推进系统及推进系统的使用方法

技术领域

本申请涉及飞行器推进技术领域，尤其是涉及一种推进系统及推进系统的使用方法。

背景技术

低温推进剂由于其比冲高、无毒无污染，是飞行器在轨驻留、轨道转移最高效、最经济的化学推进剂，也是进行深空探测、载人登月、载人登火比较理想的化学推进剂。

然而由于低温推进剂的沸点比较低，在恶劣的空间环境中很难长期贮存。现有技术中，通常解决的办法是通过排气损耗来保证贮箱内的低温，以及通过外界制冷来保证贮箱内的低温。但是排气损耗会带来推进剂的损失，并且是白白地浪费，而用外界制冷需要持续不断的大量电能的供应。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种推进系统及推进系统的使用方法，目的在于，一定程度上解决以上技术问题。

第一方面，本申请提供一种推进系统，所述推进系统包括：

储存构件，所述储存构件包括第一腔体，所述第一腔体用于储存第一推进剂；

制冷机构，所述制冷机构包括输入端和输出端，所述输入端和所述输出端均与所述第一腔体连通，所述制冷机构用于冷却从所述输入端进入所述制冷机构的第一推进剂；

换热组件，所述换热组件包括回流路径、与所述回流路径连通的换热路径、与所述换热路径连通的换热构件以及设置于所述换热路径的膨胀阀，所述回流路径连通所述第一腔体与所述输出端，使得经所述制冷机构冷却后的第一推进剂回流到所述第一腔体，所述换热构件用于与冷却所述回流路径；

燃烧机构，所述换热构件与所述燃烧机构连通，所述燃烧机构燃烧由所述换热构件输送的第一推进剂，以驱动所述制冷机构。

优选地，所述回流路径包括用于被所述换热构件冷却的冷却部分，所述冷却部分设置于所述第一腔体内。

优选地，所述回流路径包括用于被所述换热构件冷却的冷却部分，所述冷却部分包括彼此连通的中部路径和外部路径，由所述外部路径限定出容纳空间，所述换热构件套设于所述中部路径的外侧，所述换热构件的至少部分设置于所述容纳空间内。

优选地，所述换热构件位于所述第一腔体内。

优选地，所述储存构件还包括第二腔体，所述第二腔体与所述第一腔体相邻设置，所述第二腔体用于容纳第二推进剂，所述第二腔体与所述燃烧机构连通。

优选地，推进系统还包括第一发动机组和第二发动机组，所述第一发动机组与所述燃烧机构连通，所述燃烧机构用于驱动所述第一发动机组，所述第一腔体和所述第二腔体均与所述第二发动机组连通，以用于驱动所述第二发动机组。

优选地，所述推进系统还包括散热构件，所述散热构件与所述制冷机构换热，以将流经所述制冷机构的第一推进剂中的热量散发到空间中。

第二方面，本申请提供一种推进系统的使用方法，所述推进系统包括：

储存构件，所述储存构件包括第一腔体，所述第一腔体用于储存第一推进剂；

制冷机构，所述制冷机构包括输入端和输出端，所述输入端和所述输出端均与所述第一腔体连通，所述制冷机构用于冷却从所述输入端进入所述制冷机构的第一推进剂；

换热组件，所述换热组件包括回流路径、与所述回流路径连通的换热路径、与所述换热路径连通的换热构件以及设置于所述换热路径的膨胀阀，所述回流路径连通所述第一腔体与所述输出端，使得经所述制冷机构冷却后的第一推进剂回流到所述第一腔体，所述换热构件用于与冷却所述回流路径；

燃烧机构，所述换热构件与所述燃烧机构连通，所述燃烧机构燃烧由所述换热构件输送的第一推进剂，以驱动所述制冷机构；

第一发动机组，所述第一发动机组与所述燃烧机构连通，所述燃烧机构用于驱动所述第一发动机组；

所述使用方法包括：

控制所述换热构件与所述燃烧机构之间的路径开启，流经所述换热构件的第一推进剂进入到所述燃烧机构，由所述燃烧机构驱动所述制冷机构和所述第一发动机组。

优选地，所述推进系统还包括第二腔体和第二发动机组，所述第二腔体与所述第一腔体相邻设置，所述第二腔体用于容纳第二推进剂，所述第二腔体与所述燃烧机构连通，所述第一腔体和所述第二腔体均与所述第二发动机组连通；

所述使用方法还包括：

控制所述换热构件与所述燃烧机构之间的路径关闭，控制所述制冷机构由电能驱动，由所述第一腔体的第一推进剂和所述第二腔体的第二推进剂驱动所述第二发动机组。

优选地，所述使用方法还包括：控制所述换热构件与所述燃烧机构之间的路径关闭，控制所述第二腔体与所述燃烧机构之间的路径断开，控制所述第一腔体和所述第二腔体二者与所述第二发动机组之间的路径断开，控制所述制冷机构由电能驱动。

根据本申请提供的推进系统，在换热构件与燃烧机构之间的路径被关闭的情况下，第一推进剂不会流经膨胀阀，能够利用制冷机构对第一腔体内的第一推进剂进行冷却，这种工况下，第一腔体内的第一推进剂流经第一腔体随后经由回流路径回流到第一腔体内。在换热构件与燃烧机构之间的路径被开启的情况下，制冷机构仍对流经制冷机构的第一推进剂进行冷却，在此基础上，换热构件分流回流路径中的一部分第一推进剂，这部分第一推进剂经过膨胀阀后变成低温、低压的流体，这部分低温、低压流体用于冷却回流路径，从而使得回流路径中的第一推进剂进一步被冷却，而冷却回流路径后的换热构件中的第一推进剂流向燃烧机构，在燃烧机构中燃烧，驱动制冷机构工作。因此，根据本申请提供的推进系统，当第一推进剂需要排气进行冷却或者需进行大功率冷却时，利用第一推进剂自身的化学能驱动制冷机构进行工作。一方面充分利用第一推进剂的化学能，避免推进剂白白浪费，另一方面，需要大量电能或者电能不足时，可通过燃烧机构直接带动制冷机构工作，能够满足使用要求或者降低电能的使用。

为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1示出了根据本申请实施例第一方面提供的推进系统的示意图。

图2示出了根据本申请实施例第一方面提供的推进系统的局部结构的示意图。

附图标记：

1-储存构件；12-第二腔体；13-第一腔体；21-输入路径；2-制冷机构； 11-第二发动机组；22-回流路径；5-循环泵；61-分流前部分；62-分流路径；6-膨胀阀；63-分流后部分；7-换热组件；71-换热构件；72-外部路径；3-供电控制系统；4-散热构件；

73-第一输送路径；74-第二输送路径；8-阀组件；81-第一阀；82-第二阀；75-第三输送路径；76-第四输送路径；9-燃烧机构；91-第五输送路径；92-驱动路径；10-第一发动机组；111-第六输送路径；112-第七输送路径。

具体实施方式

下面将结合附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。

根据本申请实施例的第一方面提供一种推进系统，以下将结合图1和图2具体描述推进系统的结构和工作原理。

在实施例中，根据本申请实施例第一方面提供的推进系统包括储存构件1、制冷机构2、换热组件7以及燃烧机构9。其中，储存构件1包括第一腔体13，第一腔体13用于储存第一推进剂。制冷机构2包括输入端和输出端，输入端和输出端均与第一腔体13连通，制冷机构2用于冷却从输入端进入制冷机构2的第一推进剂。换热组件7包括回流路径22、与回流路径22连通的换热路径、与换热路径连通的换热构件71以及设置于换热路径的膨胀阀6，回流路径22连通第一腔体13与输出端，使得经制冷机构2冷却后的第一推进剂回流到第一腔体13，换热构件71用于与冷却回流路径22。换热构件71与燃烧机构9连通，燃烧机构9燃烧由换热构件71输送的第一推进剂，以驱动制冷机构。

由此，根据本申请实施例的第一方面提供的推进系统，在换热构件与燃烧机构之间的路径被关闭的情况下，第一推进剂不会流经膨胀阀，能够利用制冷机构2对第一腔体13内的第一推进剂进行冷却，这种工况下，第一腔体13内的第一推进剂流经第一腔体13随后经由回流路径22回流到第一腔体13内。在换热构件与燃烧机构之间的路径被开启的情况下，制冷机构2仍对流经制冷机构2的第一推进剂进行冷却，在此基础上，换热构件71分流回流路径22中的一部分第一推进剂，这部分第一推进剂经过膨胀阀6后变成低温、低压的流体，这部分低温、低压流体用于冷却回流路径22，从而使得回流路径22中的第一推进剂进一步被冷却，而冷却回流路径22后的换热构件71中的第一推进剂流向燃烧机构9，在燃烧机构9中燃烧，驱动制冷机构2工作。

因此，根据本申请实施例的第一方面提供的推进系统，当第一推进剂需要排气进行冷却或者需进行大功率冷却时，利用第一推进剂自身的化学能驱动制冷机构2进行工作。一方面充分利用第一推进剂的化学能，避免推进剂白白浪费，另一方面，需要大量电能或者电能不足时，可通过燃烧机构9直接带动制冷机构2工作，能够满足使用要求或者降低电能的使用。

在实施例中，燃烧机构9可以为燃气发生器，制冷机构2可以为制冷机，其中，制冷机可以包括压缩机，燃气发生器可以通过燃烧第一推进剂来带动制冷机的压缩机，从而驱动制冷机工作。在实施例中，燃气发生器燃烧产生的废气可以经由发动机进行轨控或姿控工作，这将在随后的描述中说明。

在实施例中，第一腔体13可以经由输入路径21与制冷机构2的输入端连接，此外，在实施例中，推进系统还可以包括循环泵5，循环泵5可以设置于回流路径22，从而为第一推进剂在第一腔体13与制冷机构2之间的循环提供动力。

根据本申请实施例提供的推进系统，回流路径22可以包括用于被换热构件71冷却的冷却部分，冷却部分可以设置于第一腔体13内。在实施例中，将冷却部分设置在第一腔体13内，有利于使得经过冷却部分的第一推进剂在被冷却后直接流入到第一腔体13内，从而避免冷量损失，还有利于使得减少推进系统所占用的空间。

根据本申请实施例提供的推进系统，回流路径22可以包括用于被换热构件71冷却的冷却部分，冷却部分可以包括彼此连通的中部路径和外部路径72，可以由外部路径72限定出容纳空间，换热构件71可以套设于中部路径的外侧，换热构件71的至少部分可以设置于容纳空间内。

由此，根据本申请实施例提供的推进系统，冷却部分被设置为在内的中部路径和在外的外部路径72，而将换热构件71设置在中部路径与外部路径72之间，从而一方面使得换热构件71与回流路径22的设置更为紧凑，另一方面有利于换热构件71与冷却部分充分接触，提高换热效率。

如图2所示，图2示出了冷却部分和换热构件71的放大图的示意图，同时示出了回流路径22的冷却部分中第一推进剂的流动方向示意箭头。其中，换热构件71可以在整体上呈套筒状，中部路径可以形成为管，外部路径72可以形成为具有环形腔体的筒形结构，换热构件71可以插入到中部路径与外部路径72之间。

在实施例中，换热构件71可以完全介于中部路径和外部路径72之间，用于输送低温、低压的第一推进剂的分流路径62（即分流管路）可以连接在换热构件71的端部。作为备选，在图2中，换热构件71的一段可以暴露在外部路径72的容纳空间之外，而用于输送低温、低压的第一推进剂的分流路径62可以连接在这段换热构件71的侧部。

在实施例中，回流路径22还包括设置在冷却部分上游侧的分流后部分63和分流前部分61，分流后部分63更为靠近冷却部分，分流后部分63和分流前部分61是由分流路径62与回流路径22连通的位置来确定的，也就是说，在分流路径62与回流路径22的连通位置的下游的部分为分流后部分63，在分流路径62与回流路径22的连通位置的上游的部分为分流前部分61，在实施例中，循环泵5可以设置于分流前部分61。

在实施例中，推进系统还可以包括供电控制系统3和散热构件4，其中，供电控制系统3可以与制冷机构2电连接，从而控制制冷机构2的供电状态，散热构件4可以与制冷机构2换热，以将流经制冷机构2的第一推进剂中的热量散发到空间中。作为示例，散热构件4可以为空间散热冷板，通过空间散热冷板能够将热量辐射到外部空间当中。此外，在实施例中，膨胀阀6可以为J-T阀（焦耳-汤姆逊节流膨胀阀）。

在实施例中，换热构件71可以经由第一输送路径73和第三输送路径75二者与燃烧机构9连通，这将在后续的描述中具体说明。

在实施例中，根据本申请实施例提供的推进系统，储存构件1还可以包括第二腔体12，第二腔体12可以与第一腔体13相邻设置，第二腔体12可以用于容纳第二推进剂，第二腔体12可以与燃烧机构9连通。在实施例中，利用第二腔体12能够存储第二推进剂，优选地是，可以在第二腔体12内储存沸点更高的推进剂。在实施例中，第二腔体12中的第二推进剂也可以被输送到燃烧机构9当中燃烧，从而带动制冷机构2工作。

根据本申请实施例提供的推进系统，推进系统还可以包括第一发动机组10和第二发动机组11，第一发动机组10可以与燃烧机构9连通，燃烧机构9可以用于驱动第一发动机组10，第一腔体13和第二腔体12可以均与第二发动机组11连通，以用于驱动第二发动机组11。

根据本申请实施例提供的推进系统，通过与燃烧机构9连通的第一发动机组10（例如经由第五输送路径91连通），可以通过燃烧机构9驱动第一发动机进行轨控或姿控工作，由此能够实现在当第一推进剂需要排气进行冷却或者需进行大功率冷却时的工况下，在冷却第一推进剂的同时进行轨控或姿控工作。此外，利用第二发动机组11，能够将第一推进剂和第二推进剂直接向第二发动机组11输送，来进行轨控或姿控工作，从而能够在正常工况下进行轨控或姿控工作。

在实施例中，换热构件71可以依次经由第一输送路径73、第一阀81和第三输送路径75与燃烧机构9连通，第二腔体12可以经由第二输送路径74和第四输送路径76与燃烧机构9连通，第二阀82可以设置在第二输送路径74和第四输送路径76之间。在实施例中，第一阀81和第二阀82可以控制各自所在的路径的开闭以及开度。

此外，在是实施例中，第一阀81和第二阀82可以共同形成为实质上的阀组件8。

在实施例中，第一腔体13可以经由第七输送路径112与第二发动机组11连通，第二腔体12可以经由第六输送路径111与第二发动机组11连通。燃烧机构9可以经由驱动路径92与制冷机构2传动连接，从而驱动制冷机构2的压缩机。

因此，基于以上描述的技术特征，实质上，根据本申请实施例提供的是一种双组元系统，能够通过两种推进剂混合燃烧实现推进中的轨控或姿控工作。

根据本申请实施例的第二方面提供一种运载装置，运载装置包括如上的推进系统，运载装置例如可以为飞行器，例如运载火箭。

根据本申请实施例的第三方面提供一种推进系统的使用方法，其中，在实施例中，推进系统可以为如上所述的推进系统，即一种主动制冷的推进系统。推进系统包括：储存构件1，储存构件1包括第一腔体13，第一腔体13用于储存第一推进剂。制冷机构2，制冷机构2包括输入端和输出端，输入端和输出端均与第一腔体13连通，制冷机构2用于冷却从输入端进入制冷机构2的第一推进剂。换热组件7，换热组件7包括回流路径22、与回流路径22连通的换热路径、与换热路径连通的换热构件71以及设置于换热路径的膨胀阀6，回流路径22连通第一腔体13与输出端，使得经制冷机构2冷却后的第一推进剂回流到第一腔体13，换热构件71用于与冷却回流路径22。燃烧机构9，换热构件71与燃烧机构9连通，燃烧机构9燃烧由换热构件71输送的第一推进剂，以驱动制冷机构。第一发动机组10，第一发动机组10与燃烧机构9连通，燃烧机构9用于驱动第一发动机组10。

推进系统的使用方法包括：控制换热构件71与所述燃烧机构9之间的路径开启（即控制上述推进系统当中的第一阀81开启），流经换热构件71的第一推进剂进入到燃烧机构9，由燃烧机构9驱动制冷机构2和第一发动机组10。

当储存构件1内的压力过高，需要排气进一步冷却、或者所需的电量过大，飞行器不能提供足够的电能时，一部分第一推进剂进入膨胀阀6，变成低温、低压的流体（例如气体），然后进入换热构件71对回流路径22中的第一推进剂进一步冷却，换热后的换热构件71内的第一推进剂温度升高，随后进入燃烧机构9中，在具有如下的容纳有第二推进剂的第二腔体12的情况下，第二推进剂可以进入燃烧机构9中，两种推进剂在燃烧机构9内混合燃烧，带动制冷机构2内的压缩机进行工作，排出的燃气进入第一发动机组10内，为整个飞行器进行轨控或姿控提供动力。

在实施例中，如上所述，推进系统还可以包括第二腔体12和第二发动机组11，第二腔体12与第一腔体13相邻设置，第二腔体12可以用于容纳第二推进剂，第二腔体12可以与燃烧机构9连通，第一腔体13和第二腔体12均与第二发动机组11连通。使用方法还可以包括：控制换热构件71与燃烧机构9之间的路径（即关闭上述推进系统中的第一阀81，如此第一推进剂不会流过膨胀阀6）关闭，控制制冷机构2由电能驱动（即飞行器的电能），由第一腔体13的第一推进剂和第二腔体12的第二推进剂驱动第二发动机组11。在该步骤中，推进系统处于正常工况，这种工况下飞行器的轨控或姿控由第二发动机组11控制，第二发动机组11内的两种推进剂燃烧提供轨控或姿控的动力。

在实施例中，推进系统的使用方法还可以包括：控制换热构件71与燃烧机构9之间的路径（即关闭上述推进系统中的第一阀81，如此第一推进剂不会流过膨胀阀6）关闭，控制第二腔体12与燃烧机构9之间的路径（即关闭上述推进系统中的第二阀82）断开，控制第一腔体13和第二腔体12二者与第二发动机组11之间的路径断开，控制制冷机构2由电能驱动。在这种工况下，无需进行轨控或姿控，制冷机构2工作，对第一腔体13内的第一推进剂进行冷却。

以上仅为本申请的优选实施例，并非因此限制本申请的保护范围，凡是在本申请的创新构思下，利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本申请的保护范围内。