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第8章 航天器的推进系统.ppt
- 5. 9.1 航天器推进系统用途 5 1 • 变轨控制和轨道转移 2 • 轨道保持和位置 3 • 交会与对接 4 • 入轨、离轨和再入 5 • 姿态控制 6 • 月球和行星上的着落和起飞 7 • 为航天员的舱外活动提供推力
- 6. 9.1 航天器推进系统分类 6 • 主动控制式有冷气推进系统、火箭推 进系统 7 • 被动控制式有重力推进系统等 控制 方式 区别是 什么？
- 7. 9.1 航天器推进系统分类 7 • 化学火箭能源与工质一体 7 • 特种火箭能源与工质分开 本质 区别 • 工质的概念：参与工作的物质 • 化学火箭：燃烧、高速喷射动能，反推力 肼、氢氧、液氧煤油等 • 特种火箭：加热/加速、喷射动能，反推力 汞、氨、氮、氢、氙、肼、空气
- 8. 9.1 航天器推进系统分类 8 • 化学火箭能源与工质一体 7 • 特种火箭能源与工质分开 本质 区别 • 工质的概念：参与工作的物质 • 化学火箭：燃烧、高速喷射动能，反推力 推力大、推质比大 • 特种火箭：加热/加速、喷射动能，反推力 推力小、比冲大、推质比小
- 9. 9.1 航天器推进系统分类 9 比 冲 • 或称比冲量，Specific Impulse • 单位推进剂的量所产生的冲量。如果 用重量描述推进剂的量，国际单位为 秒；如果用质量描述推进剂的量，国 际单位为米每秒。 • 由于在计算上比冲可以写为推力与推 进剂重量或质量流速之比，故又称比 冲为比推力
- 12. 9.2 航天器推进系统的特点 12 环境恶劣 • 在高真空和失重的空间环境中长期工作，并经受太 阳及其各恒星的空间辐射、工作环境恶劣 推力室的 推力较小 • 通常主发动机推力范围一般为0.5 kN~100 kN， 辅助发动机的推力范围仅为0.05 N~2 kN。产生 的反作用加速度一般小于重力加速度 工作方式 不同 • 多次起动，脉冲工作，响应快，脉冲宽度小。
- 13. 9.2 航天器推进系统的特点 13 工作 寿命长 • 累积工作次数或循环工作寿命，从几十次至几十万 次，有些在轨寿命高达10年左右 推力调节 范围大 • 航天器推进系统不仅能在额定推力下工作，而且可 根据不同任务的要求调节推力，推力调节范围较大， 最大推力可大于额定推力的10多倍 系统与结 构不同 • 发动机结构尺寸较小，工作参数较低，加工精度高。 一般采用挤压式供应系统
- 15. 9.2 航天器推进系统的要求 15 总体 基本 要求 • 响应快、动作快速 • 多次起动、脉冲工作 • 性能参数尽可能高。稳态性能如比冲，动态 性能如调节精度、过调量、响应时间等。 • 总质量小，一般为航天器总质量的5％左右 • 具有高可靠性。一般航天器为98～100％， 载人航天器要求100％ • 使航天器能够满足2个方面的要求:一是飞行 功能要求；二是系统性能要求
- 16. 9.2 航天器推进系统的要求 16 飞行 功能 要求 • 从发射轨道或转移轨道到地球静止轨道转移 时，在近地点和远地点点火工作提供推力 • 低轨道转移时提供低轨道到高轨道或离轨再 入控制的力与力矩 • 星际航行时推进系统应具有加速到第2和第3 宇宙速度的功能 • 旋转控制、轨道修正、轨道保持应急机动和 离轨机动、姿态基准的捕获、进动控制等提 供控制力与力矩
- 17. 9.2 航天器推进系统的要求 17 系统 性能 要求 • 可靠性。 97％-98％ • 接口。应考虑与结构系统、控制系统、热控 系统、遥测、遥控系统、电源系统、地面加 注设备、地面测试设备的接口 • 预计工作寿命 • 推进剂挤出效率 98．5％—99．5％ • 过滤。阀门和推力器等对污染物敏感部件的 上游都有过滤器
- 18. 9.2 航天器推进系统的要求 18 系统 性能 要求 • 泄漏。根据每个航天器规定泄漏指标(不影响 飞行任务) • 质量。干质量和满载时质量，推进剂装填量 应保证航天器完成飞行任务 • 混合比(双组元)。1.65±0．05(四氧化二氮／ 一甲基肼)；0.85±0.03(四氧化二氮／肼). • 冗余。减少有单点失效部件(不允许管道，贮 箱和接头破裂)；推力器具有备份，任何一台 失效，都不影响飞行任务。
- 19. 9.2 航天器推进系统的要求 19 系统 性能 要求 • 安全性。推进剂贮箱与推力器之间要求有2- 3个串联流动控制装置；发射期间应对高压 气体进行隔离；打开任一个流动装置不会引 起绝热爆炸(对单组元)、部件破坏或者工作 失常；所有有关材料都与推进剂相容。 • 可贮存性。推进剂在地面和轨道上，加注、 贮存和挤压方便。 • 遥测和遥控。对关键部件能进行遥测和遥控。 • 温控。保证推进剂和各部件在合理温度范围。
- 20. 9.2 航天器推进系统的要求 20 系统 性能 要求 • 可试验性，部件在地面可检测 • 不受限制连续或脉冲工作 • 推力器各台份之间性能误差15％之内 • 推进剂通过量至少1.5倍飞行任务要求 • 除个别部件外，连接点全是焊接；部件尽量 模块化设计 • 暴露在真空中底部件，选用材料应适应真空 环境和耐辐射
- 22. 9.3.1 航天器推进系统比较 22 推 进 系 统 轨道注入 离轨 机动 轨道 保持和 机动 姿态 控制 近地点 远地点 冷气推进 ＋ 固体推进 ＋ ＋ ＋ 液体 推进 单元 ＋ ＋ 双元 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ 双模式 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ 电推进 ＋ ＋ 注：表中“＋”为可使用。 表 航天器推进系统基本方案
- 23. 9.3.1 航天器推进系统比较 23 冷气 推进 系统 • 早期的航天器较多采用冷气推进，如苏联的 东方一号在人飞船、美国的空间实验室、德 法交响乐卫星的姿态控制等。随着液体推进 技术的成熟，冷气推进使用愈来愈少。 • 无污染、冲量小、成本低、简单、性能低， 仅对总冲量要求低的小卫星以及对排气污染 要求高的航天员机动装置才使用。 • 中国有些卫星仍采用冷气推进，主要是考虑 技术的继承性。
- 24. 9.3.1 航天器推进系统比较 24 冷气 推进 系统 • 早期的航天器较多采用冷气推进，如苏联的 东方一号在人飞船、美国的空间实验室、德 法交响乐卫星的姿态控制等。随着液体推进 技术的成熟，冷气推进使用愈来愈少。 • 无污染、冲量小、成本低、简单、性能低， 仅对总冲量要求低的小卫星以及对排气污染 要求高的航天员机动装置才使用。 • 中国有些卫星仍采用冷气推进，主要是考虑 技术的继承性。
- 25. 9.3.2 航天器推进系统确定方法 25 冷气 推进 系统 • 早期的航天器较多采用冷气推进，如苏联的 东方一号在人飞船、美国的空间实验室、德 法交响乐卫星的姿态控制等。随着液体推进 技术的成熟，冷气推进使用愈来愈少。 • 无污染、冲量小、成本低、简单、性能低， 仅对总冲量要求低的小卫星以及对排气污染 要求高的航天员机动装置才使用。 • 中国有些卫星仍采用冷气推进，主要是考虑 技术的继承性。
- 26. 9.3.3 输送系统及推进剂量确定 26 冷气 推进 系统 • 早期的航天器较多采用冷气推进，如苏联的 东方一号在人飞船、美国的空间实验室、德 法交响乐卫星的姿态控制等。随着液体推进 技术的成熟，冷气推进使用愈来愈少。 • 无污染、冲量小、成本低、简单、性能低， 仅对总冲量要求低的小卫星以及对排气污染 要求高的航天员机动装置才使用。 • 中国有些卫星仍采用冷气推进，主要是考虑 技术的继承性。
- 28. 9.4 神舟飞船推进系统 28
- 29. 9.4 神舟飞船推进系统 29
- 30. 9.4 神舟飞船推进系统 30
- 31. 9.4 神舟飞船推进系统 31
- 32. 9.4 神舟飞船推进系统 32
- 33. 9.4 神舟飞船推进系统 33 推进 系统 功能 • 正常飞行情况下，在船箭分离后控制、 返回制动、再入控制等所需的冲量，为 飞船飞行提供轨道机动、姿态； • 当飞船的轨道舱有留轨利用任务时，为 轨道舱的留轨飞行提供机动飞行和姿态 控制冲量； • 在飞船执行空间交会对接实验和空间实 验室或空间站的运输任务时提供小推力 平移和姿态控制所需的冲量；
- 34. 9.4 神舟飞船推进系统 34 推进 系统 功能 • 在发射段应急救生情况下，为逃逸的返 回舱提供再入控制动力。 • 在发射段运载火箭抛整流罩后，运载火 箭或飞船一旦出现严重故障需要逃逸救 生时，为飞船逃逸的调姿、制动及着陆 点控制或非正常入轨提供动力。
- 35. 9.4 神舟飞船推进系统 35 舱段 轨道舱 返回舱 推进舱 液体推进剂 无水肼 四氧化二氮和一甲基 肼 挤压气体 氨气 系统构成 气液 系统 无冗余的推进剂 供应系统1个贮 箱 ( 推 进剂加 注 量 1kg)1 个 气 瓶 (7L) 有冗余两路推进 剂供应系统，两 路之间可交叉供 应，2个贮箱(推 进 剂 加 注 量 为 14kg)1 个 气 瓶 (4.5L/个) 有冗余的两路独立的 推进剂供应系统，两 路之间可交叉供应4 个贮箱(推进剂加注量 约 为 900kg)6 个 气 瓶 (20L/个) 电子 产品 控制驱动器 推进变换器 控制驱动器 推进变换器 控制驱动器； 推进变换器 推进控温仪； 手控线路盒 发动机 16台姿控发动机 8 台 姿 控 发 动 机 (喷管折角为20º、 80º各4台) 4台轨控发动机，8台 大姿控发动机，16台 小姿控发动机 系统工作时间 留轨半年 返回再入 7天在轨运行
- 36. 9.4 神舟飞船推进系统 36 • 用于贮存增压气体的气瓶、用于贮存推进剂的贮箱、 用于控制气体或液体流动的阀门、用于提供推力的 发动机、用于各组件安装和承力的模块结构件等 机械 产品 • 用于测量温度、压力和位移的传感器、用于接收 GNC、数管和遥控指令并驱动电磁阀门的控制驱 动器、用于传感器遥测信号变换的推进变换器等 电子 组件 • 用于子系统内管路、阀门等的自动控温的推进 控温仪(仅推进舱推进子系统有)以及贮箱、阀 门和管路上的加热器、加热带、隔热包敷等 热控 组件
- 37. 9.4 神舟飞船推进系统 37
- 40. 9.4 神舟飞船推进系统 40 地面 故障 处理 对策 • 对船上故障处理结果进行复验，如船上 有误判，可通过地面遥控或指令注入方 式将船上故障处理结果恢复； • 对一些缓慢故障或参数变化不明显的故 障，地面借助其他相关参数或系统实时 仿真结果对故障进行判断和处理。
- 41. 9.4 神舟飞船推进系统 41 航天员 人工 控制 • 控制对象有：轨控发动机主、备份的开 和关，推进舱主副气路系统的隔断和接 通(高压自锁阀的开关)，推进舱轨控路主 副液路系统的隔断和接通，返回舱的主 副气路接通，返回舱加热的接通等。 • 自主控制手段或设备失效时采用航天员 人工控制，航天员根据严格的人工控制 判据和处理的要求实施人工控制。
- 42. 42 谢谢各位！