双组元推进剂贮存和供应系统以及航天运载器的制作方法

本申请属于姿轨控发动机技术领域，具体涉及一种双组元推进剂贮存和供应系统以及航天运载器。

背景技术：

姿轨控发动机系统是航天飞行器的核心组成部分，推进剂贮存和供应系统占据姿轨控发动机系统绝大部分空间和重量，是影响其性能的重要决定因素。现有双组元推进剂贮存和供应系统主要由燃料贮箱、氧化剂贮箱、高压气瓶、气路隔离阀、压力调节器、液路隔离阀、气液路管路和安装结构等组成，其中，在较小的空间范围和较轻的结构质量下，尽量多的装载推进剂并实现不夹气的推进剂供应是推进剂贮存和供应系统的关键技术。

如图1和2所示，现有双组元推进剂贮存和供应系统包括：串联式和并联式两种布局方式。本申请的发明人在研发过程中发现：上述两种常规布局方式存在空间利用率低、包络尺寸偏大、安装结构复杂和结构重量偏大等问题。随着航天技术的发展和应用需求的升级，航天器小型化、集成化、轻量化的需求日益凸显，而双组元推进剂贮存和供应系统的常规布局方式已无法满足当前的应用需求，限制了姿轨控发动机的应用。

技术实现要素：

为至少在一定程度上克服相关技术中存在的问题，本申请提供了一种双组元推进剂贮存和供应系统以及航天运载器。

根据本申请实施例的第一方面，本申请提供了一种双组元推进剂贮存和供应系统，其包括：

贮箱壳体、燃料组件、氧化剂组件和增压组件；

所述燃料组件和氧化剂组件反向设置在所述贮箱壳体中，且所述燃料组件和氧化剂组件之间形成气腔空间；

外部充气设备用于通过所述增压组件向所述气腔空间充入增压工质；

在所述增压工质的挤压作用下，所述燃料组件用于向推力器模块排放燃料，所述氧化剂组件用于向推力器模块排放氧化剂。

如上所述的双组元推进剂贮存和供应系统，所述燃料组件包括燃料膜盒组件和燃料封头；所述氧化剂组件包括氧化剂膜盒组件和氧化剂封头；

所述燃料膜盒组件和氧化剂膜盒组件反向设置在所述贮箱壳体中；所述气腔空间形成在所述燃料膜盒组件和氧化剂膜盒组件之间；

所述燃料封头设置在所述燃料膜盒组件远离所述氧化剂膜盒组件的一侧，所述燃料封头上设置有燃料路隔离阀及加排阀，所述燃料组件通过燃料路隔离阀和燃料管路与所述推力器模块连接；

所述氧化剂封头设置在所述氧化剂膜盒组件远离所述燃料膜盒组件的一侧，所述氧化剂封头上设置有氧化剂路隔离阀及加排阀，所述氧化剂组件通过氧化剂路隔离阀和氧化剂管路与所述推力器模块连接。

如上所述的双组元推进剂贮存和供应系统，所述燃料膜盒组件包括燃料膜盒和燃料顶盖；所述氧化剂膜盒组件包括氧化剂膜盒和氧化剂顶盖；

在所述贮箱壳体中，所述燃料膜盒沿所述贮箱壳体的长度方向设置在所述贮箱壳体的一侧，所述氧化剂膜盒沿所述贮箱壳体的长度方向设置在所述贮箱壳体的另一侧；

所述燃料膜盒靠近所述氧化剂膜盒的一侧与所述燃料顶盖固定连接，其相对侧与所述燃料封头固定连接；

所述氧化剂膜盒靠近所述燃料膜盒的一侧与所述氧化剂顶盖固定连接，其相对侧与所述氧化剂封头固定连接。

如上所述的双组元推进剂贮存和供应系统，所述燃料顶盖向所述燃料膜盒内部凹进，所述氧化剂顶盖向所述氧化剂膜盒内部凹进；所述燃料顶盖和氧化剂顶盖之间的气腔空间为一椭球形或球形空间。

如上所述的双组元推进剂贮存和供应系统，所述燃料封头的形状与燃料顶盖的形状匹配设置，所述燃料封头向所述燃料膜盒的外部凸起，所述燃料封头凸起的方向与所述燃料顶盖凹进的方向一致；

所述氧化剂封头的形状与氧化剂顶盖的形状匹配设置，所述氧化剂封头向所述氧化剂膜盒的外部凸起，所述氧化剂封头凸起的方向与所述氧化剂顶盖凹进的方向一致。

如上所述的双组元推进剂贮存和供应系统，位于所述燃料组件和氧化剂组件之间，在所述贮箱壳体上设置有充气阀，所述增压组件与充气阀连接。

如上所述的双组元推进剂贮存和供应系统，所述增压组件包括高压气瓶、气路隔离阀和气流分配器；所述高压气瓶的入口与所述充气阀连接，其出口通过所述气路隔离阀与气流分配器连接。

如上所述的双组元推进剂贮存和供应系统，所述增压组件还包括压力调节器，所述压力调节器设置在气路隔离阀和气流分配器之间，并与所述气路隔离阀和气流分配器连接。

如上所述的双组元推进剂贮存和供应系统，所述贮箱壳体上还设置有安全阀。

如上所述的双组元推进剂贮存和供应系统，位于所述贮箱壳体中，在所述燃料组件和氧化剂组件之间形成的所述气腔空间处设置分舱隔板。

进一步地，所述分舱隔板设置在所述贮箱壳体的宽度方向的中轴线上，所述分舱隔板的两端均与所述贮箱壳体固定连接。

根据本申请实施例的第二方面，本申请还提供了一种航天运载器，其包括上述任一所述的双组元推进剂贮存和供应系统。

根据本申请的上述具体实施方式可知，至少具有以下有益效果：本申请双组元推进剂贮存和供应系统通过将燃料组件和氧化剂组件反向设置在同一贮箱壳体中，能够节省一个燃料封头和一个氧化剂封头，节省燃料组件和氧化剂组件之间的安装结构，能够显著降低双组元推进剂贮存和供应系统的包络尺寸和结构重量。另外，通过将增压组件设置在燃料组件和氧化剂组件之间形成的气腔空间中，能够进一步提高双组元推进剂贮存和供应系统的集成度，减低其包络尺寸。

应了解的是，上述一般描述及以下具体实施方式仅为示例性及阐释性的，其并不能限制本申请所欲主张的范围。

附图说明

下面的所附附图是本申请的说明书的一部分，其示出了本申请的实施例，所附附图与说明书的描述一起用来说明本申请的原理。

图1为现有串联式双组元推进剂贮存和供应系统的结构示意图。

图2为现有并联式双组元推进剂贮存和供应系统的结构示意图。

图3为本申请实施例一提供的一种双组元推进剂贮存和供应系统与推力器模块的连接结构示意图。

图4为本申请实施例二提供的一种双组元推进剂贮存和供应系统与推力器模块的连接结构示意图。

附图标记说明：

1、贮箱壳体；11、充气阀；12、安全阀；13、分舱隔板；

2、燃料组件；21、燃料膜盒组件；211、燃料膜盒；212、燃料顶盖；22、燃料封头；23、燃料路隔离阀及加排阀；24、燃料管路；

3、氧化剂组件；31、氧化剂膜盒组件；311、氧化剂膜盒；312、氧化剂顶盖；32、氧化剂封头；33、氧化剂路隔离阀及加排阀；34、氧化剂管路；

4、增压组件；41、高压气瓶；42、气路隔离阀；43、气流分配器；44、压力调节器；

5、推力器模块；

10、燃料贮箱；20、氧化剂贮箱；30、液路隔离阀。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将以附图及详细叙述清楚说明本申请所揭示内容的精神，任何所属技术领域技术人员在了解本申请内容的实施例后，当可由本申请内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本申请内容的精神与范围。

本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，但并不作为对本申请的限定。另外，在附图及实施方式中所使用相同或类似标号的元件/构件是用来代表相同或类似部分。

关于本文中所使用的“第一”、“第二”、…等，并非特别指称次序或顺位的意思，也非用以限定本申请，其仅为了区别以相同技术用语描述的元件或操作。

关于本文中所使用的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本创作。

关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。

关于本文中所使用的“及/或”，包括所述事物的任一或全部组合。

关于本文中的“多个”包括“两个”及“两个以上”；关于本文中的“多组”包括“两组”及“两组以上”。

关于本文中所使用的用语“大致”、“约”等，用以修饰任何可以细微变化的数量或误差，但这些微变化或误差并不会改变其本质。一般而言，此类用语所修饰的细微变化或误差的范围在部分实施例中可为20％，在部分实施例中可为10％，在部分实施例中可为5％或是其他数值。本领域技术人员应当了解，前述提及的数值可依实际需求而调整，并不以此为限。

某些用以描述本申请的用词将于下或在此说明书的别处讨论，以提供本领域技术人员在有关本申请的描述上额外的引导。

图1为现有串联式双组元推进剂贮存和供应系统的结构示意图。如图1所示，现有串联式双组元推进剂贮存和供应系统包括燃料贮箱10、氧化剂贮箱20、高压气瓶41、气路隔离阀42、压力调节器44、液路隔离阀30和推力器模块5。燃料贮箱10和氧化剂贮箱20串联设置在系统中。高压气瓶41通过气路隔离阀42和压力调节器44分别与燃料贮箱10和氧化剂贮箱20的入口连接，燃料贮箱10和氧化剂贮箱20的出口处均设置有液路隔离阀30，两个液路隔离阀30均通过管路与推力器模块5连接。

图2为现有并联式双组元推进剂贮存和供应系统的结构示意图。如图2所示，现有并联式双组元推进剂贮存和供应系统包括燃料贮箱10、氧化剂贮箱20、高压气瓶41、气路隔离阀42、压力调节器44、液路隔离阀30和推力器模块5。燃料贮箱10和氧化剂贮箱20并联设置在系统中。高压气瓶41通过气路隔离阀42和压力调节器44分别与燃料贮箱10和氧化剂贮箱20的入口连接，燃料贮箱10和氧化剂贮箱20的出口处均设置有液路隔离阀30，两个液路隔离阀30均通过管路与推力器模块5连接。

本申请提供的双组元推进剂贮存和供应系统能够有效解决现有常规布局方式的双组元推进剂贮存和供应系统所存在的包络尺寸大、空间利用率低以及结构质量重等问题。

本申请双组元推进剂贮存和供应系统包括贮箱壳体、燃料组件、氧化剂组件和增压组件。

燃料组件和氧化剂组件反向设置在贮箱壳体中，且燃料组件和氧化剂组件之间形成气腔空间。

位于燃料组件和氧化剂组件之间，在贮箱壳体上设置有充气阀。增压组件与充气阀连接。外部充气设备通过充气阀可以向增压组件中充入增压工质。增压组件用于向气腔空间充入增压工质。

在增压工质的挤压作用下，燃料组件用于向推力器模块排放燃料，氧化剂组件用于向推力器模块排放氧化剂。

本申请双组元推进剂贮存和供应系统使用前或交付前，先向燃料组件内加注燃料，向氧化剂组件内加注氧化剂，之后密封贮存。燃料组件和氧化剂组件分别对应起到密封隔离燃料和氧化剂的作用。

向增压组件内充入增压工质，之后密封贮存。其中，增压工质具体为增压气体工质。

本申请双组元推进剂贮存和供应系统工作时，增压组件向燃料组件和氧化剂组件之间形成的气腔空间内充入增压工质。在此状态下，燃料组件和氧化剂组件能够使燃料和氧化剂这两种推进剂均与增压气体工质隔离，从而保证推进剂均为液态而不夹杂气体。

在增压气体工质的挤压作用下，燃料组件向推力器模块排放燃料，氧化剂组件向推力器模块排放氧化剂。

本申请双组元推进剂贮存和供应系统能够有效解决现有双组元推进剂贮存和供应系统常规布局方式存在的包络尺寸大、空间利用率低、结构质量重的问题，有助于实现双组元推进剂贮存和供应系统集成化、小型化和轻量化的目标，能够显著提高航天飞行器姿轨控发动机系统的性能。

实施例一

图3为本申请实施例一提供的一种双组元推进剂贮存和供应系统与推力器模块的连接结构示意图。如图3所示，双组元推进剂贮存和供应系统包括贮箱壳体1、燃料组件2、氧化剂组件3和增压组件4。

其中，燃料组件2包括燃料膜盒组件21和燃料封头22。氧化剂组件3包括氧化剂膜盒组件31和氧化剂封头32。

燃料膜盒组件21和氧化剂膜盒组件31反向设置在贮箱壳体1中。燃料膜盒组件21和氧化剂膜盒组件31之间形成气腔空间。

燃料封头22设置在燃料膜盒组件21远离氧化剂膜盒组件31的一侧，燃料膜盒组件21与燃料封头22形成一封闭容腔，该封闭容腔即为燃料容腔。燃料封头22上设置有燃料路隔离阀及加排阀23。燃料容腔通过燃料路隔离阀和燃料管路24与推力器模块5连接；通过加排阀向燃料容腔内加注或泄出燃料液体。

氧化剂封头32设置在氧化剂膜盒组件31远离燃料膜盒组件21的一侧，氧化剂膜盒组件31与氧化剂封头32形成另一封闭容腔，该封闭容腔即为氧化剂容腔。氧化剂封头32上设置有氧化剂路隔离阀及加排阀33。氧化剂容腔通过氧化剂路隔离阀和氧化剂管路34与推力器模块5连接。通过加排阀向氧化剂容腔内加注或泄出氧化剂液体。

具体地，贮箱壳体1、燃料封头22和氧化剂封头32均采用金属材料制成。贮箱壳体1的材料与贮存的燃料或氧化剂一级相容。燃料封头22的材料与贮存的燃料一级相容。氧化剂封头32的材料与贮存的氧化剂一级相容。

贮箱壳体1与燃料封头22之间采用焊接或法兰连接方式进行连接。贮箱壳体1与氧化剂封头32之间采用焊接或法兰连接方式进行连接。

燃料路隔离阀及加排阀23通过焊接方式固定设置在燃料封头22上。氧化剂路隔离阀及加排阀33通过焊接方式固定设置在氧化剂封头32上。

进一步地，燃料膜盒组件21包括燃料膜盒211和燃料顶盖212。氧化剂膜盒组件31包括氧化剂膜盒311和氧化剂顶盖312。

在贮箱壳体1中，燃料膜盒211沿贮箱壳体1的长度方向设置在贮箱壳体1的一侧，氧化剂膜盒311沿贮箱壳体1的长度方向设置在贮箱壳体1的另一侧。燃料膜盒211靠近氧化剂膜盒311的一侧与燃料顶盖212固定连接，其相对侧与燃料封头22固定连接。氧化剂膜盒311靠近燃料膜盒211的一侧与氧化剂顶盖312固定连接，其相对侧与氧化剂封头32固定连接。

具体地，燃料膜盒211和氧化剂膜盒311均采用金属材料制成。燃料膜盒211的材料与贮存的燃料一级相容。氧化剂膜盒311的材料与贮存的氧化剂一级相容。

具体地，燃料膜盒211和燃料顶盖212之间可以采用焊接方式进行连接。氧化剂膜盒311和氧化剂顶盖312之间可以采用焊接方式进行连接。

优选地，燃料顶盖212向燃料膜盒211内部凹进，氧化剂顶盖312向氧化剂膜盒311内部凹进。燃料顶盖212和氧化剂顶盖312之间的气腔空间具体为一椭球形或球形空间。

可以将增压组件4设置在该椭球形或球形空间中，进一步提高系统的集成度，降低系统的包络尺寸。

另外，燃料封头22的形状与燃料顶盖212的形状匹配设置，燃料封头22向燃料膜盒211外部凸起，燃料封头22凸起的方向与燃料顶盖212凹进的方向一致。

氧化剂封头32的形状与氧化剂顶盖312的形状匹配设置，氧化剂封头32向氧化剂膜盒311外部凸起，氧化剂封头32凸起的方向与氧化剂顶盖312凹进的方向一致。

增压组件4包括高压气瓶41、气路隔离阀42和气流分配器43。高压气瓶41的入口与充气阀11连接，其出口通过气路隔离阀42与气流分配器43连接。具体地，增压组件4可以通过安装支架固定连接在贮箱壳体1内部或外部。

位于燃料组件2和氧化剂组件3之间，在贮箱壳体1上设置有充气阀11。增压组件4与充气阀11连接。外部充气设备通过充气阀11可以向增压组件4中充入增压工质。具体地，外部充气设备通过充气阀11向高压气瓶41中充入增压气体工质。

本申请双组元推进剂贮存和供应系统工作时，气路隔离阀42根据外部控制指令打开，高压气瓶41中贮存的高压气体通过气路隔离阀42和气流分配器43均匀喷入燃料组件2和氧化剂组件3之间形成的气腔空间中。

排液过程中，燃料膜盒组件21和氧化剂膜盒组件31逐渐向贮箱壳体1的两侧运动，直至推进剂排尽或下游推力器模块5的控制阀关闭；推进剂排尽时，燃料顶盖212与燃料封头22贴合，氧化剂顶盖312与氧化剂封头32贴合。

另外，增压组件4还包括压力调节器44，压力调节器44设置在气路隔离阀42和气流分配器43之间，并与气路隔离阀42和气流分配器43连接。压力调节器44用于将高压气瓶41输出的高压气体调节为系统所需压力的气体。

当不设置压力调节器44时，本申请双组元推进剂贮存和供应系统工作在落压工作模式。

在本实施例中，为保证双组元推进剂贮存和供应系统工作的安全性，贮箱壳体1上还设置有安全阀12。

具体地，充气阀11和安全阀12均通过焊接方式固定在贮箱壳体1上。

与传统双组元推进剂贮存和供应系统的常规布局方式相比，本申请双组元推进剂贮存和供应系统通过燃料组件2和氧化剂组件3共用一个贮箱壳体1的结构形式，能够节省一个燃料封头22和一个氧化剂封头32，节省燃料贮箱与氧化剂贮箱之间的安装结构，能够显著降低双组元推进剂贮存和供应系统的包络尺寸和结构重量。另外，通过将增压组件4设置在气腔空间中，能够进一步提高双组元推进剂贮存和供应系统的集成度，减低其包络尺寸。

实施例二

图4为本申请实施例二提供的一种双组元推进剂贮存和供应系统与推力器模块的连接结构示意图。本实施例提供的双组元推进剂贮存和供应系统的基本结构与实施例一相同，在此不再详细阐述。不同之处在于：在贮箱壳体1中增设分舱隔板13。

如图4所示，位于贮箱壳体1中，在燃料组件2和氧化剂组件3之间形成的气腔空间处设置分舱隔板13。分舱隔板13与贮箱壳体1长度方向的轴线垂直。分舱隔板13作为对燃料膜盒组件21与氧化剂膜盒组件31起密封和隔离作用的冗余结构，在燃料膜盒组件21和氧化剂膜盒组件31发生故障泄漏的情况下，对燃料和氧化剂进行隔离，使二者不会发生掺混、反应，从而提高系统的本质安全性和可靠性。

相应地，气流分配器43设置有两个，分别对应设置在分舱隔板13与燃料顶盖212形成的气腔空间以及分舱隔板13与氧化剂顶盖312形成的气腔空间中。安全阀12也设置有两个，分别设置在分舱隔板13两侧的贮箱壳体1上。

优选地，分舱隔板13设置在贮箱壳体1宽度方向的中轴线上，分舱隔板13的两端均与贮箱壳体1固定连接，分舱隔板13对气腔空间进行平分。

实施例三

本申请实施例三还提供了一种航天运载器，其包括实施例一和实施例二中的任一双组元推进剂贮存和供应系统。

以上所述仅为本申请示意性的具体实施方式，在不脱离本申请的构思和原则的前提下，任何本领域的技术人员所做出的等同变化与修改，均应属于本申请保护的范围。