基于氫電弧推力器和氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的空間站水基推進(jìn)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及空間站推進(jìn)系統(tǒng)，特別是一種基于氫電弧推力器和氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的空間站水基推進(jìn)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]空間站是中國(guó)在研的最大規(guī)模的航天器，迎風(fēng)面積較大，且在低軌道上運(yùn)行，為了克服外層空間大氣阻力，維持軌道高度，需要消耗大量的推進(jìn)劑。現(xiàn)有的空間站的衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)沿用傳統(tǒng)的基于甲基肼/四氧化二氮的雙組元推進(jìn)系統(tǒng)，每年需要超過3000kg推進(jìn)劑用于空間站的正常運(yùn)行。
[0003]同時(shí)，載人空間站為了給長(zhǎng)期在軌工作宇航員提供生存必須的水和氧氣，空間站通過水電解系統(tǒng)電解水產(chǎn)生一定壓力的氫氧氣體，其中，氧氣主要用于維持空間站的氧氣環(huán)境，保證航天員呼吸，氫氣作為廢氣經(jīng)過處理后排出。目前，空間站運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生大量航天員生活廢水和電解廢氣(氫氣)，這些廢水和廢氣不僅難以得到利用，而且還需要耗費(fèi)額外的資源對(duì)其進(jìn)行處理和排放。
[0004]為了解決空間站在軌運(yùn)行推進(jìn)劑消耗巨大和空間站廢氣廢水難以有效利用的問題，需要提出一種能夠高效利用氫氧氣體產(chǎn)生推力的推進(jìn)系統(tǒng)。另外由于空間站廢氣廢水產(chǎn)生的氫氧氣體比例低于氫氧當(dāng)量比1:8，即氫氣多氧氣少且二者比例并不固定。因此需要推進(jìn)系統(tǒng)能夠?qū)溲鯕怏w有多種使用形式，可以在一定程度上調(diào)整氫氧氣體的消耗比例。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明解決的技術(shù)問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種基于氫電弧推力器和氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的空間站水基推進(jìn)系統(tǒng)，能夠高效利用空間站廢氣和廢水，并為空間站提供在軌運(yùn)行所需的推力，可為空間站每年節(jié)省推進(jìn)燃料25%以上。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:基于氫電弧推力器和氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的空間站水基推進(jìn)系統(tǒng)，包括廢水處理及電解模塊、氫氧存儲(chǔ)模塊、氫氧供給模塊、氫電弧推力器模塊、氣氫氣氧發(fā)動(dòng)機(jī)模塊，其中
[0007]廢水處理及電解模塊，包括廢水入口、第一氧氣出口、第一氫氣出口，過濾單元、電解單元;廢水入口接收空間站廢水送至過濾單元，過濾單元對(duì)廢水進(jìn)行過濾后送至電解單元，電解單元對(duì)過濾后的廢水進(jìn)行電解得到氧氣、氫氣，將氧氣經(jīng)第一氧氣出口送至氫氧存儲(chǔ)模塊，將氫氣經(jīng)第一氫氣出口送至氫氧存儲(chǔ)模塊；
[0008]氫氧存儲(chǔ)模塊，包括第一氧氣入口、第二氧氣出口、第一氫氣入口、第二氫氣出口、氧充填裝置、高壓氧氣瓶、氫充填裝置、高壓氫氣瓶;第一氧氣入口接收氧氣，并將氧氣經(jīng)氧充填裝置送至高壓氫氣瓶，第一氫氣入口接收氫氣，并將氫氣經(jīng)氫充填裝置送至高壓氫氣瓶，氧充填裝置調(diào)節(jié)第一氧氣入口或高壓氧氣瓶氣壓，使第一氧氣入口處氧氣氣壓大于高壓氧氣瓶?jī)?nèi)氧氣氣壓且低于高壓氧氣瓶額定存儲(chǔ)氣壓，氫充填裝置調(diào)節(jié)第一氫氣入口或高壓氫氣瓶氣壓，使第一氫氣入口處氫氣氣壓大于高壓氫氣瓶?jī)?nèi)氧氣氣壓且低于高壓氫氣瓶額定存儲(chǔ)氣壓，高壓氧氣瓶存儲(chǔ)氧氣，并將氧氣經(jīng)第二氧氣出口送至氫氧供給模塊，高壓氫氣瓶存儲(chǔ)氫氣，并將氫氣經(jīng)第二氫氣出口送至氫氧供給模塊；
[0009]氫氧供給模塊，包括第二氧氣入口、氧減壓器、第三氧氣出口、第二氫氣入口、氫減壓器、第三氫氣出口、第四氫氣出口 ；
[0010]第二氧氣入口接收氧氣后送至氧減壓器，氧減壓器將氧氣進(jìn)行降壓，得到降壓后的氧氣并送至第三氧氣出口，第三氧氣出口將氧氣送至氣氫氣氧發(fā)動(dòng)機(jī)模塊，第二氫氣入口接收氫氣后送至氫減壓器，氫減壓器將氫氣進(jìn)行降壓，得到降壓后的氫氣并分別送至第三氫氣出口、第四氫氣出口，第三氫氣出口將氫氣送至氣氫氣氧發(fā)動(dòng)機(jī)模塊，第四氫氣出口將氫氣送至氫電弧推力器模塊；
[0011 ]氫電弧推力器模塊，包括第三氫氣入口、氫電弧推力器支路;第三氫氣入口接收氫氣后送至氫電弧推力器支路，氫電弧推力器支路包括流量控制器、氫電弧推力器，流量控制器接收外部流量指令，根據(jù)流量指令控制送至氫電弧推力器的氫氣流量，氫電弧推力器產(chǎn)生用于空間站的動(dòng)量輪卸載及姿態(tài)位置控制的推力，其中，氫電弧推力器支路為至少2個(gè)；所述的流量指令包括輸送至氫電弧推力器的氫氣流量；
[0012]氣氫氣氧發(fā)動(dòng)機(jī)模塊，包括第三氧氣入口、第四氫氣入口、氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)支路;第三氧氣入口接收氧氣后送至氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)支路，第四氫氣入口接收氫氣后送至氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)支路，氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)支路中的氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生用于空間站的高度保持的推力，其中，氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)支路為至少2個(gè)。
[0013]所述的氣氫氣氧發(fā)動(dòng)機(jī)模塊中氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)需要的氧氣和氫氣重量比為4-8。
[0014]所述的高壓氧氣瓶或高壓氫氣瓶的額定存儲(chǔ)氣壓為2_15MPa。
[0015]所述的降壓后的氧氣或降壓后的氫氣的氣壓為1.4MPa_1.6MPa。
[0016]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0017](1)本發(fā)明通過合理配置廢水處理及電解模塊、氫氧存儲(chǔ)模塊、氫氧供給模塊、氫電弧推力器模塊、氣氫氣氧發(fā)動(dòng)機(jī)模塊，形成基于氫電弧推力器和氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的空間站水基推進(jìn)系統(tǒng)，滿足了空間站有效處理廢氣和廢水，節(jié)省推進(jìn)燃料這兩項(xiàng)需求，解決了目前設(shè)計(jì)的空間站燃料補(bǔ)給周期偏短的問題；
[0018](2)本發(fā)明引入氫電弧推力器模塊，通過配置氫電弧推力器模塊中氫電弧推力器的功率、數(shù)量和工作量來調(diào)節(jié)整個(gè)系統(tǒng)消耗的氧氣和氫氣比例，克服了現(xiàn)有水基推進(jìn)系統(tǒng)單純使用混合比4-8的氣氫氣氧推力器難以將目前空間站廢氣廢水產(chǎn)生的混合比小于4的氧氣和氫氣完全有效利用的缺陷，具有能高效利用不同比例的氧氣和氫氣的優(yōu)點(diǎn)；
[0019](3)本發(fā)明中氫電弧推力器模塊用于空間站的動(dòng)量輪卸載、姿態(tài)位置的高精度控制，氣氫氣氧發(fā)動(dòng)機(jī)模塊用于空間站的高度保持，克服了現(xiàn)有水基推進(jìn)系統(tǒng)需要采用不同推力量級(jí)的氣氫氣氧發(fā)動(dòng)機(jī)完成所有任務(wù)，導(dǎo)致的比沖偏低、推力器設(shè)計(jì)難度大的缺陷，解決了精確小推力長(zhǎng)時(shí)間工作的空間氣氫氣氧發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)難題；
[0020](4)本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了對(duì)空間站廢氣和廢水的有效利用，產(chǎn)生空間站所需的在軌維持推力，每年可為空間站節(jié)省推進(jìn)劑25%以上推進(jìn)劑。
【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明基于氫電弧推力器和氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的空間站水基推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
[0022]圖2為本發(fā)明廢水處理及電解模塊結(jié)構(gòu)圖；
[0023]圖3為本發(fā)明氫氧存儲(chǔ)模塊結(jié)構(gòu)圖；
[0024]圖4為本發(fā)明氫氧供給模塊結(jié)構(gòu)圖；
[0025]圖5為本發(fā)明氣氫氣氧發(fā)動(dòng)機(jī)模塊；
[0026]圖6為本發(fā)明氫電弧推力器模塊。
【具體實(shí)施方式】
[0027]針對(duì)空間站運(yùn)行過程中產(chǎn)生的大量生活廢水和電解廢氣(氫氣)難以得到利用且需要耗費(fèi)額外的資源對(duì)其進(jìn)行處理和排放的缺陷，本發(fā)明提出一種基于氫電弧推力器和氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的空間站水基推進(jìn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過電解處理廢水產(chǎn)生氫氣和氧氣，將電解廢水產(chǎn)生的氫氧氣體和空間站生保系統(tǒng)排放的廢棄氫氣收集起來供給到氫電弧推力器和氣氫氣氧發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，氫電弧推力器利用氫氣產(chǎn)生推力，氣氫氣氧發(fā)動(dòng)機(jī)利用氫氧氣體產(chǎn)生推力。本發(fā)明系統(tǒng)通過氫電弧推力器和氣氫氣氧發(fā)動(dòng)機(jī)的組合使用，使載人空間站的廢氣和廢水得到高效利用，為空間站提供可觀的在軌運(yùn)行動(dòng)力，根據(jù)估算，該系統(tǒng)每年可為空間站節(jié)省推進(jìn)燃料25%以上，大大降低載人空間站的獨(dú)立運(yùn)行成本。
[0028]基于氫電弧推力器和氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的空間站水基推進(jìn)系統(tǒng)包括廢水處理及電解模塊、氫氧存儲(chǔ)模塊、氫氧供給模塊、氫電弧推力器模塊、氣氫氣氧發(fā)動(dòng)機(jī)模塊。廢水處理及電解模塊利用空間站廢水電解產(chǎn)生氫氧氣體。氫氧存儲(chǔ)模塊將空間站廢棄的氫氣和由廢水及電解模塊產(chǎn)生的氫氧氣體收集，并以一定壓力存儲(chǔ)。氫氧供給模塊將氫氧存儲(chǔ)模塊存儲(chǔ)的高壓氫氧氣體通過減壓和流量控制，按照一定的壓力和流量供給到氫電弧推力器模塊和氣氫氣氧發(fā)動(dòng)機(jī)模塊。氫電弧推力器模塊利用氫氣產(chǎn)生推力。氣氫氣氧發(fā)動(dòng)機(jī)模塊利用氫氣和氧氣產(chǎn)生推力。
[0029]下面根據(jù)附圖對(duì)本發(fā)明系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0030]基于氫電弧推力器和氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的空間站水基推進(jìn)系統(tǒng)如圖1所示包括:廢水處理及電解模塊1、氫氧存儲(chǔ)模塊2、氫氧供給模塊3、氫電弧推力器模塊4、氣氫氣氧發(fā)動(dòng)機(jī)模塊5，其中，廢水處理及電解模塊1的廢水處理及電解模塊氧氣出口 8與氫氧存儲(chǔ)模塊2的氫氧存儲(chǔ)模塊氧氣入口 9相連。廢水處理及電解模塊1的廢水處理及電解模塊氫氣出口 7與氫氧存儲(chǔ)模塊2的氫氧存儲(chǔ)模塊氫氣入口 16相連。氫氧存儲(chǔ)模塊2的氫氧存儲(chǔ)模塊氧氣出口 12與氫氧供給模塊3的氫氧供給模塊氧氣入口 17相連。氫氧存儲(chǔ)模塊2的氫氧存儲(chǔ)模塊氫氣出口 13與氫氧供給模塊3的氫氧供給模塊氫氣入口 23相連。氫氧供給模塊3的氫氧供給模塊氧氣出口 19與氣氫氣氧發(fā)動(dòng)機(jī)模塊5的氣氫氣氧發(fā)動(dòng)機(jī)模塊氧氣入口 24相連。氫氧