用于宇宙飞船推进系统的组合式贮存系统和方法

摘要

本发明公开了一种双推进剂装填系统，该系统与宇宙飞船一起使用，主要包括推进剂贮存罐、两个移动式推进剂装填罐，一移动式称重系统、一与移动式称重系统连通的重量显示装置、一惰性气体供给装置和一压力装填控制盘。本发明还公开了一种将推进剂装填到一具有推进剂贮存罐的宇宙飞船中的方法。

说明书

本发明一般涉及与宇宙飞船推进系统一起使用的推进剂运送系统，具体涉及一种用来为宇宙飞船推进系统贮运推进剂的组合式贮运系统和方法。

本发明的受让人制造和发射这样一种宇宙飞船，即这种飞船在轨道上优化其定位及定向时使用飞船上对飞船进行定向和定位的推进器。这种飞船在发射前，已知由燃料(肼)和氧化剂(N₂O₄)组成的两部分型推进剂或称双推进剂被装填到飞船上分开的贮存罐中。使用时，这两种双推进液态推进剂由计算机控制在一高压间中结合，使得所选定的推进器工作，从而使飞船具有适宜的方位。

直到现在，一直使用一种复杂的流程以获取，输送和装填这种添入到宇宙飞船中的双推进剂型的液态推进剂。这种流程费时且费用高，并对环境和安全造成许多不必要的危害。这种流程在此将对照附图1进行描述。具体地说，图1给出了一流程图，该图展示了一种常用的用于获取、运输双推进剂型液态推进剂并将其装填在宇宙飞船中的流程(10)。肼和氧化剂液态推进剂的供给商在步骤(11，12)中按要求分别地填满足够数量的55加仑燃料筒和各自推进剂的小型氧化剂容器以供应定货。使用55加仑燃料筒和小型氧化剂容器是因为运输部门要求在将剧毒和危险的双推进剂材料运送到宇宙飞船发射场时必须使用这样的容器。在步骤(13)中，这些满载的55加仑燃料筒和小型氧化剂容器随燃料和氧化剂的运输车一起运到发射场。

在发射场，步骤(14)中，燃料运输车和55加仑燃料筒被就位并准备进行燃料输送。类似地，在步骤(15)中，氧化剂运输车和小型氧化剂容器也被就位并准备进行氧化剂输送。在步骤(16)中，准备一分子筛用来在运输车运输期间从N₂O₄氧化剂中除去铁(Fe)。迄今为止，所有的推进剂装填过程一般都有这样的步骤。接着，在步骤(17)中，燃料从燃料筒泵入一燃料加注车中。接着，在步骤(18)中，氧化剂从小型氧化剂容器中输送到一氧化剂加注车中。这两个步骤反复进行，将燃料和氧化剂从每个需要的燃料和氧化剂容器中输送到各自对应的加注车中。当燃料和氧化剂完全输送到各自对应的加注车后，在步骤(19，21)中对每个加注车进行检测，测定是否由于运输而使这二种液态推进剂中混有杂质。随后，在步骤(22)中，推进剂被调温5天。这种调温过程可保证推进剂的温度基本与宇宙飞船的温度一致，同时保证燃料和氧化剂的氦饱和。随后，在步骤(23)中，利用氦气分别对燃料和氧化剂加注车进一步加压，迫使燃料或氧化剂离开其加注车分别进入宇宙飞船中各自对应的贮存罐。接着，在步骤(24)中，装填设备、分子筛和加注车按照运输部门对危险品运输的规定进行清洗。然后，在步骤(26)中，对燃料和氧化剂筒进行清洗并将其返回到各自的供给商或视具体情况进行处理。返回到供给商的氧化剂推进剂容器可再次装填和使用。

正如从上述说明中已经清楚知道的那样，流程(10)复杂、费时，危害环境并可能对辅助其工作的人员造成伤害。该流程对于一个一般的宇宙飞船而言，大约需要35天才能完成。如此长的时间周期和所要求的采样方式大幅度地提高了将推进剂装填到宇宙飞船贮存罐所需的费用。

因此，本发明的目的是，提供这样一种系统和方法，即，该系统和方法可以对现有流程进行改进并给出一种高效率、低成本、有益于环境的方式，用以获取和输送双推进剂并将其装填到宇宙飞船中。

为了实现上述及其它的目的，现已随一种新的装填流程设计制造了用于双推进剂宇宙飞船加注的改进型地面辅助设备，用以将推进剂装填到宇宙飞船中。具体地说，本发明是一种与宇宙飞船一起使用的推进剂装填系统，这种宇宙飞船具有燃料推进剂和氧化剂推进剂贮存罐且每个贮存罐都分别具有推进剂进口和排放口。本发明的系统具有移动式燃料推进剂和氧化剂推进剂装填罐(容器)，用于贮存推进剂并有选择地将其运送到宇宙飞船中对应的燃料推进剂和氧化剂推进剂的贮存罐中。每个推进剂装填容器都由一圆筒形、具有电抛光内表面的不锈钢罐构成。一个移动式称重系统也设置在本发明的系统中，它由若干载荷传感器构成，这些传感器用于产生表征每个推进剂装填罐和推进剂重量的信号。一个载荷传感器显示装置与上述移动式称重系统连接，用于产生推进剂装填罐和推进剂重量的输出显示。燃料接收罐和氧化剂接收罐与宇宙飞船中各自对应的推进剂罐的排放口连通。本发明的系统中还设置有一第二称重系统，该系统由若干载荷传感器构成，用于产生表征每个接收罐重量的输出信号。一第二载荷传感器显示装置与上述第二称重系统连接用于给出接收罐重量的输出显示。本发明的系统中也还设有一惰性气体(如氦气或氮气)供给装置，并且一个压力装填控制盘被有选择地安装在气源和推进剂装填罐之间，以用压力将液体推进剂推出推进剂装填罐并推入在飞船上的推进剂存贮罐中。

一种将推进剂装填到一宇宙飞船的方法包括将推进剂放在移动式推进剂装填罐中贮运，该装填罐也考虑到推进剂的气体吸收调控和推进剂的温度调控。推进剂的温度调控可利用移动式推进剂装填罐实现。而通过让卖主/供给商对推进剂装填罐进行充氦后增压(根据温度与压力的关系)，可以使宇宙飞船贮存罐的充氦后平衡增压更准确些，这是因为在液体推进剂中氦气饱和状态的准确模拟被实现。这就可以更准确地预测宇宙飞船贮存罐装填后的压力，从而可使贮存罐压力符合可适用的发射场和发射车辆的安全规定。在将推进剂装填罐与宇宙飞船中对应的贮存罐连接并接着有选择地对移动式装填罐增压之后，推进剂被传输到宇宙飞船中对应的存贮罐之中。本发明还可以包括：在推进剂传输期间对每个推进剂罐(和其中的推进剂)称重；将宇宙飞船中的每个推进剂罐与一接收罐连通；和在推进剂传输期间对每个接收罐J(和其中的推进剂)称重；在本方法中，推进剂传输到宇宙飞船中每个推进剂贮存罐的数量等于二次称量之间的差值。

本发明的地面辅助设备可以在满足所有用发射场和宇宙飞船配合设施所提出的要求的同时，使宇宙飞船推进剂在发射场以所要求的压力进行装填。双推进剂宇宙飞船装填作业方式与本发明受让人所制造的现有宇宙飞船诸如lntelet HS-393和early HS-601和HS-376W等飞船的装填作业方式一模一样。虽然这种飞船装填作业方式的类别没有变化，但是地面辅助设备变了，整个装填流程是新的并经过改进。新的地面辅助设备是一移动式系统。该系统和现有系统之间的主要差异在于，推进剂装填罐替代了55加仑燃料筒和小型氧化剂容器、替代了常用的燃料和氧化剂加注舱，并且给出了一种先进的推进剂调控方式。通过取消各个加注舱，下述作业已经被取消，并由此产生出一种改进的推进剂装填流程。已经被取消的作业包括燃料运输车就位和燃料供给，燃料的取样、氧化剂运输车和分子筛就位和进行氧化剂供给、氧化剂取样、燃料运输车结束燃料供给、氧化剂运输车和分子筛结束氧化剂供给、燃料筒污物清洗、危险材料排放、Freon和异丙基乙醇的消除(只有宇宙飞船结束加注才能此项作业)和推进剂温度调控。

在本发明中，分子筛不再需要。推进剂装填容器具有多功能，可以作为推进剂运输容器和宇宙飞船加注罐。全部的推进剂装填罐都是DOT(110A500W)承认和UN验证的，它们的内表面都进行了电抛光，以防止来自容器上的铁(Fe)溶解进入N₂O₄氧化剂中。这种装填罐可以简化发射基地包括运输和取样在内的业务范围。此前，当燃料和氧化剂从各自的运输容器中传输到加注车中之后才在发射场进行推进采样。需要这样的取样流程来证实加注车和推进剂符合技术要求限定的范围。而取消推进剂在发射场向加注车输送可使取样不必在发射场进行。符合军用技术要求的液体推进剂可以在推进剂装填罐装填之后运输之前，通过由供给商所完成的化学分析进行验证。然而，必须保持在发射场进行临时采样，以便当运输期间推进剂装填罐损坏或有微小泄漏时可以提供制度上的保障。燃料和氧化剂的氦饱和处理始于供给商充填推进剂装填罐，而推进剂温度调控始于容器到达或接近发射场的时候。

实施上述作业，发射工作可以被简化，发射费用至少可以降低50％，宇宙飞船推进剂的整个装填周期可以从35天减少到17天，环境可以得到保护，并且各种质量和安全的最高标准可以得到满足。

参照下面结合附图所作出的详细描述，可以更容易地理解本发明的各种特点和优点。在下面的描述中，相同的标记表示相同的结构件，并且在附图中：

图1是一流程图，示出了用于获取、运输双推进剂型液体推进剂并将其装填到宇宙飞船的现有流程；

图2表示了一按照本发明原理的双推进剂装填系统；

图3是一流程图，示出了一利用图2的双推进剂装填系统获取、运输双推进剂型液体推进剂并将其装填到宇宙飞船的工艺流程；

图4由图4a-4c构成；示出了用于图2的双推进剂装填系统的推进剂罐的三视图。

图5是一详细的原理图，详细表示了一适用于装填燃料或氧化剂的双推进剂装填系统。    

现参照附图，图2表示了一种按照本发明构思的双推进剂装填系统30。双推进剂装填系统30适于将双推进剂型液体推进剂装入宇宙飞船31。图2所示的双推进剂装填系统30只示出了装填系统30的一半(或称第一部分)，例如是用于装填燃料的那一半。装填系统30的基本相同的另一部分(或称第二部分)用于装填氧化剂。下面仅参照附图2给出和描述系统30与本发明最相关的零部件。

双推进装填系统30由若干移动式燃料和氧化剂推进剂装填罐32构成(一般由两个250加仑罐32构成)，罐32用于运输和贮存燃料及氧化剂)。每个推进剂装填罐32放置在一称重系统33上，该称重系统33包括若干载荷传感器34，传感器34可以给出置于称重系统33之上的推进剂装填罐32重量的输出信号表示。该输出信号与一载荷传感器显示装置35连接。

一个接收罐36设置在一第二称重系统37上。第二称重系统37具有若干载荷传感器38，这些传感器38可以提供表征设置在其上的接收罐36重量的输出信号。输出信号与一第二载荷传感显示装置3 9连接。一压力装填控制盘41通过一阀43与一惰性气体供给装置42(氦气或氮气)连通。氦气供给装置42将压力提供给系统30；以便将燃料或氧化剂推进剂输送给飞船31。压力装填控制盘41通过两个阀60，46与推进剂装填罐32的一压力输入部分连通。推进剂装填罐32的一输出部分通过初级输出阀44，45与燃料或氧化剂阀47，48连通，燃料或氧化剂阀47，48分别通过阀50，51与飞船31中的推进剂(燃料或氧化剂)贮存罐49连通。

一通气阀53与宇宙飞船31中的每个推进剂贮存罐49都连接，以便在宇宙装填推进剂期间，为燃料和氧化剂提供一汽化或溢流的出口通道以防止蒸汽闭锁。这种燃料和氧化剂的汽化和溢流被截收称重并贮存在接收罐36中。若干个阀57，54，55，56，57，58，59可用来控制经过系统30的汽化的燃料和氧化剂进入接收罐36。阀59，46，45，44，47，48，50，51，52，53，54，55，56，57，58，59，压力装填控制盘41和接收罐36都是现有常用的，并且这种阀的布置方式也是现在将燃料和氧化剂的液体推进剂输送给飞船31所一直采用的方式。

图3是一流程图，图示了一种应用图2的双推进剂装填系统30来获取，输送双推进的液体推进剂并将其装填到飞船31中的流程(70)。在流程(70)中，N₂O₄氧化剂和一甲基联胺(MMH)燃料的制造者或供给者用燃料和氧化剂在步骤(71，72)中填充相应的装填罐32。然后，制造者或供给者在步骤73中从每个装填罐32中取出作为试样的燃料和氧化剂，以便检定是否有其它杂质混合在其中，在该步骤中同时完成液体推进剂的氦气饱和。N₂O₄氧化剂制造商验证低铁含量不超过N₂O₄＝Mon3(Fe)MIL的特别要求并且其中没有其它杂质。每个制造者或供给者在装运之前验证燃料和氧化剂装填罐32的内容满足军事规范。

在飞船运行之前，已验证的液体推进剂装填罐32被运送或输送到指定的危险处理设置中，在此宇宙飞船31将被装填并进行长达5天的分阶段温度调控(步骤75)。在步骤75中的温度调控确保推进剂的温度基本与飞船31的温度一样，同时最后检查和调整一下燃料氧化剂的氦气饱和。在步骤(76)中，每个燃料和氧化剂装填罐32可以进一步用氦气加压，从而将燃料或氧化剂压出该移动式装填罐而进入各自在航天飞机31上的贮存罐49。当该航天飞机贮存罐装填后，在步骤(77)中，压力装填控制盘41用氦气吹干吹净或反运行。接着，在步骤(78)中，推进剂装填罐32返回到各自的制造者或供给者以便再次装填和使用。

图4中由图4a-4c组成，示出了在图2的双推进剂装填系统30中使用的推进剂装填罐32的剖开的侧视图和各端视图，推进剂装填罐32是一304L不锈钢罐，具有电抛光的内表面，装填罐32具有一通过阀44，45与压力装填控制盘41连通的进口装置95和通过阀46，47，48中特定的一个与飞船31连通的一出口装置96，在此，这些阀具体哪个连通取决于装填罐是否用于燃料或用于氧化剂。装填罐32包括若干检验孔97和一个在输送期间保护输入和输出阀45，46的罐帽98，并且还包括一提供辅助密封的密封垫圈99密封。装填罐32例如可以具有大约102英寸的长度，大约30英寸的直径和1/2至5/8英寸的壁厚。装填罐32可以承受大约500帕的压力。装填罐32一般可以具有惯常的结构，但需由304L不锈钢制造，该不锈钢要求在焊接工艺及其它工艺上有别于碳钢，并且具有电抛光的内表面，如此使其有别于惯用的燃料和氧化剂罐。

图5给出了用于装填燃料或氧化剂的双推进剂装填系统30的详细原理图。除了上面参照图2所描述的元件以外，图5中还示出了增添的零部件，诸如，调整器82，仪表83，连接装置84，过滤器85，减压阀87，检查阀88，控制阀89，吸收器90，观察孔61的不锈钢管道91。考虑到系统30的管道装置是现有技术中常用的，故在此不再详细地描述。可以确信，本专业的普通技术人员能够很容易地将装填罐32，接收罐30和贮存罐49连通。双推进剂装填系统30包括推进剂检测装置81，一由接收罐36和附带的称量系统37，38，39构成的接收系统40。一用于控制推进剂传送的压力装填控制板41，推进剂装填罐32和称重系统33以及飞船31。

下面描述本发明使用时的操作要点。下面的操作发生在关于与已验定的飞船运行过程同时的一个HS601飞船进行双推进剂装填操作中。推进剂装填罐32被分层放置在一发射场燃料供应设施中进行5天(120小时)的温度调节。称重系统33放置在该燃料供应室中。称重系统33进行预装填标定和功能检查。压力装填控制板41，低压检测装置81，接收罐36和双推进剂装填系统30设置在一靠近称重系统33和飞船31的地方。

氧化剂推进剂装填罐32设置在称重系统33上。在全部管线联接器联接完成后，进行一次全面的泄漏检查。接着，燃料和氧化剂被分别输送到在飞船31中的贮存罐49。在贮存罐49已装满燃料/氧化剂后，推进剂装填系统30被加压到一指定的飞行压力。在上述操作之后，飞船装填和排放阀被关闭和固定，通信飞船的推进剂装填管线被抽吸，泄放，断接和盖封。残留物被压力排到各自的接收罐36中，在每个罐32，36上的阀被关闭，盖封，固定并分极以备运回。上述操作反复进行，从而利用燃料推进剂装填罐32可将燃料装填到飞船31中。双推进剂装填系统31利用氮气反向运行进行吹干，这样可以避免使用Freon和其它能够产生危险废物的清洗溶剂。在停止使用操作之后，整个设备固定和包装，以备运回。

移动式推进装填罐32用作推进剂运送罐是DOT批准并经UN验证的，可以保证飞船31的推进剂装填。推进剂装填罐32的内部经过电抛光。进行电抛光是为了防止不锈钢中的铁溶解释放进入N₂O₄氧化剂中。

移动式称量系统33具有一机械式称盘，在宇宙飞船装填期间可以支承推进剂装填罐32并测量推进剂的卸出。这就允许按重量或质量提供和核实适合的充填份额。称重系统33由不锈钢构成，具有四个液压承载传感器34。电子显示装置35包括防爆开关被装在满足所有HAZMAT规定的防爆金属构件之中。

压力/装填板41被设计成为一种复式系统。第一系统用于将推进剂从推进剂装填罐32输送到在飞船31中的贮存罐49之中。第二系统用于保证飞船31装填后的增压。压力装填板41使得一操纵者在进行传输及飞船31装填后的增压期间可以很容易地使用飞船液体装填阀并增加了压力监测的可视性。

接收罐36和现有装填操作中使用的接收罐一样。接收罐36用于接收溢流和装填蒸发出来的燃料和氧化剂。每个接收罐36由一50加仑的不锈钢罐构成，该罐满足ASME压力容器规则，具有4∶1的安全系数，最大工作压力为100帕。在飞船推进剂传输操作中，接收罐36放置在第二称重系统37上。接收罐36的皮重去除后便可以准确的测量出推进剂残留部分。第二称重系统37由不锈钢制造，具有四个液力载荷传感器38和一个电子显示装置39。电子显示装置39被封装在一个可以满足所有HAZAT发射和安全要求的防爆封闭装置中。接收罐36没有任何机械泵而是在外压力源的作用下工作。

两个小的、用于验定和显示每个燃料或氧化剂设备状态的手提式低压检测装置81用于监测推进剂进入飞船31的初始压力和传输情况，以及用于防止在飞船31的每个贮存罐49内的推进剂检测装置损坏。每个装置81包括有一压力表83(0-12帕)、残留物释放阀87、二个手动控制阀89和附带的管线91。

至此，已经描述了一种用于将推进剂贮存和输送到宇宙飞船上，供飞船推进系统使用的新型改进的组合式贮存和运送系统和方法。但是，应当指出的是，上述实施例仅仅是若干代表本发明原理应用的具体实施例的例证。显然，本专业的普通技术人员不脱离本发明的范围的情况下还可以很容易地设计出其它各种方案。