向阀，8、第二单向阀，91、第一上游电爆阀，92、第二上游电爆阀，93、第三上游电爆阀，94、第四上游电爆阀，101、第一充气阀，102、第二充气阀，103、第三充气阀，104、第四充气阀，111、第一氧化剂贮箱，112、第一燃料贮箱，113、第二燃料贮箱，114、第二氧化剂贮箱，121、第一加排阀，122、第二加排阀，123、第三加排阀，124、第四加排阀，131、第一推进剂压力表，132、第二推进剂压力表，133、第三推进剂压力表，134、第四推进剂压力表，141、第一下游电爆阀，142、第二下游电爆阀，143、第三下游电爆阀，144、第四下游电爆阀，151、第一调节孔板，152、第二调节孔板，153、第三调节孔板，154、第四调节孔板，161、第一过滤器，162、第二过滤器，163、第三过滤器，164、第四过滤器。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
如图1所示并参考图3，一种末修姿控动力系统，包括：动力模块400、推进剂存储模块100和推进剂供给模块200。
其中，动力模块400包括若干末修发动机40。若干末修发动机40与箭体300固定连接。末修发动机40具有多次启动能力，且末修发动机40具有稳态连续和脉冲两种工作方式。末修发动机40在连续工作状态时，其一次连续最长设计工作时间不少于180秒。
推进剂存储模块100包括燃料贮箱和氧化剂贮箱；推进剂存储模块100固设于箭体300内部。
推进剂供给模块200配置成将推进剂存储模块100中存储的推进剂按照要求供给至末修发动机40。
末修发动机40包括第一推力发动机41和第二推力发动机42，且第二推力发动机42的推力小于第一推力发动机41的推力。不同推力的末修发动机能够实现多种推力的合，进而能够提高末修姿控动力系统的姿态调整能力。
若干第一推力发动机41构成多组发动机组合体。每组发动机组合体包括多个第一推力发动机41。发动机组合体内的第一推力发动机41两两垂直设置。
具体到本实施例而言，如图2所示，末修发动机40包括4组发动机组合体，每组发动机组合体包括3个第一推力发动机41，即共包括12个第一推力发动机41。发动机组合体内的其中一第一推力发动机41平行于箭体300轴向设置，且其喷射方向与箭体300的运动方向相反。位于箭体300横截面的四个象限上，4组发动机组合体沿箭体300中心两两对称设置。
末修发动机40共包括编号为1#至16#的16个发动机。其中编号为9#至12#的4个发动机为第二推力发动机42，其余均为第一推力发动机41。就第一推力发动机41而言，1#发动机、2#发动机、13#发动机组成第一发动机组合体，3#发动机、4#发动机、14#发动机组成第二发动机组合体，5#发动机、6#发动机、15#发动机组成第三发动机组合体，7#发动机、8#发动机、16#发动机组成第四发动机组合体。其中，13#发动机至16#发动机平行于箭体300轴向设置，其喷射方向与箭体300的运动方向相反。
在本发明的其他实施例中，也可以根据设计要求对第一推力发动机41和第二推力发动机42进行其他形式的编号或进行适应性的位置布局。
其中，若将箭体300的横截面分为Ⅰ、Ⅱ、 Ⅲ、Ⅳ共4个象限。4组发动机组合体中的共8个第一推力发动机41在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个象限切向布置，每个象限2个第一推力发动机41。4个第一推力发动机41沿箭体300轴向布置，每个象限1个第一推力发动机41。此外，4个第二推力发动机42在Ⅱ、Ⅳ象限切向布置，每个象限2个。即，Ⅰ、Ⅲ象限各3个第一推力发动机41集中布置，Ⅱ、Ⅳ象限各3个第一推力发动机41和2个第二推力发动机42集中布置。
通过对第一推力发动机41和第二推力发动机42的位置设置，能够有效满足末级火箭的动作要求，同时依靠集中布局的形式，能够有效节省其占用的体积，有效缩小火箭的整体尺寸。
在其他变形例中，动力模块400中也可包括由若干第二推力发动机42构成的多组发动机组合体。
在本实施例中，第一推力发动机41的推力为700N，第二推力发动机42的推力为50N。需要说明的是，在其他应用环境以及推力要求的情况下，第一推力发动机41的推力和第二推力发动机42的推力可根据具体设计要求进行相应的调整。
以某型运载火箭为例，12个第一推力发动机41的推力室轴线位于以火箭轴心为中心的Φ2860mm圆周上，4个第二推力发动机42的推力室位于以火箭轴心为中心的Φ2910mm圆周上。
如图1所示并参考图2，推进剂供给模块200包括气路增压模块210和推进剂供应模块220。其中，推进剂供应模块220与末修发动机40连通，为末修发动机40供给燃料和氧化剂。
如图2所示，气路增压模块210包括用于存储高压气体的气瓶1，气瓶1与推进剂存储模块100内连通，为燃料贮箱和氧化剂贮箱增压。
为满足气瓶1对于尺寸、强度和重量等输入条件的要求，并考虑使用环境、重量、压力等因素，选取了铝合金6061为气瓶内胆原材料，外加复合材料缠绕的结构形式。气瓶内胆制造采用拉深成型、热旋压收口、数控铣削加工，复合材料缠绕层采用缠绕固化的方式加工。
推进剂存储模块100采用双组元方式。
在本实施例中，推进剂存储模块100为贮箱，包括第一氧化剂贮箱111、第一燃料贮箱112、第二燃料贮箱113、第二氧化剂贮箱114。气瓶1的出口端能够与第一氧化剂贮箱111、第一燃料贮箱112、第二燃料贮箱113和第二氧化剂贮箱114的气体腔连通，用于向其提供压力，使相应的推进剂排出。
贮箱主要由金属隔膜、气腔壳体和液腔壳体组成，金属隔膜用来隔离推进剂和驱动气体，并管理推进剂，气腔壳体和液腔壳体将推进剂密封于贮箱内，保证在贮存和工作条件下推进剂和驱动气体无泄漏。
贮箱壳体材料（含气、液口）选择与推进剂一级相容的TC材料，金属隔膜选用与推进剂一级相容且塑性较好的TA1制造加工，能够进行翻转。贮箱外周向均匀布置有用于与舱体连接法兰孔。
其中，气瓶1内预装有高压氮气作为增压源，为贮箱内的推进剂增压。
气瓶1的出口端与推进剂存储模块100之间依次设置有气瓶充气阀2、气路电爆阀3、减压阀4、气路压力表5、安全阀6以及单向阀和上游电爆阀。
其中，在本实施例中，气路电爆阀3为常闭结构，采用高压点爆阀。减压阀4具有减压作用，能够对气瓶1排出的高压氮气调压，并使其保持某一恒压进入推进剂存储模块100。
单向阀包括第一单向阀7和第二单向阀8。其中，第一单向阀7设置于氧化剂贮箱的上游，第二单向阀8设置于燃料贮箱的上游。
上游电爆阀包括第一上游电爆阀91、第二上游电爆阀92、第三上游电爆阀93和第四上游电爆阀94。第一上游电爆阀91、第二上游电爆阀92、第三上游电爆阀93和第四上游电爆阀94分别设置于第一氧化剂贮箱111、第一燃料贮箱112、第二燃料贮箱113和第二氧化剂贮箱114的上游，用于控制高压气体进入其中。
此外，第一氧化剂贮箱111、第一燃料贮箱112、第二燃料贮箱113和第二氧化剂贮箱114的上游还分别设置有第一充气阀101、第二充气阀102、第三充气阀103和第四充气阀104，实现冗余设计，可以通过其他形式的气源向第一氧化剂贮箱111、第一燃料贮箱112、第二燃料贮箱113和第二氧化剂贮箱114内供给高压气体。此外，依靠第一充气阀101、第二充气阀102、第三充气阀103和第四充气阀104的设置，其还能够用于第一氧化剂贮箱111、第一燃料贮箱112、第二燃料贮箱113和第二氧化剂贮箱114的测试。
此外，减压阀4的下游还设置有过滤器，用于对气瓶1排出的气体进行净化。
在本实施例中，减压阀4与过滤器组成减压组合体。
此外，在贮箱与末修发动机40之间还依次设置有加排阀、下游电爆阀、调节孔板以及过滤器。
其中，加排阀用于向贮箱内加注推进剂，其数量与贮箱数量相同，包括第一加排阀121、第二加排阀122、第三加排阀123和第四加排阀124。
下游电爆阀用于控制贮箱与末修发动机40之间的助推剂通断，采用常闭低压电爆阀，包括第一下游电爆阀141、第二下游电爆阀，142、第三下游电爆阀143和第四下游电爆阀144。
在本发明的实施例中，无论是低压电爆阀还是高压电爆阀，其内部均设置有电爆管，且高压电爆阀和低压电爆阀均为常闭结构。
调节孔板用于节流，包括第一调节孔板151、第二调节孔板152、第三调节孔板153和第四调节孔板154。
过滤器用于推进剂的过滤，包括第一过滤器161、第二过滤器162、第三过滤器163和第四过滤器164。
在本实施例中，推进剂供给模块200还包括用于控制第二推力发动机42的启闭的电磁阀（图未示出）和控制第一推力发动机41的启闭的电动气阀（图未示出）。其中，电磁阀为常闭形式，通电打开、断电关闭。电动气阀同样为为常闭形式，通电打开、断电关闭。
此外，电磁阀下游的氧化剂出口和燃料出口均设置节流孔板；电动气阀下游的氧化剂出口和燃料出口均设置节流孔板。
作为本发明的另一个实施例，还包括压力监测模块。压力监测模块用于监测气瓶1出口、燃料贮箱出口、氧化剂贮箱出口以及末修发动机40推进剂入口的压力。压力监测模块包括第一推进剂压力表131、第二推进剂压力表132、第三推进剂压力表133第四推进剂压力表134以及气路压力表5。
工作时，高压气体经气瓶去排出，经减压阀4后的低压氮气分三路：
第1路低压氮气经4个分支管路分别进入4组发动机组合体的氮气导管入口，用于驱动12个电动气阀。
第2路低压氮气经单向阀进入第一氧化剂贮箱111和第二氧化剂贮箱114，为两个氧化剂贮箱增压，氧化剂在压力作用下流向16个发动机入口。
第3路低压氮气经单向阀进入第一燃料贮箱112和第二燃料贮箱113，为两个燃料贮箱增压，燃料在压力作用下流向16个发动机入口。
控制系统在某时刻给气瓶1后气路电爆阀3内的电爆管通电，打开气瓶1，然后通电分别打开贮箱前后的上游电爆阀和下游电爆阀，气路和液路通流。
当增压输送系统的气路压力和液路压力都稳定时，系统增压完毕，发动机处于待工作状态，需要发动机工作时，控制系统发出控制指令，打开对应电磁阀/电动气阀，电磁阀/电动气阀的氧化剂出口和燃料出口都设置节流孔板，两种推进剂进入推力室雾化混合，燃烧分解成高温气体，高温气体经喷管加速喷出产生推力。控制系统发出电磁阀/电动气阀断电指令，电磁阀/电动气阀关闭，发动机即停止工作。
末修姿控动力系统能够用于火箭飞行过程中的滚转、俯仰、偏航控制以及末级入轨修正、离轨钝化。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，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 (10)
1.一种末修姿控动力系统，其特征在于，包括：
动力模块；所述动力模块包括若干末修发动机；若干所述末修发动机与箭体固定连接；所述末修发动机具有多次启动能力，且所述末修发动机具有稳态连续和脉冲两种工作方式；
推进剂存储模块；所述推进剂存储模块包括燃料贮箱和氧化剂贮箱；所述推进剂存储模块固设于所述箭体内部；
推进剂供给模块；所述推进剂供给模块配置成将所述推进剂存储模块中存储的推进剂按照要求供给至所述末修发动机。
2.如权利要求1所述的末修姿控动力系统，其特征在于，所述末修发动机包括第一推力发动机和第二推力发动机；所述第二推力发动机的推力小于所述第一推力发动机的推力。
3.如权利要求2所述的末修姿控动力系统，其特征在于，若干所述第一推力发动机构成多组发动机组合体；每组所述发动机组合体包括多个第一推力发动机；所述发动机组合体内的所述第一推力发动机两两垂直设置。
4.如权利要求3所述的末修姿控动力系统，其特征在于，每组所述发动机组合体包括3个第一推力发动机；所述发动机组合体内的其中一所述第一推力发动机平行于所述箭体轴向设置。
5.如权利要求4所述的末修姿控动力系统，其特征在于，所述发动机组合体为4组；4组所述发动机组合体位于所述箭体横截面的四个象限上；4组所述发动机组合体沿所述箭体中心两两对称设置。
6.如权利要求2-5任一项所述的末修姿控动力系统，其特征在于，所述第一推力发动机的推力为700N；所述第二推力发动机的推力为50N。
7.如权利要求2所述的末修姿控动力系统，其特征在于，所述推进剂供给模块包括气路增压模块和推进剂供应模块；
所述推进剂供应模块与所述末修发动机连通，为所述末修发动机供给燃料和氧化剂；
所述气路增压模块包括用于存储高压气体的气瓶；所述气瓶与所述推进剂存储模块内连通，为所述燃料贮箱和所述氧化剂贮箱增压；所述气瓶的出口端设置有用于保证进入所述燃料贮箱和所述氧化剂贮箱内的气压为恒压的减压阀。
8.如权利要求7所述的末修姿控动力系统，其特征在于，所述推进剂供给模块还包括设置于所述气瓶下游的气路电爆阀、所述燃料贮箱进气端的上游电爆阀和排出端的下游电爆阀以及所述氧化剂贮箱进气端的上游电爆阀和排出端的下游电爆阀；所述气路电爆阀、所述上游电爆阀和下游电爆阀内均设置有电爆管；所述气路电爆阀、所述上游电爆阀和下游电爆阀均为常闭结构。
9.如权利要求8所述的末修姿控动力系统，其特征在于，所述推进剂供给模块还包括用于控制所述第二推力发动机的启闭的电磁阀和控制所述第一推力发动机的启闭的电动气阀；所述电磁阀下游的氧化剂出口和燃料出口均设置节流孔板；所述电动气阀下游的氧化剂出口和燃料出口均设置节流孔板。
10.如权利要求9所述的末修姿控动力系统，其特征在于，还包括压力监测模块；所述压力监测模块用于监测所述气瓶出口、所述燃料贮箱出口、所述氧化剂贮箱出口以及所述末修发动机推进剂入口的压力。
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