一种用于推进剂贮箱中的新型推进剂管理装置

技术领域

本发明涉及一种用于推进剂贮箱中的新型推进剂管理装置，特别是一种用 于推进剂贮箱中的具有抑制液体晃动功能的新型推进剂管理装置，属于空间飞 行器中推进领域。

背景技术

推进剂贮箱以其在失重环境下的高可靠性和长寿命特点，被广泛应用于卫 星、飞船、空间站、运载火箭等各种空间飞行器上。推进剂贮箱的核心技术是 它内部的推进剂管理装置(简称PMD)。PMD的管理能力是贮箱性能的关键指标。 PMD设计的目标是PMD在任何时候都能够可靠地、无气泡地输送液体。

目前，我国空间飞行器尤其是卫星上所使用的推进剂贮箱的PMD绝大多数 是网式的，采用筛网为毛细元件来收集推进剂，并由管道将推进剂输送到推进 剂贮箱出液口。但随着空间事业的不断发展，这种类型的推进剂管理装置的局 限性也逐渐显露出来，成为制约我国卫星事业发展的一个不利因素。网式PMD 具有如下的一些缺点：比如，毛细网结构强度低、易损伤、易污染、可靠性低， 同时，需要设置复杂的流体传输通道，导致推进剂管理装置重量偏大、加注速 度慢。

根据在轨运行的实际情况来看，一些卫星各阶段在轨机动较为频繁，需要 推进剂贮箱为推力器提供稳定充足且不夹气的推进剂，这要求推进剂贮箱内 PMD实现对推进剂全管理。与此同时，由于整星姿态控制精度要求较高，在机 动过程中推进剂贮箱作为质量较大的部件，需要对推进剂贮箱内部液体晃动采 取抑制措施。因此在推进剂贮箱内部需要使用结构简单、具有抑制液体晃动功 能，对推进剂实行全管理、可靠性高、结构强度高、在轨工作适用范围广泛的 新型推进剂管理装置。

推进剂管理装置已经被以不同的实施方式公开，US4553565A、US4986398A、 US5279323A、ZL200920223125.5等公开了一些推进剂管理装置，它们也均适用 于推进剂贮箱中。

例如在US4553565A中描述了一种推进剂管理装置，其主要包括径向垂直贮 箱内壁面分布的导流叶片和由一些径向均匀放置的叶片组成的蓄液器，通过这 些板式结构实现气液界面有效分离，其中导流叶片主要起导流液体作用，蓄液 器主要起蓄留液体作用，其缺点在于：抑制液体晃动作用很小，蓄液器能够提 供的液体流量较小，蓄液量小，在一些可能出现的极端工况下(如贮箱轴向旋 转角速度较大、反向加速度较大或侧向加速度较大等)无法保证足够的不夹气 的蓄液量；

在US4986398A中描述了一种推进剂管理装置，其主要包括平行贮箱内壁面 分布的导流叶片和由内外锥体以及上下收集器组件组成的蓄液器，其中导流叶 片主要起导流液体作用，蓄液器借助锥形结构区域实现液体蓄留，其缺点在于： 抑制液体晃动作用很小，使用筛网较多，蓄液器能够提供的液体流量较小；

在US5279323A中描述了一种推进剂管理装置，其主要包括径向垂直贮箱内 壁面分布的V型导流叶片和由一些径向均匀放置的叶片组成的蓄液器，在贮箱 下半球部位设置防晃隔板，并在贮箱出液口附近区域设置一层筛网，其缺点在 于：结构偏复杂，使用筛网较多，抑制液体晃动作用较小，仅在贮箱下半球小 部分区域起一定抑制液体晃动作用；

在ZL200920223125.5中描述了一种推进剂管理装置，其主要由叶片和支撑 柱组成，其缺点在于：结构强度不高，在轨能够提供的液体流量较小，蓄液量 小，在一些可能出现的极端工况下(如贮箱轴向旋转角速度较大、反向加速度 较大或侧向加速度较大等)易出现断流现象。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种用于推进剂贮 箱中的新型推进剂管理装置，其具有抑制液体晃动功能，对推进剂实行全管理， 结构简单、强度高、可靠性高、蓄液量大，在轨工作适用范围广泛，在轨液体 排放速度大，同时可实现地面重复大流量加注等特点。

本发明的技术解决方案是：一种用于推进剂贮箱中的新型推进剂管理装置， 包括中心支柱、导流叶片、支柱叶片、大叶片、蓄液叶片、上压板、上网片、 上支板、小圆柱、骨架、下压板、下网片和下支板；

中心支柱为圆柱管状结构，其柱段外壁沿轴向均匀分布有安装结构，各安 装结构之间不接触，所述安装结构为沿中心支柱径向均匀分布的多个矩形安装 缝；

导流叶片为中部镂空的薄壁平板结构，包括外圆弧段和内直板段；外圆弧 段与贮箱内壁面之间存在间隙，用于导流液体；内直板段有若干个与中心支柱 上的矩形安装缝相配合的矩形插脚，用于实现导流叶片与中心支柱的固定连接；

支柱叶片为薄壁矩形平板结构，在其矩形平板结构的一侧有若干个与中心 支柱上的矩形安装缝相配合的矩形插脚，用于实现支柱叶片与中心支柱的固定 连接；

大叶片为薄壁平板结构，且平板上错位分布有多个通孔；大叶片包括外圆 弧段和内直板段；大叶片外圆弧段与贮箱内壁面之间存在间隙；内直段部位有 若干个与中心支柱上的矩形安装缝相配合的矩形插脚，用于实现大叶片与中心 支柱的固定连接；

导流叶片、支柱叶片、大叶片均径向固定安装在中心支柱上从而形成一个 整体结构，所述整体结构通过中心支柱固定安装在上压板上；

蓄液叶片固定安装在上压板上，上压板、上网片、上支板、小圆柱、中间 骨架、下压板、下网片和下支板从上往下依次固定安装从而形成一个整体结构， 即蓄集液体组件；

骨架为外侧壁开有环状凹槽的圆筒状结构，包括上平盘、中间圆筒和下平 盘；上压板、上支板、下压板和下支板上均有多个通孔；上压板、上网片和上 支板依次置于上平盘上方，且上压板的边缘、上网片的边缘和上支板的边缘均 与所述上平盘固定连接；

下压板、下网片和下支板依次置于下平盘下方，且下压板的边缘、下网片 的边缘和下支板的边缘均与所述上平盘固定连接。

所述导流叶片、支柱叶片和大叶片的薄壁厚度为0.5mm～1.5mm；

所述中心支柱两个安装结构之间的侧壁上沿径向均匀分布有多个通孔。

所述上支板上的通孔、下压板上的通孔、下支板上的通孔与上压板上的通 孔一一对应。

所述上网片和下网片均为钛合金材料。

所述上支板上设置有与小圆柱相配合的安装孔。

所述导流叶片的安装平面与所述大叶片安装平面之间的夹角为30°～60 °。

所述上压板为中心带凸台的圆板结构，圆板结构上均匀开有通孔，所述凸 台上固定安装有圆柱型中空管，圆柱型中空管的下半部分外壁上沿轴向均匀开 有安装槽。

所述蓄液叶片为扇形平板结构，所述扇形平板结构上均匀分布有多个通孔， 蓄液叶片与上压板的安装槽配合安装。

所述支柱叶片与大叶片数量相同，且安装于同一平面内，支柱叶片与大叶 片的内直段部位之间相互接触。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)与US4553565A、US4986398A和US5279323A中描述的推进剂管理装置 相比，本发明结构更简单，采用大叶片板式结构，并在大叶片设置错位分布的 通孔，既获得良好的抑制液体晃动效果，又有利于液体流通，而且达到减重的 效果。

(2)本发明没有使用US4986398A以及US5279323A中描述的易受污染的带 有大面积网片的收集器以及气泡陷阱，从而本发明新型推进剂管理装置可靠性 更高。

(3)与US4553565A、和ZL200920223125.5中描述的推进剂管理装置相比， 本发明采用导流叶片和蓄集液体组件的结构，结构强度更大，实现对推进剂全 管理，在轨工作可靠性更高，在轨可提供的液体流量更大，蓄液量更大，在轨 工作适用范围更为广泛，即使在一些可能出现的极端工况下，如贮箱轴向旋转 角速度较大、反向加速度较大或侧向加速度较大等情况下，都能够保证足够的 不夹气的蓄液量。

(4)与US4986398A中描述的推进剂管理装置相比，本发明新型推进剂管 理装置网片使用量少且分布集中，易实现地面重复大流量加注与排放功能。

附图说明

图1是本发明新型推进剂管理装置的剖视图；

图2是本发明新型推进剂管理装置的等轴测视图；

图3是本发明中蓄集液体组件的爆炸图；

图4是本发明中导流叶片的结构示意图；

图5是本发明中大叶片的结构示意图；

图6为本发明中上压板的结构示意图；

图7为本发明中骨架的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细地描述：

如图1所示，本发明提供了一种用于推进剂贮箱中的新型推进剂管理装置， 包括中心支柱1、导流叶片2、支柱叶片3、大叶片4、蓄液叶片5、上压板6、 上网片7、上支板8、小圆柱9、骨架10、下压板11、下网片12、下支板13； 所述上网片7和下网片12均为钛合金材料。

如图2所示，中心支柱1为圆柱管状结构，其柱段外壁沿轴向均匀分布有 安装结构，各安装结构之间不接触，所述安装结构为沿中心支柱1径向均匀分 布的多个矩形安装缝；导流叶片2、支柱叶片3、大叶片4均径向固定安装在 中心支柱1上从而形成一个整体结构，所述整体结构通过中心支柱1固定安装 在上压板6上；所述导流叶片2、支柱叶片3与大叶片4数量相同，且支柱叶 片3与大叶片4安装于同一平面内，支柱叶片3与大叶片4的内直段部位42 之间相互接触，导流叶片2的安装平面与所述大叶片4安装平面之间的夹角为 30°～60°；所述导流叶片2、支柱叶片3和大叶片4的薄壁厚度为0.5mm～ 1.5mm；所述导流叶片2、支柱叶片3和大叶片4均可以对液体晃动起抑制作 用；所述中心支柱1的两个安装结构之间的侧壁上沿径向均匀分布有多个通孔， 用于中心柱内液体流通，并且在加注时便于将中心支柱1内腔的气体排出。

如图3所示，蓄液叶片5固定安装在上压板6上；上压板6、上网片7、 上支板8、小圆柱9、中间骨架10、下压板11、下网片12、下支板13从上往 下依次固定安装从而形成一个整体结构，即蓄集液体组件，所述蓄集液体组件 用于蓄留和收集液体，为推进剂贮箱出液口提供充足且不夹气的推进剂。

如图4所示，导流叶片2为中部镂空的薄壁平板结构，包括外圆弧段21 和内直板段22；外圆弧段21与贮箱内壁面14之间存在间隙，用于导流液体； 内直板段22有若干个与中心支柱1上的矩形安装缝相配合的矩形插脚，用于 实现导流叶片2与中心支柱1的固定连接。

如图5所示，大叶片4为薄壁平板结构，且平板上错位分布有多个通孔， 用于抑制液体晃动，同时达到减轻重量的效果；大叶片4包括外圆弧段41和 内直板段42；大叶片4外圆弧段41与贮箱内壁面14之间存在间隙，用于导 流液体；内直段部位42有若干个与中心支柱1上的矩形安装缝相配合的矩形 插脚，用于实现大叶片4与中心支柱1的固定连接。

所述支柱叶片3为薄壁矩形平板结构，在其矩形平板结构的一侧有若干个 与中心支柱1上的矩形安装缝相配合的矩形插脚，用于实现支柱叶片3与中心 支柱1的固定连接；导流叶片2的内直板段22、支柱叶片3和大叶片4的内直 板段42在中心支柱1处形成多个楔形夹角区域，用于蓄集和导流液体，大大 提高新型推进剂管理装置的可靠性。

如图6所示，上压板6为中心带凸台的圆板结构，圆板结构上均匀开有通 孔，所述凸台上固定安装有圆柱型中空管，圆柱型中空管的下半部分外壁上沿 轴向均匀开有安装槽；所述蓄液叶片5为扇形平板结构，蓄液叶片5上压板6 的安装槽配合安装；蓄液叶片5的所述扇形平板结构上均匀分布有多个通孔， 用于所述蓄集液体组件内以及蓄液叶片5之间的液体流通和气体捕捉；蓄液叶 片5之间形成多个夹角区域，用于液体导流与蓄留；蓄液叶片5与贮箱内壁面 14之间存在间隙，用于导流液体。

如图7所示，骨架10为侧壁开有环状凹槽的圆筒状结构，包括上平盘101、 中间圆筒102和下平盘103；上压板6、上支板8、下压板11和下支板13上 均有多个通孔；上压板6、上网片7和上支板8依次置于上平盘101上方，且 上压板6的边缘、上网片7的边缘和上支板8的边缘均与所述上平盘101固定 连接；下压板11、下网片12和下支板13依次置于下平盘103下方，且下压 板11的边缘、下网片12的边缘和下支板13的边缘均与所述上平盘101固定 连接。

所述上支板8上的通孔、下压板11上的通孔、下支板13上的通孔与上压 板6上的通孔一一对应。

所述上支板8上设置有与小圆柱9相配合的安装孔，可以提高所述蓄集液 体组件的结构强度，如图3所示。

本发明的工作原理为：

本发明新型推进剂管理装置通常位于推进剂贮箱内部，所述大叶片4径向 均匀分布在中心支柱1上，主要起抑制液体晃动的作用。为提高对液体晃动抑 制作用以及达到减轻重量效果，在大叶片4上设有若干个交错分布的通孔。另 外，所述导流叶片2和支柱叶片3均可以对液体晃动起一定的抑制作用。

为更加高效地实现在微重力环境下对推进剂进行全管理，本发明新型推进 剂管理装置设计了两条主要导流通道。其中一条是所述导流叶片2与贮箱内壁 面14形成的导流通道，另一条是在所述导流叶片2、支柱叶片3和大叶片4在 中心支柱1处形成的楔形夹角导流通道，极大地提高本发明新型推进剂管理装 置的可靠性以及流体传输速度。另外，所述大叶片4外圆弧段部位与贮箱内壁 面14之间存在间隙，具有导流液体功能，同时所述蓄液叶片5与贮箱内壁面 14之间存在间隙，也具有导流液体功能。

本发明蓄集液体组件通常位于推进剂贮箱出液口处，在微重力环境下借助 所述蓄液叶片5之间形成的尖角楔形区域，通过表面张力驱动作用可以蓄留大 量液体，同时所述蓄液叶片5上设有诸多通孔，便于各尖角楔形区域之间相互 连通以及便于捕捉并排挤出楔形区域内可能存在的气泡，从而实现蓄液量大、 在轨工作适用范围广泛的功能，即使在一些可能出现的极端工况下，如贮箱轴 向旋转角速度较大、反向加速度较大或侧向加速度较大等情况下，都能够保证 足够的不夹气的蓄液量，并且在为贮箱出液口提供在轨液体大流量同时通过上 述导流通道快速为所述蓄集液体组件充液。

使用本发明新型推进剂管理装置的304L贮箱，在卫星在轨机动过程中贮 箱内液体晃动质量至少减少25％，液体晃动幅度至少减少30％，晃动时间至少 缩短40％，获得良好的抑制液体晃动的效果，大大提高了整星姿态控制精度； 在侧向加速度较大情况下，能够长时间提供的液体最大流量不低于24ml/s；能 够实现地面重复大流量加注与排放功能，最大加注流量不低于200ml/s。

本发明未公开技术属本领域技术人员公知常识。