一种应用于高轨卫星的水基推进系统及方法与流程

本发明属于空间推进技术领域，尤其涉及一种应用于高轨卫星的水基推进系统及方法。

背景技术：

氢氧推进是目前比冲最高的化学推进形式。

水基推进技术是一种基于质子交换膜水电解池(spe)、空间气氢气氧发动机以及氢电弧推力器的空间推进技术。该技术通过电解水产生氢氧气体供给到发动机产生推力。该技术使得空间飞行平台只需携带低压水便能够在轨产生比冲360s以上的化学推力，具有高比冲、绿色无污染、存储安全、低成本等特点，符合现阶段空间任务对推进技术的发展需求。

但是，目前水基推进系统应用于卫星平台存在如下问题：

(1)传统的电解池电解出的氢氧气体与水混合在一起，需要额外的水气分离装置、干燥装置等，不适合在卫星平台使用。

(2)电解池电解出的氢氧气体压力有限。若电解出的气体直接存储于气瓶中，则一个电解周期气瓶能够存储的气体质量较少，严重限制了卫星平台在一个周期内能够获得的推进总冲。若电解出的气体经过增压泵增压后存储于气瓶中，可以大大提高一个电解周期气瓶能够存储的气体质量。但增压泵属于易损部件，不适宜作为卫星平台的主要配套部件频繁使用。

(3)水基推进系统电解出的氧气和氢气为8：1的当量混合比，只有按照混合比8：1加以利用才能保证电解出的氢氧气体得到充分利用。而传统的氢氧发动机设计混合比为4：1左右，设计成8：1混合比的传统氢氧发动机难以支持长期稳定工作。国际上还没有明确的水基推进系统发动机配套方案。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种应用于高轨卫星的水基推进系统及方法，解决了水基推进系统在高轨卫星的工程实用性问题，使得高轨卫星推进比冲能够达到360s以上。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：根据本发明的一个方面，提供了一种应用于高轨卫星的水基推进系统，包括：电源、水箱、静态供水质子交换膜电解池、氢氧管理系统、百牛级气氢气氧轨控发动机和牛级气氢气氧姿控发动机；其中，电源、水箱分别与静态供水质子交换膜电解池相连，静态供水质子交换膜电解池的氢气路和氧气路分别与氢氧管理系统的氢气入口和氧气入口相连，氢氧管理系统氢气路和氧气路出口分别与百牛级气氢气氧轨控发动机的氢气入口和氧气入口相连，氢氧管理系统氢气路和氧气路出口分别与牛级气氢气氧姿控发动机的氢气入口和氧气入口相连；电源为静态供水质子交换膜电解池供电；水箱为静态供水质子交换膜电解池供低压去离子水；静态供水质子交换膜电解池利用电能将低压去离子水直接电解成高压氢气和高压氧气分别供给到氢氧管理系统；氢氧管理系统将高压氢气和高压氧气存储到高压气瓶中，将高压氢气调理成预设压力和预设流量后分别供给到百牛级气氢气氧轨控发动机和牛级气氢气氧姿控发动机，将高压氧气调理成预设压力和预设流量后分别供给到百牛级气氢气氧轨控发动机和牛级气氢气氧姿控发动机；百牛级气氢气氧轨控发动机根据调理后的高压氢气和调理后的高压氧气产生稳态轨控推力；牛级气氢气氧姿控发动机根据调理后的高压氢气和调理后的高压氧气产生脉冲姿控推力。其中，将高压氢气调理成预设压力和预设流量后分别供给到百牛级气氢气氧轨控发动机和牛级气氢气氧姿控发动机具体为：将高压氢气调理成百牛级气氢气氧轨控发动机的额定氢气入口压力和百牛级气氢气氧轨控发动机的额定氢气流量后供给百牛级气氢气氧轨控发动机，将高压氢气调理成牛级气氢气氧姿控发动机的额定氢气入口压力和牛级气氢气氧姿控发动机的额定氢气流量后供给牛级气氢气氧姿控发动机；将高压氧气调理成预设压力和预设流量后分别供给到百牛级气氢气氧轨控发动机和牛级气氢气氧姿控发动机具体为：将高压氧气调理成百牛级气氢气氧轨控发动机的额定氧气入口压力和百牛级气氢气氧轨控发动机的额定氧气流量后供给百牛级气氢气氧轨控发动机，将高压氧气调理成牛级气氢气氧姿控发动机的额定氧气入口压力和牛级气氢气氧姿控发动机的额定氧气流量后供给牛级气氢气氧姿控发动机。

上述应用于高轨卫星的水基推进系统中，所述氢氧管理系统包括氢气直接充填模块、氢气泵增压模块、高压氢气瓶、氢路压力流量控制模块、氧气直接充填模块、氧气泵增压模块、高压氧气瓶和氧路压力流量控制模块；其中，静态供水质子交换膜电解池的氢气路分成两路分别与氢气直接充填模块和氢气泵增压模块相连；氢气直接充填模块与氢气泵增压模块并联后与高压氢气瓶相连；高压氢气瓶与氢路压力流量控制模块相连；静态供水质子交换膜电解池的氧气路分成两路分别与氧气直接充填模块和氧气泵增压模块相连；氧气直接充填模块与氧气泵增压模块并联后与高压氧气瓶相连；高压氧气瓶与氧路压力流量控制模块相连。

上述应用于高轨卫星的水基推进系统中，静态供水质子交换膜电解池接受水箱提供的0.1mpa低压去离子水，电源的电能直接电解出3mpa以上高压氢气和高压氧气。

上述应用于高轨卫星的水基推进系统中，静态供水质子交换膜电解池电解出高压氢气，当需要高压氢气瓶存储压力不超过静态供水质子交换膜电解池能够电解的最高压力的氢气时，选择经过氢气直接充填模块直接充填到高压氢气瓶中；当需要高压氢气瓶存储压力超过静态供水质子交换膜电解池能够电解的最高压力的氢气时，选择通过氢气泵增压模块，经过进一步增压后充填到高压氢气瓶中。

上述应用于高轨卫星的水基推进系统中，静态供水质子交换膜电解池电解出高压氧气，当需要高压氧气瓶存储压力不超过静态供水质子交换膜电解池能够电解的最高压力的氧气时，选择经过氧气直接充填模块直接充填到高压氧气瓶中；当需要高压氧气瓶存储压力超过静态供水质子交换膜电解池能够电解的最高压力的氧气时，选择通过氧气泵增压模块，经过进一步增压后充填到高压氧气瓶中。

上述应用于高轨卫星的水基推进系统中，高压氢气瓶和高压氧气瓶容积比为2：1。

上述应用于高轨卫星的水基推进系统中，百牛级气氢气氧轨控发动机为混合比8：1的涡流冷却气氢气氧轨控发动机，以稳态点火为主要工作形式。

上述应用于高轨卫星的水基推进系统中，牛级气氢气氧姿控发动机为混合比8：1的气膜加辐射冷却气氢气氧姿控发动机，以脉冲点火为主要工作形式。

根据本发明的另一方面，还提供了一种应用于高轨卫星的水基推进方法，所述方法包括如下步骤：利用电源为静态供水质子交换膜电解池供电；利用水箱为静态供水质子交换膜电解池供低压去离子水；静态供水质子交换膜电解池利用电能将低压去离子水直接电解成高压氢气和高压氧气分别供给到氢氧管理系统；氢氧管理系统将高压氢气和高压氧气存储到高压气瓶中，将高压氢气调理成预设压力和预设流量后分别供给到百牛级气氢气氧轨控发动机和牛级气氢气氧姿控发动机，将高压氧气调理成预设压力和预设流量后分别供给到百牛级气氢气氧轨控发动机和牛级气氢气氧姿控发动机；百牛级气氢气氧轨控发动机根据调理后的高压氢气和调理后的高压氧气产生稳态轨控推力；牛级气氢气氧姿控发动机根据调理后的高压氢气和调理后的高压氧气产生脉冲姿控推力。

上述应用于高轨卫星的水基推进方法中，所述氢氧管理系统包括氢气直接充填模块、氢气泵增压模块、高压氢气瓶、氢路压力流量控制模块、氧气直接充填模块、氧气泵增压模块、高压氧气瓶和氧路压力流量控制模块；其中，静态供水质子交换膜电解池的氢气路分成两路分别与氢气直接充填模块和氢气泵增压模块相连；氢气直接充填模块与氢气泵增压模块并联后与高压氢气瓶相连；高压氢气瓶与氢路压力流量控制模块相连；静态供水质子交换膜电解池的氧气路分成两路分别与氧气直接充填模块和氧气泵增压模块相连；氧气直接充填模块与氧气泵增压模块并联后与高压氧气瓶相连；高压氧气瓶与氧路压力流量控制模块相连。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)现有水电解相关的系统主要采用传统的电解池，需要配套水循环泵、增压泵、干燥装置等一系列辅助设施，不适合卫星平台使用。本发明引入静态供水质子交换膜电解池作为水基推进系统的电解装置，使水基推进系统能够利用低压去离子水电解出可以直接存储的高压氢气和氧气，使水基推进系统不再需要配套复杂的水循环装置、长寿命增压装置以及干燥装置，系统在轨寿命、可靠性、实用性得到大大提升。

(2)现有的水基推进系统一般配套增压泵，将电解出的气体通过增压后再存入高压气瓶。由于增压泵难以实现高可靠长寿命在轨工作，该设计状态难以满足卫星平台长期在轨使用需求。本发明针对卫星平台对推进系统的使用特点，提出了在电解池出口连接并联的气体直接充填模块和气泵增压模块的设计。卫星长期在轨工作期间，电解出的气体通过氢气直接充填模块(7)直接充入高压气瓶，供卫星周期性使用。卫星短期轨道转移期间或在轨需要轨道机动时，电解出的气体通过气泵增压模块进一步增压后存入高压气瓶，使得系统一个周期内能够提供更多的推进能力。该设计既能够满足高轨卫星平台短期变轨和长期在轨飞行的推进需求，又避免了水基推进系统中对增压泵过高的长寿命和可靠性要求，大大提高了水基推进系统在高轨卫星平台上的可行性和实用性。

(3)现有水基推进系统设计未明确提出系统中氢氧气瓶的容积状态。本发明中系统配置的高压氢气瓶和高压氧气瓶的容积比为2：1，同时轨控发动机和姿控发动机的质量混合比为8：1，该设计能够保证系统存储和消耗的氢氧气体始终与电解池电解出的氢氧气体比例一致，既能够保证电解出的氢氧气体得到充分利用，又能够保证系统运行过程中氢气瓶和氧气瓶、电解池阴极和电解池阳极的压力始终保持在相对平衡状态。

(4)现有水基推进系统主要配套混合比8：1的传统氢氧发动机。由于8：1的氢氧燃烧温度过高，传统设计状态的氢氧发动机难以适应8：1的工作混合比，难以长期稳定工作。本发明引入了混合比8：1的涡流冷却氢氧发动机配合混合比8：1的传统氢氧发动机使用。前者能够满足卫星长期稳定点火工作需求，后者能够满足短期脉冲点火工作需求，解决了水基推进系统配套发动机设计难题。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明实施例提供的应用于高轨卫星的水基推进系统的框图；

图2是本发明实施例提供的氢氧管理系统的框图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明提出一种应用于高轨卫星的水基推进系统，包括电源、水箱、静态供水质子交换膜电解池、氢氧管理系统、百牛级气氢气氧轨控发动机、牛级气氢气氧姿控发动机。该系统通过静态供水质子交换膜电解池电解水产生高压的氢气和氧气，通过氢氧管理系统存储电解的氢气和氧气，并将氢气和氧气供给到百牛级气氢气氧轨控发动机和牛级气氢气氧姿控发动机产生卫星所需的稳态轨控推力和脉冲姿控推力。本发明一种应用于高轨卫星的水基推进系统解决了氢氧气体在空间环境难以长期管理的问题和当量混合比氢氧气体难以高效利用的问题，提高了氢氧推进系统在空间飞行平台的工程实用性。

下面根据附图对本发明系统进行详细说明。

一种应用于高轨卫星的水基推进系统如图1所示，包括：电源1、水箱5、静态供水质子交换膜电解池2、氢氧管理系统3、百牛级气氢气氧轨控发动机4、牛级气氢气氧姿控发动机6。其中，电源1与静态供水质子交换膜电解池2电接口相连，为静态供水质子交换膜电解池2供电。水箱5与静态供水质子交换膜电解池2的供水接口相连，为静态供水质子交换膜电解池2提供0.1mpa左右低压去离子水。静态供水质子交换膜电解池2利用电能电解去离子水，可以直接电解出3mpa以上且含水量极少的高压氢气和氧气。静态供水质子交换膜电解池2的氢气出口与氢氧管理系统3的氢气入口相连，将电解出的高压氢气输入到氢氧管理系统3。静态供水质子交换膜电解池2的氧气出口与氢氧管理系统3的氧气入口相连，将电解出的高压氧气输入到氢氧管理系统3。氢氧管理系统3一方面将静态供水质子交换膜电解池2电解出的氢气和氧气进行存储，另一方面，在卫星需要时，将存储的高压氢气和高压氧气进行压力和流量控制后供给到百牛级气氢气氧轨控发动机4和牛级气氢气氧姿控发动机6，产生卫星所需的推力。其中，百牛级气氢气氧轨控发动机4为能够长时间稳态点火工作的涡流冷却气氢气氧发动机。该发动机氢气入口和氧气入口分别与氢氧管理系统3的氢气出口和氧气出口相连，利用氢氧管理系统3供给的氢气和氧气产生稳态轨控推力。该发动机设计混合比8：1，即按照质量比8：1，标准体积比2：1的比例消耗氢氧气体。牛级气氢气氧姿控发动机6为传统的气膜加辐射冷却气氢气氧发动机，能够以脉冲形式点火产生姿控推力。该发动机氢气入口和氧气入口分别与氢氧管理系统3的氢气出口和氧气出口相连，利用氢氧管理系统3供给的氢气和氧气产生脉冲姿控推力。该发动机混合比8：1，即按照质量比8：1，标准体积比2：1的比例消耗氢氧气体。

氢氧管理系统3如图2所示，分为氢气路和氧气路两部分。

氢气路，氢气入口与氢气直接充填模块7和氢气泵增压模块8组成的并联结构相连。氢气直接充填模块7与氢气泵增压模块8组成的并连结构下游与高压氢气瓶9入口相连。高压氢气瓶9出口与氢路压力流量控制模块10入口相连。氢路压力流量控制模块10出口即为氢氧管理系统的氢气入口。卫星常规在轨运行期间，水基推进系统主要用于周期性地提供位保推力，推进系统所需的氢氧气体较少。因此，卫星常规运行期间，氢氧管理系统3氢气入口经过氢气直接充填模块7与高压氢气瓶9直接相通，静态供水质子交换膜电解池2电解出的高压氢气直接进入高压氢气瓶9存储。此时，水基推进系统一个周期内存储于高压氢气瓶9中的氢气最高压力不超过静态供水质子交换膜电解池2电解出的氢气压力，存储的氢气量相对较少。卫星短时间内变轨或轨道机动期间，水基推进系统需要每次提供尽可能多的氢氧气体，以提供持续时间更长，推力更大的稳定推力用于卫星轨道转移。此时，氢氧管理系统3氢气入口经过氢气泵增压模块8与高压氢气瓶9相通，静态供水质子交换膜电解池2电解出的高压氢气经过氢气泵增压模块8进一步增压后进入高压氢气瓶9存储。此时，水基推进系统一个周期内存储于高压氢气瓶9中的氢气最高压力为氢气泵增压模块8能够提供的最高压力，远高于静态供水质子交换膜电解池2电解出的的氢气压力，存储的氢气量得到大大提升。

氧气路，氧气入口与氧气直接充填模块12和氧气泵增压模块11组成的并联结构相连。氧气直接充填模块12与氧气泵增压模块11组成的并连结构下游与高压氧气瓶13入口相连。高压氧气瓶13出口与氧路压力流量控制模块14入口相连。氧路压力流量控制模块14出口即为氢氧管理系统的氢气入口。卫星常规在轨运行期间，水基推进系统主要用于周期性地提供位保推力，推进系统所需的氢氧气体较少。因此，卫星常规运行期间，氢氧管理系统3氧气入口经过氧气直接充填模块12与高压氧气瓶13直接相通，静态供水质子交换膜电解池2电解出的高压氧气直接进入高压氧气瓶13存储。此时，水基推进系统一个周期内存储于高压氧气瓶13中的氧气最高压力不超过静态供水质子交换膜电解池2电解出的氢气压力，存储的氧气量相对较少。卫星短时间内变轨或轨道机动期间，水基推进系统需要每次提供尽可能多的氢氧气体，以提供持续时间更长，推力更大的稳定推力用于卫星轨道转移。此时，氢氧管理系统3氧气入口经过氧气泵增压模块11与高压氧气瓶13相通，静态供水质子交换膜电解池2电解出的高压氧气经过氧气泵增压模块11进一步增压后进入高压氧气瓶13存储。此时，水基推进系统一个周期内存储于高压氧气瓶13中的氧气最高压力为氧气泵增压模块11能够提供的最高压力，远高于静态供水质子交换膜电解池2电解出的的氧气压力，存储的氧气量得到大大提升。

氢氧管理系统3中，高压氢气瓶9和高压氧气瓶13的容积比设计为2：1。由于静态供水质子交换膜电解池2电解出的氢气和氧气质量比为8：1，标准状态下体积比为2：1，因此，容积比2：1的高压氢气瓶9和高压氧气瓶13与上游静态供水质子交换膜电解池2电解出的氢氧气体量相匹配。由于本发明一种应用于高轨卫星的水基推进系统配置的百牛级气氢气氧轨控发动机4和牛级气氢气氧姿控发动机6的质量混合比为8：1，保证整个系统也是按照体积比2：1消耗氢氧气体。因此，高压氢气瓶9和高压氧气瓶13的容积比2：1的设计能够保证系统使用过程中氢气路和氧气路的产气压力和存储压力始终保持基本一致。

氢氧管理系统中，氢路压力流量控制模块10用于将高压氢气瓶9中存储的高压氢气根据百牛级气氢气氧轨控发动机4和牛级气氢气氧姿控发动机6的需求调整到合适的压力和流量。氧路压力流量控制模块14用于将高压氧气瓶13中存储的高压氧气根据百牛级气氢气氧轨控发动机4和牛级气氢气氧姿控发动机6的需求调整到合适的压力和流量。

以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。