一种重复使用低温动力系统贮箱小气枕增压系统及方法与流程

1.本发明属于航空航天技术领域，特别涉及一种重复使用低温动力系统贮箱小气枕增压系统及方法，对于采用低温液氧为氧化剂的小气枕贮箱的运载器尤为适用。


背景技术：

2.航天运载器动力系统的主发动机工作时需要推进剂满足一定的入口压力，以确保其稳定可靠工作。对于贮箱容积有限、气枕较小的低温动力运载器，在发动机启动时刻贮箱推进剂瞬间进入发动机泵腔，在阀门和涡轮泵等部位产生负水击，使得推进剂静压迅速下降，而由于贮箱气枕小且器上自生增压系统性能在发动机启动初期较低，此时还来不及对贮箱进行增压，贮箱压力将出现大幅下降，在启动负水击和箱压迅速下降的综合作用下，很可能造成低温推进剂静压过小而出现汽化，此时低温推进剂将以气相或气液两相混合流体的状态进入管路和泵等组件，引起泵的气蚀、飞转，或延长启动时间和推力爬升的时间，导致压力和流量的波动、失速运行、富氧燃烧等，引起发动机的工作异常，严重的甚至可以使启动完全失败，影响运载器发射。
3.随着重复使用运载器的研制越来越受重视，对小气枕增压的需求也越来越强烈，目前国内外的航天运载器对小气枕贮箱增压系统及方法研究较少，对低温动力贮箱小气枕增压方案尚无系统研究。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种重复使用低温动力系统贮箱小气枕增压系统及方法，通过利用一套器上气瓶增压装置，采用贮箱增压仿真分析方法，获得增压系统气瓶容积、气瓶压力、增压压力控制带、增压时间以及点火前贮箱初始气枕压力等参数，同时，采用数字式压力传感器闭式冗余增压控制方法对增压系统进行精确控制，进而实现了发动机的可靠启动，又能够使贮箱压力在发动机工作过程中始终处于合理范围内，确保发动机工作正常和贮箱结构安全，解决了贮箱容积有限，而对推进剂加注量需求大，初始气枕小的低温动力系统可靠启动、平稳工作的问题，从而完成本发明。
5.本发明提供的技术方案如下：
6.第一方面，一种重复使用低温动力系统贮箱小气枕增压系统，包括地面增压系统、器上增压系统、自生增压系统和采集控制系统；
7.所述地面增压系统包括燃料箱地面增压气路和氧箱地面增压气路，两气路上分别安装有燃料箱地面增压单向阀和氧箱地面增压单向阀，用于在发动机点火前对燃料贮箱和液氧贮箱完成常温氦气地面增压；
8.所述器上增压系统包括增压氦气瓶、燃料箱主增压电磁阀、燃料箱辅增压电磁阀、氧箱主增压电磁阀和氧箱辅增压电磁阀；所述增压氦气瓶为器上增压的气源，分别通过燃料箱增压气路和氧箱增压气路为燃料贮箱增压和液氧贮箱增压；所述燃料箱主增压电磁阀
和燃料箱辅增压电磁阀位于燃料箱增压气路上，分别控制燃料箱主增压气路和燃料箱辅增压气路的通断，燃料箱主增压电磁阀的压力控制带为0.32mpa～0.37mpa，燃料箱辅增压电磁阀的压力控制带为0.30mpa～0.35mpa，两路增压气体流量均为20g/s～25g/s氦气，两路电磁阀互为冗余；当燃料箱压力低于0.32mpa时液燃料箱主增压电磁阀打开，当燃料箱压力高于0.37mpa时燃料箱主增压电磁阀关闭，当主增压气路发生故障燃料箱压力下降至0.30mpa时燃料箱辅增压电磁阀打开，当燃料箱压力高于0.35mpa时燃料箱辅增压电磁阀关闭；
9.所述氧箱主增压电磁阀和氧箱辅增压电磁阀位于氧箱增压气路上，分别控制氧箱主增压气路和氧箱辅增压气路的通断；氧箱主增压电磁阀的压力控制带为0.39mpa～0.42mpa，氧箱辅增压电磁阀的压力控制带为0.38mpa～0.41mpa，两路增压气体流量均为20g/s～25g/s氦气，两路电磁阀互为冗余；当氧箱压力低于0.39mpa时氧箱主增压电磁阀打开，当氧箱压力高于0.42mpa时氧箱主增压电磁阀关闭，当主增压气路发生故障氧箱压力下降至0.38mpa时氧箱辅增压电磁阀打开，当氧箱压力高于0.41mpa时氧箱辅增压电磁阀关闭；
10.所述自生增压系统用于与器上增压系统在发动机启动初期共同实施对液氧贮箱的增压，并在发动机启动稳定后独立对液氧贮箱增压；
11.所述采集控制系统包括燃料箱压力传感器、氧箱压力传感器和增压控制器，所述燃料箱压力传感器和氧箱压力传感器分别采集燃料贮箱和液氧贮箱的气枕压力并发送至增压控制器，增压控制器数据处理后根据燃料箱增压气路和氧箱增压气路上各电磁阀的压力控制带输出该电磁阀的控制指令，控制燃料箱增压气路和氧箱增压气路的通断。
12.第二方面，一种重复使用低温动力系统贮箱小气枕增压方法，包括液氧贮箱地面增压和器上增压：
13.对于液氧贮箱地面增压：液氧贮箱初始气枕容积400l～600l，液氧贮箱在发动机点火前，采用常温氦气完成地面增压，在点火前-4min氧箱地面增压气路接通，增压单向阀打开，开始氧箱增压，大流量增压压力控制带为0.38mpa～0.395mpa，小流量增压压力控制带为0.395mpa～0.4mpa，当箱压低于当前压力控制带下限时氧箱地面增压单向阀打开，氧箱地面增压气路接通；当高于当前压力控制带上限时氧箱地面增压单向阀关闭，氧箱地面增压气路断开；在压力控制带内时氧箱地面增压单向阀维持上一状态，氧箱地面增压持续至发动机点火结束；
14.对于器上增压：采用常温氦气瓶增压方式与开式自生增压方式相结合，常温氦气瓶增压方式中氧箱增压气路由氧箱主增压气路和氧箱辅增压气路组成，氧箱主增压电磁阀的压力控制带为0.39mpa～0.42mpa，氧箱辅增压电磁阀的压力控制带为0.38mpa～0.41mpa，两路增压气体流量均为20g/s～25g/s氦气，两路电磁阀互为冗余，当氧箱压力低于0.39mpa时氧箱主增压电磁阀打开，当氧箱压力高于0.42mpa时氧箱主增压电磁阀关闭，当主增压气路发生故障氧箱压力下降至0.38mpa时氧箱辅增压电磁阀打开，当氧箱压力高于0.41mpa时氧箱辅增压电磁阀关闭；所述开式自生增压方式中，将自生增压管路接于液氧贮箱的顶部，将液氧加热汽化后输送至液氧贮箱顶部，用于与器上增压系统在发动机启动初期共同实施对液氧贮箱的增压，并在发动机启动稳定后独立对液氧贮箱增压；
15.液氧贮箱上安装有三个氧箱压力传感器，每个氧箱压力传感器的数据分别输出给
对应的cpu，cpu对采样周期内的有效压力数据根据最小二乘原理计算出当前压力，当有效压力数据量未超过采样数量50％时，则认为本数据处理周期内参数无效，控制指令输出为零，cpu数据处理后根据各增压电磁阀的控制带输出该阀门的控制指令，最终增压控制器对三个cpu的指令进行三取二输出该阀门的终端控制指令。
16.进一步地，还包括燃料贮箱地面增压和器上增压：
17.对于燃料贮箱地面增压：燃料贮箱初始气枕250l～300l，燃料贮箱在发动机点火前采用常温氦气地面增压，在点火前-30min开始-4min结束，将射前燃料贮箱的气枕压力控制在0.40mpa～0.42mpa，确保燃料箱压力满足发动机点火启动过程中的燃入口压力要求；
18.燃料贮箱器上增压采用常温氦气瓶增压方式，常温氦气瓶增压方式中燃料箱增压气路由燃料箱主增压气路和燃料箱辅增压气路组成，燃料箱主增压电磁阀的压力控制带为0.32mpa～0.37mpa，燃料箱辅增压电磁阀的压力控制带为0.30mpa～0.35mpa，两路增压气体流量均为20g/s～25g/s氦气，两路电磁阀互为冗余；当燃料箱压力低于0.32mpa时液燃料箱主增压电磁阀打开，当燃料箱压力高于0.37mpa时燃料箱主增压电磁阀关闭，当主增压气路发生故障燃料箱压力下降至0.30mpa时燃料箱辅增压电磁阀打开，当燃料箱压力高于0.35mpa时燃料箱辅增压电磁阀关闭；
19.燃料贮箱上安装有3个燃料箱压力传感器，每个燃料箱压力传感器的数据分别输出给对应的cpu，cpu对采样周期内的有效压力数据根据最小二乘原理计算出当前压力，当有效压力数据量未超过采样数量50％时，则认为本数据处理周期内参数无效，控制指令输出为零，cpu数据处理后根据各增压电磁阀的控制带输出该阀门的控制指令，最终增压控制器对三个cpu的指令进行三取二输出该阀门的终端控制指令。
20.根据本发明提供的一种重复使用低温动力系统贮箱小气枕增压系统及方法，具有以下有益效果：
21.(1)本发明提供的一种重复使用低温动力系统贮箱小气枕增压系统及方法，低温液氧贮箱采用氦气瓶和一套主、辅增压电磁阀作为发动机启动初期的氧箱增压系统，满足了发动机启动初期对氧入口压力的需求，同时，该系统还应用于常温燃料贮箱增压，简化了动力系统总体方案；
22.(2)本发明提供的一种重复使用低温动力系统贮箱小气枕增压系统及方法，采集控制系统采用数字式压力传感器闭式冗余增压方法，液氧贮箱和燃料贮箱上均安装有3个压力传感器，分别测量贮箱压力并输出数字信号，每个压力传感器的数据分别输出给对应的cpu，cpu对采样周期内的有效压力数据根据最小二乘原理计算出当前压力，当有效压力数据量未超过采样数量50％时，则认为本数据处理周期内参数无效，控制指令输出为零，cpu数据处理后根据各电磁阀的控制带输出该阀门的控制指令，最终增压控制器对三个cpu的指令进行三取二输出该阀门的终端控制指令，提高了增压系统的工作准确性与可靠性；
23.(3)本发明提供的一种重复使用低温动力系统贮箱小气枕增压系统及方法，通过对液氧贮箱设置0.38mpa～0.395mpa和0.395mpa～0.4mpa的点火前地面增压压力控制带，采用大流量与小流量增压相结合的方法，即在接近贮箱增压压力要求值时采用小流量增压的方案，降低了增压后效对箱压的影响，为发动机启动提供了准确的氧化剂入口压力条件；
24.(4)本发明提供的一种重复使用低温动力系统贮箱小气枕增压系统及方法，解决了贮箱小气枕状态在发动机启动初期压力下降过快的问题，结合发动机启动工况氧蒸发器
性能参数和入口压力要求，论证提出了氧箱主增压气路 辅增压气路和燃箱主增压气路 辅增压气路的常温氦气瓶增压方案，氧箱在发动机启动转级阶段由气瓶进行必要的增压，解决了贮箱初始气枕小、氧蒸发器产生的气氧温度低且流量小而无法及时增压的问题；
25.(5)本发明提供的一种重复使用低温动力系统贮箱小气枕增压系统及方法，氧箱与燃箱实现了器上增压系统的共用，简化了系统方案，设计方法通用性强。
附图说明
26.图1为贮箱小气枕增压系统的结构示意图。
27.附图标号说明
28.1-燃料贮箱；2-液氧贮箱；3-充气阀；4-增压氦气瓶；5-过滤器；6-燃料箱主增压电磁阀；7-燃料箱辅增压电磁阀；8-氧箱主增压电磁阀；9-氧箱辅增压电磁阀；10-燃料箱地面增压单向阀；11-氧箱地面增压单向阀；12-燃箱安溢阀；13-燃料箱压力传感器；14-氧箱安溢阀；15-氧箱压力传感器；17-液氧单向阀；18-节流圈；19-氧蒸发器；20-增压控制器。
具体实施方式
29.下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
30.在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
31.根据本发明的第一方面，提供了一种重复使用低温动力系统贮箱小气枕增压系统，如图1所示，包括地面增压系统、器上增压系统、自生增压系统和采集控制系统；
32.所述地面增压系统包括燃料箱地面增压气路和氧箱地面增压气路，两气路上分别安装有燃料箱地面增压单向阀10和氧箱地面增压单向阀11，用于在发动机点火前对燃料贮箱和液氧贮箱完成常温氦气地面增压，为了提高安全性，燃料贮箱和液氧贮箱顶部分别安装有燃箱安溢阀12和氧箱安溢阀14；优选地，所述燃料箱地面增压气路用于将射前燃料贮箱气枕压力控制在0.40mpa～0.42mpa，确保燃料贮箱压力满足发动机点火启动过程中的入口压力要求；所述氧箱地面增压气路具有两种压力控制带：大流量增压压力控制带0.38mpa～0.395mpa和小流量增压压力控制带0.395mpa～0.4mpa。当箱压低于当前压力控制带下限时，燃料箱地面增压单向阀10/氧箱地面增压单向阀11打开，燃料箱地面增压气路/氧箱地面增压气路接通；当高于当前压力控制带上限时，燃料箱地面增压单向阀10/氧箱地面增压单向阀11关闭，燃料箱地面增压气路/氧箱地面增压气路断开；在压力控制带内时，燃料箱地面增压单向阀10/氧箱地面增压单向阀11维持上一状态，燃料箱地面增压持续至发动机点火前-4min结束，氧箱地面增压持续至发动机点火结束；
33.所述器上增压系统包括充气阀3、增压氦气瓶4、过滤器5、燃料箱主增压电磁阀6、燃料箱辅增压电磁阀7、氧箱主增压电磁阀8和氧箱辅增压电磁阀9；所述燃料箱主增压电磁阀6和燃料箱辅增压电磁阀7位于燃料箱增压气路上，分别控制燃料箱主增压气路和燃料箱辅增压气路的通断，燃料箱主增压电磁阀6的压力控制带为0.32mpa～0.37mpa，燃料箱辅增压电磁阀7的压力控制带为0.30mpa～0.35mpa，两路增压气体流量均为20g/s～25g/s(氦
气)，两路电磁阀互为冗余；当燃料箱压力低于0.32mpa时液燃料箱主增压电磁阀6打开，当燃料箱压力高于0.37mpa时燃料箱主增压电磁阀6关闭，当主增压气路发生故障燃料箱压力下降至0.30mpa时燃料箱辅增压电磁阀7打开，当燃料箱压力高于0.35mpa时燃料箱辅增压电磁阀7关闭；
34.所述氧箱主增压电磁阀8和氧箱辅增压电磁阀9位于氧箱增压气路上，分别控制氧箱主增压气路和氧箱辅增压气路的通断；氧箱主增压电磁阀8的压力控制带为0.39mpa～0.42mpa，氧箱辅增压电磁阀9的压力控制带为0.38mpa～0.41mpa，两路增压气体流量均为20g/s～25g/s(氦气)，两路电磁阀互为冗余；当氧箱压力低于0.39mpa时氧箱主增压电磁阀8打开，当氧箱压力高于0.42mpa时氧箱主增压电磁阀8关闭，当主增压气路发生故障氧箱压力下降至0.38mpa时氧箱辅增压电磁阀9打开，当氧箱压力高于0.41mpa时氧箱辅增压电磁阀9关闭；
35.所述增压氦气瓶4为器上增压的气源，分别通过燃料箱增压气路和氧箱增压气路为燃料贮箱1和液氧贮箱2增压与增压；增压氦气瓶4通过充气阀3在地面充气，在发动机启动初期实施燃料贮箱1和液氧贮箱2增压与增压时预先经过过滤器5过滤；
36.所述自生增压系统包括自生增压管路上的液氧单向阀17、节流圈18和氧蒸发器19，自生增压管路接于液氧贮箱2的底部，将液氧加热汽化后输送至液氧贮箱2顶部，用于与器上增压系统在发动机启动初期共同实施对液氧贮箱2的增压，并在发动机启动稳定后独立对液氧贮箱2增压；
37.所述采集控制系统包括3个燃料箱压力传感器13、3个氧箱压力传感器15和增压控制器20，所述燃料箱压力传感器13和氧箱压力传感器15分别采集燃料贮箱1和液氧贮箱2的气枕压力并发送至增压控制器20，增压控制器20数据处理后根据燃料箱增压气路和氧箱增压气路上各电磁阀的压力控制带输出该电磁阀的控制指令；优选地，燃料箱压力传感器13和氧箱压力传感器15的采样频率为50hz，增压控制器20的数据处理周期为10次采样，即每隔200ms输出一次压力用于进行增压控制；增压控制器20包括对应各燃料箱压力传感器/氧箱压力传感器的cpu，每个燃料箱压力传感器13/氧箱压力传感器15的数据分别输出给各自对应的cpu，cpu对采样周期内的有效压力数据根据最小二乘原理计算出当前压力，当各cpu处理的有效压力数据量未超过采样数量50％时(即周期内有效压力数据个数≤5)，则认为本数据处理周期内参数无效，控制指令输出为零，cpu数据处理后根据各电磁阀的压力控制带输出该阀门的控制指令，最终增压控制器20对三个cpu的指令进行三取二输出该阀门的终端控制指令，提高了增压系统的工作准确性与可靠性。
38.根据本发明的第二方面，提供了一种重复使用低温动力系统贮箱小气枕增压方法，包括液氧贮箱增压和燃料贮箱增压：
39.对于液氧贮箱增压方案：
40.液氧贮箱初始气枕容积400l～600l，远小于传统火箭型号贮箱初始气枕容积(通常2000l～4000l)。液氧贮箱在发动机点火前，采用常温氦气完成地面增压，增压采用闭式控制，由动力测控系统完成，在点火前-4min动力测控系统控制氧箱地面增压单向阀11打开，开始氧箱增压，大流量增压压力控制带为0.38mpa～0.395mpa，小流量增压压力控制带为0.395mpa～0.4mpa，当箱压低于当前压力控制带下限时氧箱地面增压单向阀11打开，氧箱地面增压气路接通；当高于当前压力控制带上限时氧箱地面增压单向阀11关闭，氧箱地
面增压气路断开；在压力控制带内时氧箱地面增压单向阀11维持上一状态，氧箱地面增压持续至发动机点火结束。
41.液氧贮箱在运载器上采用常温氦气瓶增压与开式自生增压相结合的方案，这是由于氧箱初始气枕小，发动机启动初期箱压下降较快，此外，来源于发动机的自生增压气体在发动机启动初期升温较慢，流量易出现波动，因此在自生增压系统的基础上增加了氧箱增压气路，由增压氦气瓶、压力传感器、增压电磁阀等元件组成。增压氦气瓶4为两个容积40l、工作压力23mpa的复合材料气瓶。为提高系统工作可靠性，氧箱增压气路由氧箱主增压气路和氧箱辅增压气路组成，氧箱主增压电磁阀8的压力控制带为0.39mpa～0.42mpa，氧箱辅增压电磁阀9的压力控制带为0.38mpa～0.41mpa，两路增压气体流量均为20～25g/s(氦气)，两路电磁阀互为冗余，当氧箱压力低于0.39mpa时氧箱主增压电磁阀8打开，当氧箱压力高于0.42mpa时氧箱主增压电磁阀8关闭，当主增压气路发生故障氧箱压力下降至0.38mpa时氧箱辅增压电磁阀9打开，当氧箱压力高于0.41mpa时氧箱辅增压电磁阀9关闭。所述自生增压系统包括自生增压管路上的液氧单向阀17、节流圈18和氧蒸发器19，自生增压管路接于液氧贮箱2的底部，将液氧加热汽化后输送至液氧贮箱2顶部，用于与器上增压系统在发动机启动初期共同实施对液氧贮箱2的增压，并在发动机启动稳定后独立对液氧贮箱2增压；
42.液氧贮箱上安装有3个氧箱压力传感器15，传感器采样频率为50hz，增压控制器20的数据处理周期为10次采样，即每隔200ms输出一次压力用于进行增压控制，每个氧箱压力传感器15的数据分别输出给对应的cpu，cpu对采样周期内的有效压力数据根据最小二乘原理计算出当前压力，当有效压力数据量未超过采样数量50％时(即周期内有效压力数据个数≤5)，则认为本数据处理周期内参数无效，控制指令输出为零，cpu数据处理后根据各增压电磁阀的控制带输出该阀门的控制指令，最终增压控制器20对三个cpu的指令进行三取二输出该阀门的终端控制指令，提高了增压系统的工作准确性与可靠性。
43.氧箱增压气路在发动机点火后20s内工作，即增压氦气瓶4只在此期间对液氧贮箱进行闭式常温氦气增压，之后发动机氧蒸发器19的性能达到稳定的高输出状态，可保证其稳定工作，同时为燃料贮箱增压节省了增压气瓶中的氦气。
44.对于燃料贮箱增压方案：
45.燃料贮箱初始气枕250l～300l。燃料贮箱在发动机点火前同样采用常温氦气地面增压方案，增压采用闭式控制，由动力测控系统完成，在点火前-30min开始-4min结束，可将射前燃料贮箱的气枕压力控制在0.40mpa～0.42mpa，确保燃料箱压力满足发动机点火启动过程中的燃入口压力要求。
46.燃料贮箱器上增压采用常温氦气瓶增压方式，由增压氦气瓶、压力传感器、增压电磁阀等元件组成，燃料箱增压气路由燃料箱主增压气路和燃料箱辅增压气路组成，燃料箱主增压电磁阀6的压力控制带为0.32mpa～0.37mpa，燃料箱辅增压电磁阀7的压力控制带为0.30mpa～0.35mpa，两路增压气体流量均为20g/s～25g/s(氦气)，两路电磁阀互为冗余。燃料箱器上增压控制气路与氧箱部分共用，所采用的控制方法与氧箱增压气路完全相同。当燃料箱压力低于0.32mpa时液燃料箱主增压电磁阀6打开，当燃料箱压力高于0.37mpa时燃料箱主增压电磁阀6关闭，当主增压气路发生故障燃料箱压力下降至0.30mpa时燃料箱辅增压电磁阀7打开，当燃料箱压力高于0.35mpa时燃料箱辅增压电磁阀7关闭。
47.燃料贮箱上安装有3个燃料箱压力传感器13，传感器采样频率为50hz，增压控制器
20的数据处理周期为10次采样，即每隔200ms输出一次压力用于进行增压控制，每个燃料箱压力传感器13的数据分别输出给对应的cpu，cpu对采样周期内的有效压力数据根据最小二乘原理计算出当前压力，当有效压力数据量未超过采样数量50％时(即周期内有效压力数据个数≤5)，则认为本数据处理周期内参数无效，控制指令输出为零，cpu数据处理后根据各增压电磁阀的控制带输出该阀门的控制指令，最终增压控制器20对三个cpu的指令进行三取二输出该阀门的终端控制指令，提高了增压系统的工作准确性与可靠性。
48.以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
49.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。