一种应用于高轨卫星的水基推进系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种一种应用于高轨卫星的水基推进系统及方法，其中，该系统包括电源、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。本发明专利技术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。

A Water-based Propulsion System and Method for High Orbit Satellite

【技术实现步骤摘要】
一种应用于高轨卫星的水基推进系统及方法
本专利技术属于空间推进
，尤其涉及一种应用于高轨卫星的水基推进系统及方法。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：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。本专利技术目的通过以下技术方案予以实现：根据本专利技术的一个方面，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。根据本专利技术的另一方面，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本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种应用于高轨卫星的水基推进系统，其特征在于包括：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)和牛级气氢气氧姿控发动机(6)；其中，电源(1)、水箱(5)分别与静态供水质子交换膜电解池(2)相连，静态供水质子交换膜电解池(2)的氢气路和氧气路分别与氢氧管理系统(3)的氢气入口和氧气入口相连，氢氧管理系统(3)氢气路和氧气路出口分别与百牛级气氢气氧轨控发动机(4)的氢气入口和氧气入口相连，氢氧管理系统(3)氢气路和氧气路出口分别与牛级气氢气氧姿控发动机(6)的氢气入口和氧气入口相连；电源(1)为静态供水质子交换膜电解池(2)供电；水箱(5)为静态供水质子交换膜电解池(2)供低压去离子水；静态供水质子交换膜电解池(2)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(3)；氢氧管理系统(3)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(4)和牛级气氢气氧姿控发动机(6)，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(4)和牛级气氢气氧姿控发动机(6)；百牛级气氢气氧轨控发动机(4)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(6)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。...

【技术特征摘要】
1.一种应用于高轨卫星的水基推进系统，其特征在于包括：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)和牛级气氢气氧姿控发动机(6)；其中，电源(1)、水箱(5)分别与静态供水质子交换膜电解池(2)相连，静态供水质子交换膜电解池(2)的氢气路和氧气路分别与氢氧管理系统(3)的氢气入口和氧气入口相连，氢氧管理系统(3)氢气路和氧气路出口分别与百牛级气氢气氧轨控发动机(4)的氢气入口和氧气入口相连，氢氧管理系统(3)氢气路和氧气路出口分别与牛级气氢气氧姿控发动机(6)的氢气入口和氧气入口相连；电源(1)为静态供水质子交换膜电解池(2)供电；水箱(5)为静态供水质子交换膜电解池(2)供低压去离子水；静态供水质子交换膜电解池(2)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(3)；氢氧管理系统(3)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(4)和牛级气氢气氧姿控发动机(6)，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(4)和牛级气氢气氧姿控发动机(6)；百牛级气氢气氧轨控发动机(4)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(6)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。2.根据权利要求1所述的应用于高轨卫星的水基推进系统，其特征在于：所述氢氧管理系统(3)包括氢气直接充填模块(7)、氢气泵增压模块(8)、高压氢气瓶(9)、氢路压力流量控制模块(10)、氧气直接充填模块(12)、氧气泵增压模块(11)、高压氧气瓶(13)和氧路压力流量控制模块(14)；其中，静态供水质子交换膜电解池(2)的氢气路分成两路分别与氢气直接充填模块(7)和氢气泵增压模块(8)相连；氢气直接充填模块(7)与氢气泵增压模块(8)并联后与高压氢气瓶(9)相连；高压氢气瓶(9)与氢路压力流量控制模块(10)相连；静态供水质子交换膜电解池(2)的氧气路分成两路分别与氧气直接充填模块(12)和氧气泵增压模块(11)相连；氧气直接充填模块(12)与氧气泵增压模块(11)并联后与高压氧气瓶(13)相连；高压氧气瓶(13)与氧路压力流量控制模块(14)相连。3.根据权利要求1所述的应用于高轨卫星的水基推进系统，其特征在于：静态供水质子交换膜电解池(2)接受水箱(5)提供的0.1MPa低压去离子水，电源(1)的电能直接电解出3MPa以上高压氢气和高压氧气。4.根据权利要求2所述的应用于高轨卫星的水基推进系统，其特征在于：静态供水质子交换膜电解池(2)电解出高压氢气，当需要高压氢气瓶(9)存储压力不超过静态供水质子交换膜电解池(2)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(7)直接充填到高压氢气瓶(9)中；当需要高压氢气瓶(9)存储压力超过静态供水质子交换膜电解池(2...

【专利技术属性】
技术研发人员：林震，尹文娟，唐飞，王猛杰，宋涛，焦焱，李泽，
申请(专利权)人：北京控制工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11