基于氢电弧推力器和氢氧发动机的空间站水基推进系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及空间站推进系统，特别是一种基于氢电弧推力器和氢氧发动机的空间站水基推进系统。
【背景技术】
[0002]空间站是中国在研的最大规模的航天器，迎风面积较大，且在低轨道上运行，为了克服外层空间大气阻力，维持轨道高度，需要消耗大量的推进剂。现有的空间站的卫星推进系统沿用传统的基于甲基肼/四氧化二氮的双组元推进系统，每年需要超过3000kg推进剂用于空间站的正常运行。
[0003]同时，载人空间站为了给长期在轨工作宇航员提供生存必须的水和氧气，空间站通过水电解系统电解水产生一定压力的氢氧气体，其中，氧气主要用于维持空间站的氧气环境，保证航天员呼吸，氢气作为废气经过处理后排出。目前，空间站运行过程中会产生大量航天员生活废水和电解废气(氢气)，这些废水和废气不仅难以得到利用，而且还需要耗费额外的资源对其进行处理和排放。
[0004]为了解决空间站在轨运行推进剂消耗巨大和空间站废气废水难以有效利用的问题，需要提出一种能够高效利用氢氧气体产生推力的推进系统。另外由于空间站废气废水产生的氢氧气体比例低于氢氧当量比1:8，即氢气多氧气少且二者比例并不固定。因此需要推进系统能够对氢氧气体有多种使用形式，可以在一定程度上调整氢氧气体的消耗比例。
【发明内容】
[0005]本发明解决的技术问题是:克服现有技术的不足，提供了一种基于氢电弧推力器和氢氧发动机的空间站水基推进系统，能够高效利用空间站废气和废水，并为空间站提供在轨运行所需的推力，可为空间站每年节省推进燃料25%以上。
[0006]本发明的技术解决方案是:基于氢电弧推力器和氢氧发动机的空间站水基推进系统，包括废水处理及电解模块、氢氧存储模块、氢氧供给模块、氢电弧推力器模块、气氢气氧发动机模块，其中
[0007]废水处理及电解模块，包括废水入口、第一氧气出口、第一氢气出口，过滤单元、电解单元;废水入口接收空间站废水送至过滤单元，过滤单元对废水进行过滤后送至电解单元，电解单元对过滤后的废水进行电解得到氧气、氢气，将氧气经第一氧气出口送至氢氧存储模块，将氢气经第一氢气出口送至氢氧存储模块；
[0008]氢氧存储模块，包括第一氧气入口、第二氧气出口、第一氢气入口、第二氢气出口、氧充填装置、高压氧气瓶、氢充填装置、高压氢气瓶;第一氧气入口接收氧气，并将氧气经氧充填装置送至高压氢气瓶，第一氢气入口接收氢气，并将氢气经氢充填装置送至高压氢气瓶，氧充填装置调节第一氧气入口或高压氧气瓶气压，使第一氧气入口处氧气气压大于高压氧气瓶内氧气气压且低于高压氧气瓶额定存储气压，氢充填装置调节第一氢气入口或高压氢气瓶气压，使第一氢气入口处氢气气压大于高压氢气瓶内氧气气压且低于高压氢气瓶额定存储气压，高压氧气瓶存储氧气，并将氧气经第二氧气出口送至氢氧供给模块，高压氢气瓶存储氢气，并将氢气经第二氢气出口送至氢氧供给模块；
[0009]氢氧供给模块，包括第二氧气入口、氧减压器、第三氧气出口、第二氢气入口、氢减压器、第三氢气出口、第四氢气出口 ；
[0010]第二氧气入口接收氧气后送至氧减压器，氧减压器将氧气进行降压，得到降压后的氧气并送至第三氧气出口，第三氧气出口将氧气送至气氢气氧发动机模块，第二氢气入口接收氢气后送至氢减压器，氢减压器将氢气进行降压，得到降压后的氢气并分别送至第三氢气出口、第四氢气出口，第三氢气出口将氢气送至气氢气氧发动机模块，第四氢气出口将氢气送至氢电弧推力器模块；
[0011 ]氢电弧推力器模块，包括第三氢气入口、氢电弧推力器支路;第三氢气入口接收氢气后送至氢电弧推力器支路，氢电弧推力器支路包括流量控制器、氢电弧推力器，流量控制器接收外部流量指令，根据流量指令控制送至氢电弧推力器的氢气流量，氢电弧推力器产生用于空间站的动量轮卸载及姿态位置控制的推力，其中，氢电弧推力器支路为至少2个；所述的流量指令包括输送至氢电弧推力器的氢气流量；
[0012]气氢气氧发动机模块，包括第三氧气入口、第四氢气入口、氢氧发动机支路;第三氧气入口接收氧气后送至氢氧发动机支路，第四氢气入口接收氢气后送至氢氧发动机支路，氢氧发动机支路中的氢氧发动机产生用于空间站的高度保持的推力，其中，氢氧发动机支路为至少2个。
[0013]所述的气氢气氧发动机模块中氢氧发动机需要的氧气和氢气重量比为4-8。
[0014]所述的高压氧气瓶或高压氢气瓶的额定存储气压为2_15MPa。
[0015]所述的降压后的氧气或降压后的氢气的气压为1.4MPa_1.6MPa。
[0016]本发明与现有技术相比的优点在于:
[0017](1)本发明通过合理配置废水处理及电解模块、氢氧存储模块、氢氧供给模块、氢电弧推力器模块、气氢气氧发动机模块，形成基于氢电弧推力器和氢氧发动机的空间站水基推进系统，满足了空间站有效处理废气和废水，节省推进燃料这两项需求，解决了目前设计的空间站燃料补给周期偏短的问题；
[0018](2)本发明引入氢电弧推力器模块，通过配置氢电弧推力器模块中氢电弧推力器的功率、数量和工作量来调节整个系统消耗的氧气和氢气比例，克服了现有水基推进系统单纯使用混合比4-8的气氢气氧推力器难以将目前空间站废气废水产生的混合比小于4的氧气和氢气完全有效利用的缺陷，具有能高效利用不同比例的氧气和氢气的优点；
[0019](3)本发明中氢电弧推力器模块用于空间站的动量轮卸载、姿态位置的高精度控制，气氢气氧发动机模块用于空间站的高度保持，克服了现有水基推进系统需要采用不同推力量级的气氢气氧发动机完成所有任务，导致的比冲偏低、推力器设计难度大的缺陷，解决了精确小推力长时间工作的空间气氢气氧发动机的设计难题；
[0020](4)本发明实现了对空间站废气和废水的有效利用，产生空间站所需的在轨维持推力，每年可为空间站节省推进剂25%以上推进剂。
【附图说明】
[0021]图1为本发明基于氢电弧推力器和氢氧发动机的空间站水基推进系统结构图；
[0022]图2为本发明废水处理及电解模块结构图；
[0023]图3为本发明氢氧存储模块结构图；
[0024]图4为本发明氢氧供给模块结构图；
[0025]图5为本发明气氢气氧发动机模块；
[0026]图6为本发明氢电弧推力器模块。
【具体实施方式】
[0027]针对空间站运行过程中产生的大量生活废水和电解废气(氢气)难以得到利用且需要耗费额外的资源对其进行处理和排放的缺陷，本发明提出一种基于氢电弧推力器和氢氧发动机的空间站水基推进系统，该系统通过电解处理废水产生氢气和氧气，将电解废水产生的氢氧气体和空间站生保系统排放的废弃氢气收集起来供给到氢电弧推力器和气氢气氧发动机，其中，氢电弧推力器利用氢气产生推力，气氢气氧发动机利用氢氧气体产生推力。本发明系统通过氢电弧推力器和气氢气氧发动机的组合使用，使载人空间站的废气和废水得到高效利用，为空间站提供可观的在轨运行动力，根据估算，该系统每年可为空间站节省推进燃料25%以上，大大降低载人空间站的独立运行成本。
[0028]基于氢电弧推力器和氢氧发动机的空间站水基推进系统包括废水处理及电解模块、氢氧存储模块、氢氧供给模块、氢电弧推力器模块、气氢气氧发动机模块。废水处理及电解模块利用空间站废水电解产生氢氧气体。氢氧存储模块将空间站废弃的氢气和由废水及电解模块产生的氢氧气体收集，并以一定压力存储。氢氧供给模块将氢氧存储模块存储的高压氢氧气体通过减压和流量控制，按照一定的压力和流量供给到氢电弧推力器模块和气氢气氧发动机模块。氢电弧推力器模块利用氢气产生推力。气氢气氧发动机模块利用氢气和氧气产生推力。
[0029]下面根据附图对本发明系统进行详细说明。
[0030]基于氢电弧推力器和氢氧发动机的空间站水基推进系统如图1所示包括:废水处理及电解模块1、氢氧存储模块2、氢氧供给模块3、氢电弧推力器模块4、气氢气氧发动机模块5，其中，废水处理及电解模块1的废水处理及电解模块氧气出口 8与氢氧存储模块2的氢氧存储模块氧气入口 9相连。废水处理及电解模块1的废水处理及电解模块氢气出口 7与氢氧存储模块2的氢氧存储模块氢气入口 16相连。氢氧存储模块2的氢氧存储模块氧气出口 12与氢氧供给模块3的氢氧供给模块氧气入口 17相连。氢氧存储模块2的氢氧存储模块氢气出口 13与氢氧供给模块3的氢氧供给模块氢气入口 23相连。氢氧供给模块3的氢氧供给模块氧气出口 19与气氢气氧发动机模块5的气氢气氧发动机模块氧气入口 24相连。氢氧