一种表面张力贮箱低流阻通道.pdf

1、(10)申请公布号 CN 103590922 A (43)申请公布日 2014.02.19 CN 103590922 A (21)申请号 201310533461.0 (22)申请日 2013.10.31 F02K 9/44(2006.01) (71)申请人 北京控制工程研究所 地址 100080 北京市海淀区北京 2729 信箱 (72)发明人 魏延明 李永 庄保堂 白建军 姚灿 胡齐 王娟 夏继霞 (74)专利代理机构 中国航天科技专利中心 11009 代理人 安丽 (54) 发明名称 一种表面张力贮箱低流阻通道 (57) 摘要 一种表面张力贮箱低流阻通道包括 ： 用于收 集贮箱下舱顶角处

2、的推进剂的角收集器、 角收集 器连接管、 通道转换接头、 方形连接管道、 用于收 集贮箱下舱中部的推进剂中收集器和用于收集贮 箱底部的推进剂底收集器 ； 所述角收集器位于通 道的顶部， 与通道转换接头通过角收集器连接管 连接， 中收集器、 底收集器通过方形连接管道与通 道转换接头连接， 这样就形成了表面张力贮箱低 流阻通道。本发明能够利用推进剂的表面张力作 用将贮箱局部区域内推进剂收集于该通道内， 并 将推进剂沿通道输运至特定位置， 用于空间微重 力环境下的推进剂管理。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明

3、专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103590922 A CN 103590922 A 1/1 页 2 1. 一种表面张力贮箱低流阻通道， 其特征在于包括 ： 用于收集贮箱下舱顶角处的推进 剂的角收集器、 角收集器连接管、 通道转换接头、 方形连接管道、 用于收集贮箱下舱中部的 推进剂中收集器和用于收集贮箱底部的推进剂底收集器 ； 所述角收集器位于表面张力贮箱 低流阻通道的顶部， 与通道转换接头通过角收集器连接管连接， 中收集器、 底收集器通过方 形连接管道与通道转换接头连接， 这样就形成了表面张力贮箱低流阻通道。 2. 根据权利要求 1 所述的表面张力

4、贮箱低流阻通道， 其特征在于 ： 所述角收集器包括 角收集器小圆柱、 角收集器压板、 收集器网片、 角收集器支板、 角收集器骨架和角片用小圆 柱 ； 收集器网片置于角收集器压板与角收集器支板之间， 采用电子束将三个部件焊接 ； 角 收集器小圆柱的数量为36个， 固定于角收集器压板顶端， 用于连接通道与贮箱的其它部 件 ； 将角收集器支板、 角收集器骨架焊接， 形成了一个封闭式环形蓄液槽， 由此构成了角收 集器 ； 角片用小圆柱位于角收集器骨架底端， 用于固定角收集器于贮箱下舱地板 ； 角收集 器能够收集贮箱下舱顶角处的推进剂， 并将其输运至通道内。 3. 根据权利要求 1 所述的表面张力贮箱低

5、流阻通道， 其特征在于 ： 所述中收集器和底 收集器的结构相同， 但安装位置不同， 中收集器固定于方形连接管道中部位置的通道盖板 上， 底收集器固定于方形连接管道底部位置 ； 所述中收集器包括底收集器骨架、 底收集器支 压板、 底收集器网片 ； 底收集器网片位于底收集器支压板之间， 采用电子束焊将其与底收集 器骨架焊接。 4. 根据权利要求 1 所述的表面张力贮箱低流阻通道， 其特征在于 ： 所述方形连接管道 的截面由 U 型截面弧形通道骨架和通道盖板焊接而成， 通道盖板上焊接中收集器和底收集 器。 5. 根据权利要求 1 所述的表面张力贮箱低流阻通道， 其特征在于 ： 所述角收集器、 中收

6、集器、 底收集器均采用中间部位加工有 10 20 个圆孔的压板和 2001400 3502300 目小孔的不锈钢网片构成， 不锈钢网片位于两层压板之间， 采用电子束焊焊接 ； 角收集器、 中收集器、 底收集器内部形成了一个圆柱形蓄液腔体 ； 在微重力环境下， 分布在贮箱内的推 进剂在表面张力的作用下通过不锈钢网片传输到各个收集器内， 由于表面张力作用， 气泡 过滤器外部的气体无法进入各个收集器。 权 利 要 求 书 CN 103590922 A 2 1/4 页 3 一种表面张力贮箱低流阻通道 技术领域 0001 本发明涉及一种表面张力贮箱低流阻通道， 能够利用表面张力将贮箱局部区域内 推进剂收

7、集于该通道内， 阻止增压气体流出通道， 并将推进剂沿通道输运至特定位置， 用于 空间微重力环境下的推进剂管理。 背景技术 0002 推进剂贮箱是航天器上最重要的部件之一， 它的作用是存储和管理推进剂， 在规 定的流量和加速度条件下， 为发动机或推力器提供不夹气的推进剂， 其核心部件是推进剂 管理装置 （PMD） 。 0003 表面张力贮箱是目前世界上使用最为广泛的推进剂贮箱， 它分为网式和板式两 种。 我国现有的表面张力贮箱都是网式的， 它利用液体的表面张力通过筛网来收集推进剂， 同时阻止气体进入管路通道， 属于第一代表面张力贮箱产品。DFH-4 卫星平台用表面张力 贮箱是世界上最大的表面张力

8、贮箱之一， 为满足15年的卫星寿命， 需要携带3100kg的推进 剂， 单个贮箱的容积要求达到 1400L 以上， 而之前我国已有的推进剂贮箱最大容量为 606L。 为解决大容量贮箱的推进剂贮存与管理问题， 开展了大型贮箱 PMD 技术攻关工作， 设计了 一种表面张力贮箱方形低流阻通道， 以满足大容量贮箱的推进剂管理需求。 0004 DFH-3 卫星平台用表面张力贮箱 PMD 通道采用角收集器、 中收集器和原型通道构 成。由于 DFH-4 卫星贮箱容积大， 只有中收集器无法保证寿命末期， 贮箱底部的推进剂完 全排出， 且圆形通道流动阻力较大， 无法满足大型卫星大流量指标要求， 因此该 PMD

9、通道布 局不适合 DFH-4 卫星贮箱任务需求。为此， 设计了适合于大型表面张力贮箱的低流阻通 道。国外表面张力贮箱的研制开始于 70 年代， 到 80 年代末在轨道航天器上已占据绝对的 主导地位， 目前除了俄罗斯没有使用外， 其它静止轨道通信卫星都采用表面张力贮箱。欧 美国家均生产了大量表面张力贮箱， 代表性的文章如下 ： W.H.Tam,W.D.Lay,M.S.Hersh,at all.Design,Development,Qualification,and Manufacture of the HS601Propellant Tank.AIAA96-2748 ； W.H.Tam,D.E.

10、Jaekle,Jr.Design and Manufacture of the HS601Block Propellant Tank Assembly.AIAA98-3199 ； Walter H.Tam,D.E.Jaekle Jr.Design and Manufacture of a Propellant Tank Assembly.AIAA2000-3444 ； Gaston Netter,Ulrich Renner,Michael Dreyer.Design and Verification of a Standard Surface Tension Propellant Tank A

11、IAA99-2178。其中， 比较典型的 HS601 平台 卫星表 面张力贮箱， 其 PMD 包括导流板、 蓄液器、 陷阱、 管状收集器和毛细网窗口， 但其管状收集器 不适合， 不适合 DFH-4 卫星平台用大型表面张力贮箱低流阻、 大流量的任务需求 ； ETS-VIII 贮箱是 PSI 公司 2001 年为劳拉公司研制的， 其 PMD 由四条导流板和一个蓄液器 / 气泡陷阱 组建构成， 导流板从底部延伸到柱段的顶部。 PMD采用了陷阱-导流板-蓄液器式的结构是 目前最流行的形式， 但板式收集器继承性差， 焊接和装配工艺存在难点， 这些与 DFH-4 卫星 紧迫的进度不适应， 无法满足当时我国

12、大型贮箱的推进剂管理需求。尽管国外在公开贡献 上发表了一些文章， 这些文献都是关于贮箱的一些整体结构和装置的原理及功能介绍， 没 说 明 书 CN 103590922 A 3 2/4 页 4 有关于针对实际贮箱详细结构设计的描述， 不能作为我国贮箱设计的依据， 因此必须根据 我国卫星实际需求， 开展适合于大型贮箱 PMD 通道的详细结构设计工作。 0005 一种表面张力贮箱底流阻通道是国内第一个大型表面张力贮箱推进剂管理装置 的通道， 其工作方式和结构均是全新的， 国内没有相关的文献和资料可以借鉴， 整个部件的 研制是在 DFH-3 贮箱和国外极少公开文献资料的基础上做了大量的创新工作而完成的

13、。为 了实现贮箱内推进剂的收集和输运， 在通道形状、 收集器分布、 流阻分析等方面进行了开创 性的工作， 最终完成了适用于大型表面张力贮箱低流阻通道的结构设计。 发明内容 0006 本发明解决的技术问题是 ： 克服现有技术的不足， 提供一种适合于大型表面张力 贮箱的低流阻通道， 能够利用推进剂的表面张力作用将贮箱局部区域内推进剂收集于该通 道内， 并将推进剂沿通道输运至特定位置， 用于空间微重力环境下的推进剂管理。 0007 本发明技术解决方案 ： 一种表面张力贮箱低流阻通道， 包括 ： 用于收集贮箱下舱 顶角处的推进剂的角收集器、 角收集器连接管、 通道转换接头、 方形连接管道、 用于收集贮

14、 箱下舱中部的推进剂中收集器和用于收集贮箱底部的推进剂底收集器 ； 所述角收集器位于 表面张力贮箱低流阻通道的顶部， 与通道转换接头通过角收集器连接管连接， 中收集器、 底 收集器通过方形连接管道与通道转换接头连接， 这样就形成了表面张力贮箱低流阻通道。 0008 所述角收集器包括角收集器小圆柱、 角收集器压板、 收集器网片、 角收集器支板、 角收集器骨架和角片用小圆柱 ； 收集器网片置于角收集器压板与角收集器支板之间， 采用 电子束将三个部件焊接 ； 角收集器小圆柱的数量为 3 6 个， 固定于角收集器压板顶端， 用 于连接通道与贮箱的其它部件 ； 将角收集器支板、 角收集器骨架焊接， 形成

15、了一个封闭式环 形蓄液槽， 由此构成了角收集器 ； 角片用小圆柱位于角收集器骨架底端， 用于固定角收集器 于贮箱下舱地板 ； 角收集器能够收集贮箱下舱顶角处的推进剂， 并将其输运至通道内。 0009 所述中收集器和底收集器的结构相同， 但安装位置不同， 中收集器固定于方形连 接管道中部位置的通道盖板上， 底收集器固定于方形连接管道底部位置 ； 所述中收集器包 括底收集器骨架、 底收集器支压板、 底收集器网片 ； 底收集器网片位于底收集器支压板之 间， 采用电子束焊将其与底收集器骨架焊接。 0010 所述方形连接管道的截面由 U 型截面弧形通道骨架和通道盖板焊接而成， 通道盖 板上焊接中收集器和

16、底收集器。 0011 所述角收集器、 中收集器、 底收集器均采用中间部位加工有1020个圆孔的压板 和 2001400 3502300 目小孔的不锈钢网片构成， 不锈钢网片位于两层压板之间， 采 用电子束焊焊接 ； 角收集器、 中收集器、 底收集器内部形成了一个圆柱形蓄液腔体 ； 在微重 力环境下， 分布在贮箱内的推进剂在表面张力的作用下通过不锈钢网片传输到各个收集器 内， 由于表面张力作用， 气泡过滤器外部的气体无法进入各个收集器。 0012 本发明与现有技术相比的优点在于 ： 0013 （1） 本发明的结构能够利用推进剂的表面张力作用将贮箱局部区域内推进剂收集 于该通道内， 并将推进剂沿通

17、道输运至特定位置， 实现了空间微重力环境下的推进剂管理。 0014 （2） 本发明的角收集器、 中收集器、 底收集器的结构布局， 使得任务周期内贮箱内 的推进剂都能通过收集器进入通道， 保证了贮箱具备较高的挤出效率 99.5% 的任务需 说 明 书 CN 103590922 A 4 3/4 页 5 求， 延长了贮箱的使用寿命 ； 0015 （3） 本发明的方形连接管道能够有效降低流动阻力， 提高流体传输速度， 且在远地 点工作时流量 200ml/s。方形连接管道采用 U 型截面弧形上通道和薄板弧形下通道焊接 而成， 通道为整体焊接成型， 变形小， 结构强度得到较大提高， 加强了 PMD 的整体

18、结构强度。 附图说明 0016 图 1 为本发明表面张力贮箱低流阻通道结构示意图 ； 0017 图 2 为角收集器结构示意图 ； 0018 图 3 为中收集器、 低收集器结构示意图 ； 0019 图 4a 为方形连接管道的通道骨架截面图 ； 0020 图 4b 为方形连接管道的通道盖板截面图。 具体实施方式 0021 本发明是一种适合于大型表面张力贮箱的低流阻通道置于表面张力贮箱内表面 且与内表面保持一定间隙， 其作用是收集贮箱内推进剂， 阻止增压气体流出通道， 并将推进 剂沿着通道内表面输送至贮箱出口。 0022 如图 1 所示的表面张力贮箱低流阻通道包括 ： 角收集器 1、 角收集器连接管

19、 2、 通 道转换接头 3、 方形连接管道 4、 中收集器 5、 底收集器 6。角收集器 1 与通道转换接头 3 通 过角收集器连接管 2 连接， 中收集器 5、 底收集器 6 通过方形连接管道 4 与通道转换接头 3 连接， 这样就形成了该表面张力贮箱低流阻通道。其中， 角收集器连接管 2 为圆管， 方形连 接管道 4 为 U 型通道， 利用通道转换接头 3 可将两类管道连接。角收集器 1 主要用于收集 贮箱下舱顶角处的推进剂， 中收集器5用于收集下舱中部的推进剂， 而底收集器6用于收集 贮箱底部的推进剂。 它们共同作用确保贮箱内的推进剂沿着通道流入贮箱出口而进入推力 器， 能够对大容量贮箱

20、内的推进剂进行有效管理。 0023 如图 2 所示， 角收集器 1 位于通道的顶部， 由以下部件组成 ： 角收集器小圆柱 7、 角 收集器压板8、 收集器网片9、 角收集器支板10、 角收集器骨架11、 角片用小圆柱12。 收集器 网片 9 置于角收集器压板 8 与角收集器支板 10 之间， 采用电子束将三个部件焊接。角收集 器小圆柱 7 的数量为 3 6 个， 固定于角收集器压板 8 顶端， 用于连接通道与贮箱的其它部 件。 将角收集器支板10、 角收集器骨架11焊接， 形成了一个封闭式环形蓄液槽， 由此构成了 交收集器。角片用小圆柱 12 位于角收集器骨架 11 低端， 用于固定角收集器

21、1 于贮箱下舱 地板。角收集器 1 能够收集贮箱下舱顶角处的推进剂， 并将其输运至通道内。 0024 中收集器 5 和底收集器 6 的结构相同， 但安装位置不同， 中收集器 5 固定于方形连 接管道 4 中部位置的通道盖板 17 上， 底收集器 6 固定于方形连接管道 4 底部位置。中收集 器 5 的结构如图 3 所示， 具体包括以下部件 ： 底收集器骨架 13、 底收集器支压板 14、 底收集 器网片 15。底收集器网片 15 位于底收集器支压板 14 之间， 采用电子束焊将其与底收集器 骨架 13 焊接。中收集器 5 和底收集器 6 的主要功能是收集贮箱中部和底部位置的推进剂。 0025 方形连接管道4的截面形状见图4， 由U型截面弧形通道骨架16和通道盖板17焊 接而成， 通道盖板17上焊接中收集器5和底收集器6。 该结构形式便于焊接和成型， 保证了 方形连接通道 4 具备高强度性能， 且流动阻力较小。 说 明 书 CN 103590922 A 5 4/4 页 6 0026 本发明未公开技术属本领域技术人员公知常识。 说 明 书 CN 103590922 A 6 1/2 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103590922 A 7 2/2 页 8 图 3 图 4a 图 4b 说 明 书 附 图 CN 103590922 A 8