提高大型火箭液体姿控动力系统稳定性和可靠性的方法及贮箱与流程

1.本发明属于单、双组元液体姿控动力系统设计技术领域，具体涉及用于姿控系统的贮箱与连接结构，用于提高姿控系统控制过程的稳定性并保证贮箱这个压力容器的安全、可靠安装与运行。


背景技术：

2.大型火箭液体姿控动力系统推进剂管理多采用并联贮箱贮存，姿控动力系统推进剂管理系统所属贮箱在飞行之前与系统采用螺栓预紧连接，存在一定的横向自由度，当系统工作瞬间，贮箱一方面会因为增压而在连接面所在平面出现较大的径向膨胀，另外，贮箱气腔填充高压气体以及推进剂所在液腔被挤压压力升高也会导致其沿垂直于安装面的方向产生位移，进而导致流体连通区域的刚体发生相对运动；加之姿控系统工作阶段会不断振动，产生较大的横向振动，因而会引起贮箱安装面与连接面之间存在滑动摩擦，接触面磨损会随着工作过程的进行加剧，系统的振动也会增加；贮箱为高压大变形设备，工作过程中其变形较大，随着气体的填充、推进剂的使用其接口会出现较大的位移；为了提高系统的有效载荷和有效推进剂携带量，充分利用系统径向空间、保证系统质心位置，目前常见的设计选用了瘦高型贮箱，但这种布置方式以牺牲部分系统可靠性为代价。


技术实现要素：

3.为了解决上述问题，本发明旨在提供一种提高大型火箭液体姿控动力系统稳定性和可靠性的方法及贮箱，通过贮箱的外形自适应设计使之与控制方法匹配，保证贮箱这种大变形压力容器在复杂多变工况下连接、紧固的可靠性，降低金属膜片翻转运动的速率，缩小系统质心在推进剂消耗过程中的变化范围，确保贮箱的安全、稳定运行，提升控制系统的稳定性，降低控制算法难度，提高控制过程的预见性与可靠性。
4.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
5.提高大型火箭液体姿控动力系统稳定性和可靠性的方法，所述大型火箭液体姿控动力系统中包括贮箱，贮箱通过自身的安装面与大型火箭液体姿控动力系统的安装板连接，贮箱中填充有推进剂，通过缩小贮箱在推进剂消耗过程中的质心变化范围来提高大型火箭液体姿控动力系统的稳定性和可靠性。
6.作为一种选择，所述缩小贮箱在推进剂消耗过程中的质心变化范围包括，
7.改变贮箱安装面与贮箱赤道中心面的相对位置；
8.改变贮箱安装面与大型火箭液体姿控动力系统安装板连接界面的受力方式和大小；
9.改变贮箱安装面与大型火箭液体姿控动力系统安装板之间的连接紧固件分布方式；
10.当火箭动力系统采用双组元发动机时，选用密度差异小的液体燃料与氧化剂作为
推进剂，且动力系统的贮箱配置遵循重量较大的贮箱用于贮存密度较小的推进剂，重量较小的贮箱用于贮存密度较大的另一种推进剂。
11.作为一种选择，所述改变贮箱安装面与贮箱赤道中心面的相对位置包括错开贮箱安装面与贮箱赤道中心面，使得二者不共面；
12.作为一种选择，所述改变贮箱安装面与大型火箭液体姿控动力系统安装板连接界面的受力方式包括提高垂直于安装面和安装板连接界面的预紧力，提高平行于安装面和安装板连接界面的摩擦力，减小平行于安装面和安装板连接界面的剪切力；
13.作为一种选择，所述改变贮箱安装面与大型火箭液体姿控动力系统安装板之间的连接紧固件分布方式包括采用奇数非对称的方式布置连接紧固件。奇数是指连接紧固件的数量，非对称是指任意两个连接紧固件的连线不通过安装面的圆心(中心)。
14.贮箱，用于大型火箭液体姿控动力系统，贮箱包括推进剂半球和高压气区域半球，推进剂半球和高压气区域半球之间通过金属膜片隔离，贮箱通过自身安装面与大型火箭液体姿控动力系统安装板连接；
15.所述推进剂半球和所述高压气区域半球共同形成椭球状贮箱，椭球状贮箱的两个赤道半径相等，且两个赤道半径大于极半径；
16.所述安装面位于高压气区域半球的外表面，安装面垂直于椭球状贮箱的半主轴，且安装面与椭球状贮箱赤道中心面不共面，即安装面与贮箱赤道中心面不重合；
17.所述安装面上布置有奇数个安装孔，任意两个安装孔的连线不经过安装面的中心，椭球状贮箱通过安装孔、连接紧固件与安装板连接。
18.进一步，两个不同的所述推进剂半球内填装有不同的液体推进剂，且不同的液体推进剂在15℃条件下的密度差异小于570kg/m3，即双组元推进剂贮存在不同的贮箱内，且双组元推进剂在15℃条件下的密度差异小于570kg/m3。
19.进一步，所述安装板上开有与安装面上安装孔匹配的连接孔，且连接孔与安装孔不同时为铰制孔或螺纹孔，贮箱安装面上安装孔的位置公差等级高于安装板上连接孔的位置公差等级。
20.进一步，所述安装面上包括奇数个相互独立的支耳，多个支耳在安装面上等圆心夹角均布，支耳上开有安装孔，安装孔为光孔。
21.优选的，所述支耳表面覆盖有耐磨涂层。
22.优选的，所述支耳有7个。
23.进一步，所述连接紧固件包括连接螺栓、螺母、平垫和弹簧垫圈；
24.所述连接螺栓的刚度不高于弹簧垫圈和平垫的刚度；
25.所述平垫表面无不规则或有害缺陷、突出毛刺，平垫的接触表面粗糙度ra≯1.6，平垫的接触表面硬度等级为300hv～370hv；
26.所述弹簧垫圈为经过淬火并回火处理的重型弹簧垫圈。
27.进一步，所述连接螺栓的安装力矩等于连接螺栓材料允许的力矩上限。
28.与现有技术相比，本发明的大型火箭液体姿控动力系统贮箱以及提高大型火箭液体姿控动力系统中贮箱稳定性和可靠性的方法具备以下优势：
29.1)贮箱选用矮胖型，同等容积条件下的贮箱排放行程更小，保证金属膜片运动翻转过程的安全性并减小系统轴向质心的变化范围，提升系统的控制稳定性。
30.2)连接紧固件的自适应能力更强，确保工作过程系统质心偏移量最小，其中：
31.a)连接的平垫(片)选用高强度、抗磨损材料，连接螺栓材料的刚度(弹性模量)适中，不高于弹簧垫圈以及平垫材料所对应的刚度值(弹性模量)，装配过程中提高贮箱安装面与连接面之间连接螺栓的预紧力并选用刚度较大的重型弹簧垫圈。一般的连接紧固件如连接螺栓/螺母/垫片/弹簧垫圈所选用的材料相同，如全部采用不锈钢，但这种组合方式对外界负荷波动的适应能力较差，可靠性较差；本发明采用刚度较小的连接螺栓可避免贮箱安装面膨胀过程中产生较大的剪应力，提升连接紧固件在高频交变载荷下的寿命。本发明为了提升连接的可靠性，同时保证平垫、安装面和连接面等不断被磨损情况下仍能保证可靠连接，所以对连接紧固件的性能进行了限制。具体地，平垫的耐磨性是通过提高表面糙度进行保证，弹簧垫圈采用了重型垫圈，相比一般的轻型和标准垫圈刚性更强，且材料经过淬火与回火处理，保证了比一般材料的弹性和刚性更好，具有更强的预紧能力和摩擦力；连接螺栓的刚度是相对平垫和弹簧垫片的弹性而言，降低连接螺栓的刚度，可提升系统的连接可靠性。
32.b)连接紧固件安装采用奇数非对称布置，提高安装孔精度，减少了贮箱膨胀过程中安装孔相对位移变化量，降低连接螺栓、安装板以及贮箱应力集中的同时提升系统的可靠性。
33.c)在保证可靠连接的情况下，避免了安装面上安装孔和安装板上连接孔全部选用铰制孔或螺纹孔，连接孔有一定设计余量，避免贮箱膨胀过程造给连接螺栓施加剪切力。
34.d)贮箱安装面设置在靠近高压气区域半球的下部，避免了由于垂直于安装面接口位移量过大，导致其连接密封失效的问题。贮箱的膨胀除了沿安装面径向的膨胀，另外还有沿垂直于安装面方向的膨胀。大型火箭液体姿控动力系统工作过程中，高压气区域半球(气腔)的压力一般高于推进剂半球(液腔)，从而气腔区域的膨胀量会大于液腔，因此与气腔之间的刚性连接件会因较大的位移出现密封失效。
35.e)现有贮箱与大型火箭液体姿控动力系统的连接设计中，贮箱与安装板之间的连接紧固件连接一般均采用偶数对称设计，偶数孔一方面便于加工控制，另一方面有利于设备的互换性；但偶数均匀对称布置会导致任意两个安装孔位置的中心连线过安装面圆心，于是两个安装孔会存在较大的径向位移(即这两个安装孔的径向位移产生叠加的情况)，严重情况下会导致连接失效，如果采用奇数孔非对称设计则会减少安装孔之间的相对位移，因为此时过安装面圆心的径向位移只由一个安装孔产生。
36.f)降低了金属膜片翻转运动的速率，在大型火箭液体姿控系统携带相同推进剂的条件下，且输出推进剂流量相同的情况下，本发明的矮胖型贮箱(椭球状贮箱的两个赤道半径大于极半径)与现有的球形或者柱形贮箱相比，其内部金属膜片翻转的速率更小，因为膜片的翻转为塑性变形，因此控制其运动速率是保证贮箱安全的前提。
附图说明
37.图1为本发明中贮箱外形结构与安装面位置示意图；
38.图2为图1中的a向视图；
39.图中，1
‑
推进剂半球；2
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高压气区域半球；3
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赤道中心面；4
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安装面；5
‑
支耳。
具体实施方式
40.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明，但不应就此理解为本发明所述主题的范围仅限于以下的实施例，在不脱离本发明上述技术思想情况下，凡根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种修改、替换和变更，均包括在本发明的范围内。
41.一种提高大型火箭液体姿控动力系统稳定性和可靠性的方法，其核心在于控制大型火箭液体姿控动力系统的质心变化范围，特别是贮箱中推进剂在消耗过程中导致的贮箱质心变化范围。
42.具体来说，本实施例中，通过贮箱外形设计、贮箱安装面位置、安装孔设计以及连接紧固件的设计来实现对贮箱质心的控制。
43.本实施例中从以下5个方面缩小贮箱的质心在推进剂消耗过程中的变化范围。
44.(1)改变贮箱安装面与贮箱赤道中心面的相对位置；
45.(2)改变贮箱安装面与大型火箭液体姿控动力系统安装板连接界面的受力方式和受力大小；
46.(3)改变贮箱安装面与大型火箭液体姿控动力系统安装板之间的连接紧固件分布方式；
47.(4)当火箭动力系统采用双组元发动机时，选用密度差异较小的液体燃料与氧化剂作为推进剂；
48.(5)重量较大的贮箱应用于贮存密度较小的推进剂，重量较小的贮箱用于贮存密度较大的另一种推进剂。
49.如图1所示，贮箱内部分为推进剂半球1和高压气区域半球2，推进剂半球1和高压气区域半球2之间通过金属膜片隔离；推进剂半球1和高压气区域半球2共同形成椭球状贮箱，椭球状贮箱的两个赤道半径相等，且两个赤道半径大于极半径；椭球状贮箱的外表面有一圈法兰状的安装面4，法兰状的安装面4位于高压气腔区域半球的外表面，法兰状的安装面4垂直于椭球状贮箱的半主轴，且法兰状的安装面4与椭球状贮箱赤道中心面3之间有一段垂直距离，使得二者不在同一个平面内，具体如图1所示，法兰状的安装面4位于赤道中心面的正下方，椭球状的贮箱通过法兰状的安装面4与大型火箭液体姿控动力系统中的安装板连接。推进剂的排放以高压气区域半球2中的高压气源作为动力，气体作用于贮箱内部金属膜片表面使其变形运动，进而将推进剂按需要挤出贮箱。
50.如图2所示，法兰状的安装面4上均布有7个支耳5(7个支耳5在同一平面内等圆心夹角分布，该平面即安装面4，安装面4有一个中心作为圆心)，支耳5表面覆盖有耐磨涂层，7个支耳5关于安装面4的中心(圆心)不对称分布，即任意两个安装孔的中心连线不过安装面4的中心(圆心)，每个支耳5上开有一个安装孔，椭球状贮箱通过安装孔、连接紧固件与大型火箭液体姿控动力系统的安装板连接。
51.作为一种选择，当两个不同的贮箱推进剂半球1内分别填装有双组元液体推进剂中的一种时，要求双组元液体推进剂之间的密度差异小于570kg/m3(以15℃时的密度为准)。
52.贮箱通过连接紧固件、安装面4上的支耳5与大型火箭液体姿控动力系统的安装板连接，本实施例中，连接紧固件包括连接螺栓、螺母、平垫和弹簧垫圈，其中：
53.连接螺栓材料刚度(弹性模量)适中，不得高于弹簧垫圈以及平垫材料所对应的刚
度值(弹性模量)；
54.平垫的耐磨性需进行控制，表面粗糙度不低于1.6，硬度等级不低于300hv；
55.弹簧垫圈采用65mn弹簧钢并需淬火与回火处理，表面硬度需达到392hv～513hv。
56.当采用不锈钢材料时，连接螺栓的安装力矩等于不锈钢连接螺栓材料允许的力矩上限，例如，对于m12螺纹的连接螺栓，其力矩不得低于10n
·
m。
57.如图1所示，椭球状贮箱的安装面4设置在靠近高压气区域半球2的下部，即安装面4的竖直高度低于贮箱的赤道中心面竖直高度。
58.大型火箭液体姿控动力系统的安装板上开有连接孔，连接孔采用铰制孔或螺纹孔，但不能与支耳5上的安装孔同时为铰制孔或螺纹孔，即安装孔和连接孔不能同时为一种类型的孔。贮箱法兰状的安装面4上的安装孔孔径应有一定余量，保证贮箱膨胀过程不对系统的质心造成影响并减小连接部位的应力集中。
59.此外，法兰状的安装面4上支耳5的安装孔公差等级高于安装板上连接孔的公差等级，这是为了保证贮箱膨胀变形后其几何中心仍能维持在初始条件下的集合中心位置，前述“应有一定余量”是指为了照顾贮箱在膨胀过程中，贮箱安装孔与连接螺栓不会干涉而使安装孔比连接螺栓外径大一定余量，减少连接螺栓以及连接部位的应力集中，进一步，本发明采用奇数个不对称布置的方式也是为了避免这个余量过大而造成装配后贮箱自由度过大导致系统不受控问题加剧。
60.需要说明的是，前述的余量与贮箱壳体的材料以及内部工作压力有关，具体地，安装孔的大小相对连接螺栓外径的余量会随贮箱工作压力提高、壳体刚性减小而增大，当贮箱工作压力一定的情况下，壳体的刚性越强，所选余量可较小。
61.本实施例中，贮箱外形采用椭球状的矮胖形，在相同贮存容积条件下可减小金属膜片的运动行程，避免瘦高状设计使得金属膜片行程较大而降低设备的安全性。
62.本实施例中，贮箱外表面上法兰状的安装面4偏离了椭球状贮箱的赤道中心面3，且位于贮箱的高压气区域半球2侧，二者不在同一个平面内，避免了高压气体进入贮箱之后，进气口与出液口出现较大的位移而使金属连接紧固件出现较大内应力，影响管路之间的密封以及系统的可靠性。
63.本实施例中，法兰状的安装面4上均布有7个支耳5，如图2所示，7个(不限于图2中所述的7个，也可以是任意大于数字5的奇数个)安装孔均布于高压气区域半球2的球壳表面，可减小连接紧固件因贮箱的横向膨胀而出现较大位移，保证了系统在工作中的安全性。
64.本实施例中，贮箱与大型火箭液体姿控动力系统的装配过程通过标准连接紧固件将支耳5与安装板进行紧固，连接紧固件以及连接部位在材料的弹性模量、接触表面耐磨性、接触表面硬度、接触表面粗糙度等方面有特殊要求。例如，支耳5安装面的粗糙度需严格控制，表面位置应具有较高的耐磨性能，确保系统工作过程中各部分连接可靠。又如，连接紧固件中连接螺栓的材料刚度低于平垫与弹簧垫圈的刚度，平垫应具备较大的硬度与较高的表面粗糙度，弹簧垫圈材料应具备较大的刚性。
65.本实施例中，连接紧固件安装过程的预紧由两部分保证，采用优质弹簧垫圈以及高强度连接螺栓，贮箱与安装板装配过程连接螺栓的力矩应选择材料所允许的上限，保证安装过程能施加较大的预紧力，允许贮箱支耳5与安装面4在连接结合面存在一定磨损量的前提条件下仍能可靠连接(增大连接界面的摩擦力)。
66.本发明提出了强振动条件下贮箱这种大变形压力容器连接部位紧固可靠性以及降低推进剂整体运动速率的控制方法(这是由于当大型火箭液体姿控动力系统包括不只一个贮箱时，本实施例中的矮胖型贮箱可以减小系统推进剂在垂直于法兰安装面方向上质心的变化速率)，进而可缩小系统质心在推进剂消耗过程中的变化范围，提升了系统运行过程贮箱的安全、稳定运行，极大地保证了控制系统的稳定性。