推进剂输送装置和推进剂加注方法

技术领域

本发明涉及航空航天动力技术领域，尤其涉及一种推进剂输送装置和推进剂加注方法。

背景技术

运载火箭上面级一般是在基础级运载火箭上面增加相对独立的一级或多级。运载火箭上面级的轨姿控动力系统通常具有两个或两个以上并联的表面张力贮箱，由于装有同种介质的不同表面张力贮箱对应管路的布置存在长短等差异，以及管路上各个阀门之间的开度存在差异，使得管路内的介质（也称推进剂）在输送时产生流阻的差异。

运载火箭上面级轨姿控动力系统普遍采用流阻匹配法，通过模型计算得出同介质压力下的流阻计算模型和换算关系，以及具体流阻数据，对介质输送系统的流阻进行匹配，使装有同种介质的并联贮箱的两路或者多路流阻尽可能一致，从而达到装有同种介质的并联表面贮箱介质排放同步的目的。

由于介质输送系统流阻匹配的方法需要对各个组件进行地面液流试验，获取不同介质压力下的流阻计算模型和换算关系，这种方法工作量较大，不利于组件快速制作和工程化，并且对组件的加工精度要求较高，成本较高。

发明内容

本发明提供一种推进剂输送装置和推进剂加注方法，用以解决现有的推进剂输送系统需要进行大量的液流试验和流阻计算，工作量大，发射成本高的问题。

本发明提供一种推进剂输送装置，包括多个推进剂贮存管路；

各推进剂贮存管路包括进气膜片阀、表面张力贮箱和出液膜片阀；所述进气膜片阀的入口端与增压装置连接，出口端与所述表面张力贮箱的进气端连接；所述出液膜片阀的入口端与所述表面张力贮箱的出液端连接，出口端与发动机连接；

相邻推进剂贮存管路中表面张力贮箱的进气端通过气路旁通管路连接，出液端通过液路旁通管路连接。

根据本发明提供的一种推进剂输送装置，所述气路旁通管路和/或所述液路旁通管路上设置隔离阀；

当所述隔离阀的任一端的介质压力大于等于所述隔离阀的设定导通压力时，所述隔离阀打开；当所述隔离阀的两端的介质压力均小于所述隔离阀的设定导通压力时，所述隔离阀关闭。

根据本发明提供的一种推进剂输送装置，所述隔离阀为单向隔离阀；

所述单向隔离阀包括入口端、出口端和隔离接口端；当所述入口端的介质压力与所述隔离接口端的介质压力之差大于等于预设压差时，所述入口端和所述出口端导通；当所述入口端的介质压力与所述隔离接口端的介质压力之差小于预设压差时，所述入口端和所述出口端不导通。

根据本发明提供的一种推进剂输送装置，所述推进剂贮存管路包括第一加注泄出阀和第二加注泄出阀；

所述第一加注泄出阀的一端与所述表面张力贮箱的出液端连接；所述第二加注泄出阀的一端与所述表面张力贮箱的进气端连接。

根据本发明提供的一种推进剂输送装置，所述进气膜片阀的设定导通压力大于推进剂的加注压力，且小于增压气体的工作压力。

根据本发明提供的一种推进剂输送装置，所述出液膜片阀的设定导通压力大于推进剂的加注压力，且小于增压气体的工作压力。

根据本发明提供的一种推进剂输送装置，所述出液膜片阀的出口端与所述发动机之间的管路上设置推进剂过滤器。

根据本发明提供的一种推进剂输送装置，所述气路旁通管路的通径小于所述液路旁通管路。

根据本发明提供的一种推进剂输送装置，所述推进剂输送装置包括氧化剂输送装置和燃料剂输送装置。

本发明还提供一种推进剂加注方法，应用于所述的推进剂输送装置中的任一推进剂贮存管路，包括：

若与所述任一推进剂贮存管路中表面张力贮箱连接的阀门均处于关闭状态并且所述表面张力贮箱为空，则打开第一加注泄出阀，对所述表面张力贮箱进行抽真空；

基于所述第一加注泄出阀，对抽真空后的所述表面张力贮箱加注推进剂；

若所述表面张力贮箱中已加注的推进剂的重量未达到重量设定值，则基于第二加注泄出阀，以及预设放气时间，对所述表面张力贮箱进行放气操作；

对进行放气操作后的所述表面张力贮箱继续加注推进剂，直至所述表面张力贮箱中已加注的推进剂的重量达到重量设定值。

本发明提供的推进剂输送装置和推进剂加注方法，通过气路旁通管路连通相邻推进剂贮存管路中表面张力贮箱的进气端，通过液路旁通管路连通相邻推进剂贮存管路中表面张力贮箱的出液端，消除了表面张力贮箱气路气阻的不均衡，以及消除了推进剂输送过程中的排放不同步，无需对推进剂输送装置中的各个组件进行流阻计算，利于组件快速制作和工程化，同时，对各个组件的加工精度要求较低，降低了运载火箭的发射成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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为本发明提供的推进剂输送装置的结构示意图；

图2为本发明提供的推进剂同步排放的流程示意图；

图3为本发明提供的推进剂加注方法的流程示意图；

图4为本发明提供的推进剂单独加注方法的流程示意图。

附图标记：

100：推进剂贮存管路； 110：进气膜片阀；120：表面张力贮箱； 130：出液膜片阀；140：气路旁通管路； 150：液路旁通管路；161：第一加注泄出阀； 162：第二加注泄出阀；170：隔离阀； 180：推进剂过滤器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

运载火箭上面级具有较强的任务适应性，能够完成轨道机动、有效载荷的分离等任务，是提高火箭性能和任务适应能力的有效途径。上面级一般包括动力推进系统、控制系统、测量系统、结构系统等。上面级一般具有多次启动、长时间工作、自主飞行等特点，具备多星发射和轨道机动、轨道部署能力。

运载火箭上面级轨姿控动力系统为上面级提供可控的动力。上面级轨姿控动力系统通常具有两个或两个以上并联表面张力贮箱，由于介质输送系统流阻的差异，会造成装有同种介质的不同并联表面张力贮箱内介质排放不同步，导致上面级飞行过程中出现较大的质心偏移，从而降低上面级姿控系统的控制裕度，增加姿控推进剂的消耗量，同时，当某一个表面张力贮箱介质提前耗尽时，输送系统便无法保证为发动机提供纯液相的介质，其他表面张力贮箱的介质将无法继续使用，这样将增加轨姿控动力系统的介质不可用量。

针对现有技术的不足，图1为本发明提供的推进剂输送装置的结构示意图，如图1所示，该装置包括多个推进剂贮存管路100。需要说明的是，本发明实施例以推进剂贮存管路数量为2的情形进行说明，该实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明实施例对于推进剂贮存管路数量不作具体限定。

各推进剂贮存管路100，如图中虚线部分所示，包括进气膜片阀110、表面张力贮箱120和出液膜片阀130；进气膜片阀110的入口端与增压装置连接，出口端与表面张力贮箱120的进气端连接；出液膜片阀130的入口端与表面张力贮箱120的出液端连接，出口端与发动机连接；

相邻推进剂贮存管路100中表面张力贮箱120的进气端通过气路旁通管路140连接，出液端通过液路旁通管路150连接。

具体地，运载火箭的推进剂包括燃料剂和氧化剂。其中，燃料剂可以为煤油、液氢和甲烷中的一种，氧化剂可以为液氧。一般地，在运载火箭发射前，需要将推进剂加注到推进剂贮存管路100中进行贮存，在运载火箭的发射过程中，推进剂从推进剂贮存管路100中流入发动机中进行燃烧，并产生推动火箭上升的巨大推力。

从组成结构上看，推进剂贮存管路100包括进气膜片阀110、表面张力贮箱120和出液膜片阀130。表面张力贮箱120主要用于贮存运载火箭发射所需的推进剂。当推进剂输送装置工作时，输送的推进剂不能夹带增压气体并且能够满足运载火箭推进系统的流量要求，由于运载火箭推进剂贮箱主要工作于微重力和无重力环境下，液体推进剂和增压气体同时存在于同一贮箱内，这就决定了贮箱与普通的压力容器有着很大的不同。在微重力环境下，气液界面不再是水平的，液体推进剂的分布也许是不连续的，在有外界干扰的情况下，液体推进剂的位置并不稳定，可能产生迁移、碰撞和气液混合等现象。表面张力贮箱120能够液体推进剂始终能够覆盖液体出口，达到排出不夹带气体的液体。表面张力贮箱120包括一个进气端和一个出液端。进气端用于为增压气体提供入口，出液端用于为表面张力贮箱120内贮存的推进剂提供出口。当增压气体从进气端进入表面张力贮箱120时，由于增压气体的压力大于推进剂的压力，增压气体会对推进剂产生挤压力，迫使推进剂从出口端流出。

进气膜片阀110和出液膜片阀130可以为相同类型的膜片阀。进气膜片阀110的入口端与增压装置连接，出口端与表面张力贮箱120的进气端连接，用于将表面张力贮箱120的推进剂与增压装置进行隔离，当增压装置释放出增压气体时，依靠增压气体的压力将进气膜片阀110内的膜片冲破，实现增压气体进入表面张力贮箱120内部，对推进剂产生挤压作用。

出液膜片阀130的入口端与表面张力贮箱120的出液端连接，出口端与发动机连接，用于将表面张力贮箱120的推进剂与发动机进行隔离，当表面张力贮箱120中的推进剂受到增压气体的挤压时，由于压力的传导，使得推进剂的压力增高，可以将出液膜片阀130内的膜片冲破，流入发动机的推力室内进行燃烧。

由于增压气体同步进入各个推进剂贮存管路100时，由于各个推进剂贮存管路100中的管路长度，以及各个组成元件内部的阻力不同，使得推进剂从各个推进剂贮存管路100中流出时并不同步。为了实现推进剂的同步推出，可以采用气路旁通管路140，如图中单点划线所示，将相邻推进剂贮存管路100中表面张力贮箱120的进气端连接，采用液路旁通管路150，如图中双点划线所示，将相邻推进剂贮存管路100中表面张力贮箱120的出液端连接，相当于将多个推进剂贮存管路100进行了并联。

虽然增压气体从增压装置流至各个推进剂贮存管路100中所受到的气阻不均衡，但是由于气路旁通管路140的存在，使得流入各个表面张力贮箱120中的增压气体的压力均等，对各个推进剂贮存管路100中推进剂产生了作用力大小相等。

虽然推进剂从各个推进剂贮存管路100中流出至发动机时受到的液阻不均衡，但是由于液路旁通管路150的存在，使得流出各个表面张力贮箱120的推进剂的压力均等。由于流入各个表面张力贮箱120中的增压气体的压力均等，流出各个表面张力贮箱120的推进剂的压力均等，使得推进剂能够从各个推进剂贮存管路100中同步流出。

图2为本发明提供的推进剂同步排放的流程示意图，如图2所示，运载火箭的增压装置采用压力大小为2.5MPa的氮气对各个推进剂贮存管路100中的推进剂进行挤压。通过多次地面液流试验以及运载火箭实际飞行试验，推进剂输送装置中并联的两个大小为115L的装有同种推进剂的表面张力贮箱中推进剂排出时，排出推进剂质量之差小于1.5kg，即排出的推进剂质量之差小于设定误差值。可以认为各个推进剂贮存管路中推进剂实现了同步排出。

本发明实施例提供的推进剂输送装置，通过气路旁通管路连通相邻推进剂贮存管路中表面张力贮箱的进气端，通过液路旁通管路连通相邻推进剂贮存管路中表面张力贮箱的出液端，消除了表面张力贮箱气路气阻的不均衡，以及消除了推进剂输送过程中的排放不同步，无需对推进剂输送装置中的各个组件进行流阻计算，利于组件快速制作和工程化，同时，对各个组件的加工精度要求较低，降低了运载火箭的发射成本。

基于上述实施例，气路旁通管路140和/或液路旁通管路150上设置隔离阀；

隔离阀的任一端的介质压力大于等于隔离阀的设定导通压力时，隔离阀打开；隔离阀的两端的介质压力均小于隔离阀的设定导通压力时，隔离阀关闭。

具体地，当需要对任一推进剂贮存管路100进行操作时，例如加注推进剂，需要将该推进剂贮存管路100与其他推进剂贮存管路进行隔离，此时，可以在气路旁通管路140上设置隔离阀170，隔离阀170的两端与气路旁通管路140连接；在液路旁通管路150上设置隔离阀170，隔离阀170的两端与液路旁通管路150连接。

隔离阀170可以为带压力传感器的电控式隔离阀，也可以为带压力先导管路的机械式隔离阀。优选地，在推进剂输送装置采用机械结构的自力式开关阀作为隔离阀。

当隔离阀170的任一端的介质压力大于等于隔离阀的设定导通压力时，隔离阀170打开，气路旁通管路140或者液路旁通管路150导通；当隔离阀170的两端的介质压力均小于隔离阀的设定导通压力时，隔离阀170关闭，气路旁通管路140或者液路旁通管路150不导通。

基于上述任一实施例，隔离阀为单向隔离阀；

单向隔离阀包括入口端、出口端和隔离接口端；当入口端的介质压力与隔离接口端的介质压力之差大于等于预设压差时，入口端和出口端导通；当入口端的介质压力与隔离接口端的介质压力之差小于预设压差时，入口端和出口端不导通。

具体地，例如，单向隔离阀可以包括阀体、连接体、阀芯和弹性件。阀体内具有容纳腔，容纳腔的侧壁上开设有至少一个入口端。

连接体的第一端设置于容纳腔内，连接体的第二端延伸至容纳腔外以形成出口端，连接体的第二端的外周面与容纳腔的侧壁具有距离地设置以形成流通通道，连接体的第二端的与入口端相对的一侧开设有安装腔。

阀芯的第一端可活动地设置于安装腔内，阀芯的第二端具有将入口端封堵的关闭位置，以及阀芯的第二端具有远离入口端时的打开位置，当阀芯位于关闭位置时，入口端与出口端不连通，当阀芯位于打开位置时，入口端与出口端通过流通通道相连通。

弹性件设置于安装腔内，弹性件用于向阀芯施加预紧力，以使阀芯的初始位置位于关闭位置，弹性件用于提供阀芯密封所需的密封力。

连接体的第二端设置有大气通道，大气通道的一端与安装腔相连通，大气通道的另一端与外界相连通。此处，大气通道的另一端为该单向隔离阀的隔离接口端。

当单向隔离阀的入口端的介质压力与隔离接口端的介质压力之差大于等于预设压差时，单向隔离阀实现入口端和出口端之间的导通，两端的工质可以相互流动，并且与隔离接口端的连接的工质保持隔离。当单向隔离阀的入口端的介质压力与隔离接口端的介质压力之差小于预设压差时，单向隔离阀无法实现入口端和出口端之间的导通，两端的工质相互隔离，并且与隔离接口端的连接的工质保持隔离。

单向隔离阀应用在气路旁通管路140或者液路旁通管路150时，隔离接口端可以与推进剂输送装置所处的周围环境相连通。预设压差可以根据实际需要进行设置，一般地，可以设置预设压差大于隔离接口端的介质压力，小于增压气体的压力。例如，推进剂输送装置处于地面时，隔离接口端与大气相连通，压力为0.1MPa（a），推进剂输送装置处于真空时，隔离接口端与真空相连通，压力为0MPa（a），增压气体的压力为2.5 MPa（a），此时，预设压差可以在0.1~2.5 MPa（a）之间取值，考虑到控制裕量，预设压差可以取值为0.5 MPa（a）。

本发明实施例提供的推进剂输送装置，在气路旁通管路和液路旁通管路上设置单向隔离阀，保证了气路旁通管路和/或液路旁通管路在增压气体的作用下可以可靠地打开，在无增压气体的作用下可以可靠地关闭，对各个推进剂贮存管路中的表面张力贮箱进行了有效地隔离。

基于上述任一实施例，推进剂贮存管路100包括第一加注泄出阀161和第二加注泄出阀162；

第一加注泄出阀161的一端与表面张力贮箱120的出液端连接；第二加注泄出阀162的一端与表面张力贮箱120的进气端连接。

具体地，为了便于对各个推进剂贮存管路100中的表面张力贮箱120进行推进剂加注，可以在表面张力贮箱120的出液端和进气端分别设置第一加注泄出阀161和第二加注泄出阀162。

其中，第一加注泄出阀161主要用于在加注时，提供推进剂的加注入口，第二加注泄出阀162主要用于在加注时，若表面张力贮箱120中的压力等于推进剂的加注压力，并且表面张力贮箱120中已加注的推进剂的重量未达到重量设定值，则对表面张力贮箱120进行放气操作，以使得推进剂能够继续进行加注。

基于上述任一实施例，进气膜片阀110的设定导通压力大于推进剂的加注压力，且小于增压气体的工作压力。

具体地，进气膜片阀110用于将表面张力贮箱120的推进剂与增压装置进行隔离，包括了在运载火箭发射前对表面张力贮箱120进行推进剂加注的阶段，以及运载火箭发射过程中增压装置未释放出增压气体的阶段。

因此，进气膜片阀110的设定导通压力的数值可以设置为大于推进剂的加注压力，且小于增压气体的工作压力。

基于上述任一实施例，出液膜片阀的设定导通压力大于推进剂的加注压力，且小于增压气体的工作压力。

具体地，出液膜片阀130用于将表面张力贮箱120的推进剂与发动机进行隔离，包括了在运载火箭发射前对表面张力贮箱120进行推进剂加注的阶段，以及运载火箭发射过程中增压装置未释放出增压气体的阶段。

因此，出液膜片阀130的设定导通压力的数值可以设置为大于推进剂的加注压力，且小于增压气体的工作压力。

本发明实施例提供的推进剂输送装置，通过进气膜片阀和出液膜片阀，对表面张力贮箱中的推进剂进行了有效地隔离，即提高了运载火箭发射前加注工作的安全性，又避免了推进剂过早进入发动机，提高了运载火箭发射过程中的安全性。

基于上述任一实施例，出液膜片阀130的出口端与发动机之间的管路上设置推进剂过滤器180。

具体地，推进剂过滤器180用于过滤掉推进剂中的杂质。可以设置在出液膜片阀130的出口端与发动机之间的管路上。

基于上述任一实施例，气路旁通管路140的通径小于液路旁通管路150。

具体地，由于增压气体的压力传导速度快于推进剂的压力传导速度，因此，可以将推进剂输送装置中气路旁通管路140的通径设置为小于液路旁通管路150，从而减少推进剂输送装置的重量，有效地提高运载火箭的运载能力。

基于上述任一实施例，推进剂输送装置包括氧化剂输送装置和燃料剂输送装置。

具体地，为了实现推进剂的同步推出，多个推进剂贮存管路100内可以装有同种类型的推进剂，即将氧化剂和燃料剂分开。相应地，运载火箭中推进剂输送装置包括氧化剂输送装置和燃料剂输送装置。

氧化剂输送装置和燃料剂输送装置可以共用一套增压装置。

基于上述任一实施例，图3为本发明提供的推进剂加注方法的流程示意图，如图3所示，该方法应用于推进剂输送装置中的任一推进剂贮存管路，包括：

步骤310，若与任一推进剂贮存管路中表面张力贮箱连接的阀门均处于关闭状态并且表面张力贮箱为空，则打开第一加注泄出阀，对表面张力贮箱进行抽真空；

步骤320，基于第一加注泄出阀，对抽真空后的表面张力贮箱加注推进剂；

步骤330，若表面张力贮箱中已加注的推进剂的重量未达到重量设定值，则基于第二加注泄出阀，以及预设放气时间，对表面张力贮箱进行放气操作；

步骤340，对进行放气操作后的表面张力贮箱继续加注推进剂，直至表面张力贮箱中已加注的推进剂的重量达到重量设定值。

具体地，该方法应用于运载火箭发射前的地面加注阶段。

当与任一推进剂贮存管路中表面张力贮箱连接的阀门均处于关闭状态并且表面张力贮箱为空时，打开第一加注泄出阀，对表面张力贮箱进行抽真空。例如，可以在第一加注泄出阀连接一个三通，分别连通真空泵、加注机和第一加注泄出阀。先关闭加注机，打开真空泵，将表面张力贮箱内的气体置换成真空。然后关闭真空泵，打开加注机，在真空作用下，推进剂被吸入表面张力贮箱内。

由于加注过程中，由于加注管路中可能产生气体，此时，很难继续将推进剂加入表面张力贮箱中。例如，推进剂可能产生饱和蒸汽，占据一定的空间，使得表面张力贮箱中已加注的推进剂的重量未达到重量设定值。此时，可以打开第二加注泄出阀，按照预设放气时间，对表面张力贮箱进行放气操作。

对进行放气操作后的表面张力贮箱继续加注推进剂，例如可以采用加压加注的方式，直至表面张力贮箱中已加注的推进剂的重量达到重量设定值。

例如，当推进剂输送装置中包括两个表面张力贮箱Y1和Y2时。图4为本发明提供的推进剂单独加注方法的流程示意图，如图4所示，运载火箭发射前需要加注液体推进剂，液体加注时，加注压力不大于隔离阀打开压力，不至于冲破隔离阀。同时，膜片阀也起到了隔离介质的作用。因此，向Y1加注推进剂时，液体不会流进Y2中，如此设计的优势在于可以精准掌控向Y1加注的液体的量。Y2也是如此，向Y2加注推进剂时，液体不会流窜到Y1中。

本发明实施例提供的推进剂加注方法，能够实现对单个推进剂贮存管路进行推进剂加注，提高了运载火箭推进剂加注的安全性。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干命令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。