一种基于能量-流体匹配设计的低温推进剂集成流体系统

技术领域

本发明涉及一种基于能量-流体匹配设计的低温推进剂集成流体系统，属于推进剂集成流体系统技术领域。

背景技术

低温推进剂集成流体系统通过对低温推进剂集成管理，集姿轨控、发电、增压等功能于一体，可以降低各独立系统的设计余量，进而达到系统最优的目的。集成流体系统采用高比冲气氢气氧推力器和基于氢氧内燃机发电系统替代传统的辅助动力系统、大型电池系统、氦气增压系统，可以突破肼推进剂用量、电池容量、氦气用量等限制，提升运输系统效率，增加在轨时间，拓展任务能力。此外，采用集成流体系统可显著减少在轨加注的推进剂种类，有利于未来发展基于液氢液氧在轨加注技术的重复使用空间运输系统。

集成流体系统包含的部件数量多，工作参数复杂，且不同部件之间存在强相互耦合关系，给集成流体系统的方案设计及参数优化带来了很大困难。现有集成流体系统设计方法通常需要预先明确飞行任务的全部具体环节，从头开始开展针对性参数设计，难以根据空间环境和飞行任务的变化及时调整，任务适应性较差。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于能量-流体匹配设计的低温推进剂集成流体系统，提高了集成流体系统的任务适应能力，同时提高了集成流体系统的可靠性及运行效率。

本发明的技术解决方案是：一种基于能量-流体匹配设计的低温推进剂集成流体系统，包括氢贮箱模块、氧贮箱模块、氢流体泵模块、氧流体泵模块、氢气瓶模块、氧气瓶模块、氢氧联合换热器模块、内燃机模块、推力器模块；

所述氢贮箱模块、氧贮箱模块分别用于贮存液氢和液氧，同时实现氢氧的自生增压功能；

所述氢流体泵模块、氧流体泵模块分别用于将液氢和液氧从贮箱中抽取并提升其压力以供给换热器；

所述氢气瓶模块、氧气瓶模块分别用于贮存气氢和气氧，同时可以为内燃机模块、推力器模块、氢贮箱模块、氧贮箱模块提供气氢和气氧；

所述氢氧联合换热器模块用于对液氢、液氧及内燃机冷却液进行换热，使得液氢和液氧气化变为气氢和气氧贮存在气瓶中；

所述内燃机模块用于燃烧气氢和气氧并带动发电机发电，贮存在蓄电池中，同时通过内燃机冷却液对汽缸壁进行冷却；

所述推力器模块用于燃烧气氢和气氧提供推力，实现飞行器的姿态控制。

进一步地，所述氢流体泵模块、氧流体泵模块采用电机驱动的柱塞泵形式，通过实时控制指令实现流体流量的变化，同时确保泵后压力保持稳定。

进一步地，所述氢氧联合换热器模块将冷却液提供的热量在液氢和液氧之间分配，在确保换热器出口气氢和气氧温度不变的前提下实现气氢和气氧流量调节。

进一步地，所述内燃机模块采用富氢燃烧方式，燃烧所使用的气氢来自于氢贮箱蒸发的气氢，燃烧所使用的气氧来自于氧气瓶供给的气氧，通过调节气氧的流量实现电功率和热功率的调节。

进一步地，所述推力器模块采用直流撞击式或针栓式喷注器，燃烧所使用的气氢来自于氢气瓶供给的气氢，燃烧所使用的气氧来自于氢气瓶供给的气氧，具备多次点火启动能力。

进一步地，根据需求对流体系统的能量及流体进行调节，在至少三种不同模式下工作。

进一步地，其中一种工况模式下工作，内燃机最低功率运行，氧气瓶向内燃机供氧，氧流量为内燃机最小值。

进一步地，其中一种工况模式下工作，内燃机最高功率运行，氧气瓶向内燃机供氧，氧流量为内燃机最大值。

进一步地，其中一种工况模式下工作，内燃机根据氢氧气瓶压力以及蓄电池电量的需求在最低功率和最高功率之间运行，氧气瓶向内燃机供氧，氧流量根据需要动态调节。

根据所述的一种基于能量-流体匹配设计的低温推进剂集成流体系统实现根据需求对系统的能量及流体进行调节的方法，包括：

(1)读取当前时刻液氢蒸发量、氢氧气瓶压力、蓄电池电量；

(2)判断氢氧气瓶压力是否低于设定值，如果是，执行步骤(3)，如果否，执行步骤(4)；

(3)氧气瓶向内燃机供氧，氧流量根据需要动态调节，内燃机中等功率运行，下一时刻返回执行步骤(1)；

(4)判断蓄电池电量是否低于设定值，如果是，执行步骤(3)，如果否，执行步骤(5)；

(5)判断是否接收到增压指令，如果是，执行步骤(6)，如果否，执行步骤(7)；

(6)氢氧气瓶分别向氢氧贮箱供气，氧气瓶向内燃机供氧，氧流量为内燃机最大值，内燃机最大功率运行，下一时刻返回执行步骤(1)；

(7)判断是否接收到推力器启动指令，如果是，执行步骤(8)，如果否，执行步骤(9)；

(8)氧气瓶向内燃机供氧，氧流量根据需要动态调节，然后执行步骤(9)；

(9)氧气瓶向内燃机供氧，氧流量为内燃机最小值，内燃机最小功率运行，下一时刻返回执行步骤(1)。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明实现了提供一种低温推进剂集成流体系统能量-流体匹配设计方法，克服了现有技术任务适应性差的特点，可以根据空间环境和飞行任务的变化及时调整系统运行状态，对能量与流体进行匹配，提高了集成流体系统的任务适应能力。

(2)本发明通过内燃机氧流量的调节实现内燃机电功率和热功率的调节，有利于集成流体系统流体和能量的精确匹配，提升了集成流体系统可靠性。

(3)本发明通过氢氧联合换热器的氢氧热量分配调节实现了气氢气氧流量的调节，使得氢气瓶和氧气瓶的充气比例保持一致，提升了集成流体系统运行效率。

附图说明

图1为本发明的系统结构图；

图2为本发明的工作流程图。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本申请技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

以下结合说明书附图对本申请实施例所提供的一种基于能量-流体匹配设计的低温推进剂集成流体系统做进一步详细的说明，具体实现方式可以包括(如图1～2所示)：

在本申请实施例所提供的方案中，如图1所示，一种种低温推进剂集成流体系统能量-流体匹配设计方法，包括包括氢贮箱模块、氧贮箱模块、氢流体泵模块、氧流体泵模块、氢气瓶模块、氧气瓶模块、氢氧联合换热器模块、内燃机模块、推力器模块。

氢贮箱模块、氧贮箱模块、氢流体泵模块、氧流体泵模块、氢气瓶模块、氧气瓶模块、氢氧联合换热器模块、内燃机模块、推力器模块；

所述的氢贮箱模块、氧贮箱模块分别用于贮存液氢和液氧，同时实现氢氧的自生增压功能；

所述的氢流体泵模块、氧流体泵模块分别用于将液氢和液氧从贮箱中抽取并提升其压力以供给换热器。其特征在于，采用电机驱动的柱塞泵形式，可以通过实时控制指令实现流体流量的变化，同时确保泵后压力保持稳定；

所述的氢气瓶模块、氧气瓶模块分别用于贮存气氢和气氧，同时可以为内燃机模块、推力器模块、氢贮箱模块、氧贮箱模块提供气氢和气氧；

所述的氢氧联合换热器模块用于对液氢、液氧及内燃机冷却液进行换热，使得液氢和液氧气化变为气氢和气氧贮存在气瓶中。其特征在于，可以将冷却液提供的热量在液氢和液氧之间分配，在确保换热器出口气氢和气氧温度不变的前提下实现气氢和气氧流量调节。

所述的内燃机模块用于燃烧气氢和气氧并带动发电机发电，贮存在蓄电池中，同时通过内燃机冷却液对汽缸壁进行冷却。其特征在于，采用富氢燃烧方式，燃烧的气氢来自于氢贮箱蒸发的气氢，气氧来自于氢气瓶供给的气氧，可以通过调节气氧的流量实现电功率和热功率的调节。

所述的推力器模块用于燃烧气氢和气氧提供推力，以实现飞行器的姿态控制等功能。

进一步，所述推力器模块采用直流撞击式或针栓式喷注器，燃烧所使用的气氢来自于氢气瓶供给的气氢，燃烧所使用的气氧来自于氢气瓶供给的气氧，具备多次点火启动能力。

可选的，根据需求对流体系统的能量及流体进行调节，在至少三种不同模式下工作。

1、其中一种工况模式下工作，内燃机最低功率运行，氧气瓶向内燃机供氧，氧流量为内燃机最小值。

2、其中一种工况模式下工作，内燃机最高功率运行，氧气瓶向内燃机供氧，氧流量为内燃机最大值。

3、其中一种工况模式下工作，内燃机根据氢氧气瓶压力以及蓄电池电量的需求在最低功率和最高功率之间运行，氧气瓶向内燃机供氧，氧流量根据需要动态调节。

一种低温推进剂集成流体系统能量-流体匹配设计方法，包括以下步骤：

(1)读取当前时刻液氢蒸发量、氢氧气瓶压力、蓄电池电量；

(2)判断氢氧气瓶压力是否低于设定值，如果是，执行步骤(3)，如果否，执行步骤(4)；

(3)氧气瓶向内燃机供氧，氧流量根据需要动态调节，内燃机中等功率运行，下一时刻返回执行步骤(1)；

(4)判断蓄电池电量是否低于设定值，如果是，执行步骤(3)，如果否，执行步骤(5)；

(5)判断是否接收到增压指令，如果是，执行步骤(6)，如果否，执行步骤(7)；

(6)氢氧气瓶分别向氢氧贮箱供气，氧气瓶向内燃机供氧，氧流量为内燃机最大值，内燃机最大功率运行，下一时刻返回执行步骤(1)；

(7)判断是否接收到推力器启动指令，如果是，执行步骤(8)，如果否，执行步骤(9)；

(8)氧气瓶向内燃机供氧，氧流量根据需要动态调节，然后执行步骤(9)；

(9)氧气瓶向内燃机供氧，氧流量为内燃机最小值，内燃机最小功率运行，下一时刻返回执行步骤(1)

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。