用于液体姿轨控动力系统的金属破裂膜片结构及使用方法与流程

1.本发明涉及航天姿轨控动力系统领域，具体地，涉及一种用于隔离液体推进剂腔与下游工作腔的破裂膜片结构及其使用方法。


背景技术：

2.姿轨控动力系统是航天器的关键分系统之一，主要为各种航天器在飞行过程的姿态稳定和控制、轨道转移、轨道修正提供控制力和控制力矩，被广泛应用于卫星、飞船、导弹、运载火箭、深空探测器等重要的航天器中。具有响应快速、控制方便等特点。一般姿轨控动力系统的运作是由增压系统为燃料贮箱提供压力，推动燃料贮箱中的燃料以一定的压力进入姿轨控发动机控制阀中，当控制阀开启时进入发动机燃烧室进行反应，最终通过尾喷管喷出产生推力。
3.对于某些具有长期在轨需求的姿轨控动力系统以及某些具有地面长时间贮存需求的推进系统，其推进剂一般被贮存在推进剂腔中，并通过隔离结构使推进剂腔与下游工作腔物理隔离。隔离结构的存在使得系统在设计时不需要所有与推进剂接触的组件均选用与推进剂长期相容的材料，降低了系统的复杂度，减少了系统在轨期间或贮存期间的故障点，提高了系统在轨期间或贮存期间的可靠性。
4.破裂膜片结构是上述系统中常用的物理隔离结构，常规破裂膜片结构一般是在金属膜片材质上直接刻制槽结构，削弱材料的机械性能，使得破裂膜片在上游推进剂压力升高后刻痕处超出许用应力发生结构破环，从解除推进剂腔液体与下游工作腔的物理隔离。
5.上述常规金属膜片的材料一般选取铝，选取铝合金是由于铝合金材料强度较弱，在同等压力下铝合金膜片刻痕无需过深，可以在刻痕最薄弱处保留更大厚度的金属材料，同时考虑到刻痕一般通过机械加工制成，其加工的深浅存在一定的散差，对于强度较弱的铝合金刻痕深度散差对其破裂压力的影响相对较小。
6.但是对于铝合金而言，其长时间贮存的性能相较于不锈钢钛合金等材料较弱，目前常规膜片材质不选择钛合金或不锈钢等硬质金属的原因是其强度较高，在相同压力下发生结构破坏的厚度更薄，因而在刻痕除的金属厚度余量很少，甚至只余几丝厚度。此时机械加工刻痕散差过深容易直接将膜片刻穿，刻痕加工散差过浅则容易导致膜片破裂压力散差急剧扩大，若能解决高强度金属破裂压力散差过大的问题，钛合金或不锈钢等硬质金属是有长贮需求姿轨控动力系统更加优良的选择。


技术实现要素：

7.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种用于液体姿轨控动力系统的金属破裂膜片结构及使用方法。
8.根据本发明提供的一种用于液体姿轨控动力系统的金属破裂膜片结构，包括固定膜片、活塞膜片以及密封圈，其中：
9.活塞膜片的周向设置有凹槽，密封圈装配至活塞膜片的凹槽内；
10.装配有密封圈的活塞膜片装入所述固定膜片中，活塞膜片和固定膜片通过密封圈过盈配合；
11.所述固定膜片内设置有第一撞锥和第一破裂膜，所述活塞膜片上设置有第二撞锥和第二破裂膜；
12.活塞膜片在固定膜片内推进的过程中，所述第一撞锥逐渐靠近并撞破第二破裂膜，所述第二撞锥逐渐靠近并撞破第一破裂膜。
13.优选地，所述固定膜片分别与上游推进剂腔和下游推进器管路连接，当第一破裂膜和第二破裂膜均被撞破后，上游推进器容腔和下游推进剂管路连通。
14.优选地，所述活塞膜片在上游推进剂腔压力作用下在所述固定膜片内推进。
15.优选地，所述活塞膜片的上游介质为液体推进剂。
16.优选地，所述第一撞锥和第二撞锥相向设置。
17.优选地，所述第一撞锥的长度小于所述第二撞锥的长度。
18.优选地，所述第一破裂膜和第二破裂膜上加工有使得破裂可控的刻痕槽。
19.优选地，所述刻痕槽的横截面为三角形、圆弧形或者梯形。
20.优选地，所述第一撞锥或者第二撞锥的形状为圆柱体、圆锥体、锥台、顶端导圆角的圆柱体或者顶端导圆角的锥台。
21.根据本发明提供的一种基于上述的用于液体姿轨控动力系统的金属破裂膜片结构的使用方法，包括如下步骤：
22.步骤a、活塞膜片和固定膜片通过密封圈过盈配合后，固定膜片分别与上游推进剂腔和下游推进器管路连接；
23.步骤b、上游推进剂腔压力提升至设定压力时，活塞膜片受上游推进剂腔压力作用向前运动；
24.步骤c、活塞膜片的第二撞锥与固定膜片的第一破裂膜接触后，在压力作用下撞破第一破裂膜；
25.步骤d、第二撞锥撞破第一破裂膜后，活塞膜片在压力作用下进一步向前运动，直至第一撞锥撞锥反向撞破第二破裂膜，上游推进剂腔与下游推进器管路连通。
26.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
27.1、本发明通过撞锥结构放大了上游压力源的作用效果，可以选择钛合金或不锈钢等高强度、高推进剂相容材料作为结构选材，大大提高了与之配套的姿轨控动力装置贮存及服役寿命。
28.2、本发明通过撞锥结构减小了膜片刻痕加工散差对结构破裂压力的影响，常规破裂膜片破裂压力散差约为20％～30％，而本结构的破裂压力散差仅为1～2％。
附图说明
29.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
30.图1为固定膜片剖视图。
31.图2为固定膜片俯视图。
32.图3为图1中a区域的放大示意图。
33.图4为活塞膜片俯视图。
34.图5为活塞膜片剖视图。
35.图6为图5中b区域的结构示意图。
36.图7为膜片破裂示意图。
37.附图标记：
38.活塞膜片1
39.第二撞锥101
40.第二破裂膜102
41.固定膜片2
42.第一撞锥201
43.第一破裂膜202
44.密封圈3
具体实施方式
45.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
46.本发明在系统工作前通过活塞膜片1及固定膜片2完成对上游推进剂及下游容腔的可靠物理隔离，在系统开始工作时上游推进剂以一定压力挤压活塞膜片1，活塞膜片1在压力作用下运动使得固定膜片2与活塞膜片1先后破裂，最终使上下游连通。本发明创新性的设计了适用于液体姿轨控动力领域的金属破裂膜片结构，尤其适用于钛合金和不锈钢等与推进剂相容性良好且材料强度较高的金属，大大提高了与之配套的姿轨控动力装置贮存及服役寿命。解决了部分与液体推进剂相容性高的高强度金属，由于自身高强度特性使得破裂压力散差过大的问题。
47.进一步说明，如图1至图7所示，本发明包括固定膜片2、活塞膜片1及密封圈3，密封圈3采用o形密封圈，o形密封圈装配至活塞膜片1的凹槽内，再将装配有o形密封圈的活塞膜片1装入固定膜片2中，装配完成的破裂膜片结构通过焊接与上游推进剂腔及下游推进剂管路连接。活塞膜片1的上游介质为液体推进剂。所述固定膜片2、活塞膜片1的材质为与液体推进剂1级相容的高强度进度，如钛合金、不锈钢。固定膜片2、活塞膜片1的上均存在撞锥。活塞膜片1的撞锥长度长于固定膜片2的撞锥长度。固定膜片2、活塞膜片1上的撞锥可以为圆柱体、圆锥体、锥台、顶端导圆角的圆柱体、顶端导圆角的锥台。固定膜片2、活塞膜片1上加工有刻痕槽使得结构破裂受控。所述刻痕槽截面可以为三角形、圆弧形、梯形。
48.进一步说明，装配有密封圈3的活塞膜片1装入所述固定膜片2中，活塞膜片1和固定膜片2通过密封圈3过盈配合，保证密封性能。
49.所述固定膜片2内设置有第一撞锥201和第一破裂膜202，所述活塞膜片1上设置有第二撞锥101和第二破裂膜102；活塞膜片1在固定膜片2内推进的过程中，所述第一撞锥201逐渐靠近并撞破第二破裂膜102，所述第二撞锥101逐渐靠近并撞破第一破裂膜202。所述固定膜片2分别与上游推进剂腔和下游推进器管路连接，当第一破裂膜202和第二破裂膜102
均被撞破后，上游推进器容腔和下游推进剂管路连通。
50.本发明还提供了一种应用于液体姿轨控动力系统的金属破裂膜片的使用方法，包括如下步骤：
51.步骤a、活塞膜片和固定膜片通过密封圈过盈配合后，固定膜片分别与上游推进剂腔和下游推进器管路连接；
52.步骤b、上游推进剂腔压力提升至设定压力时，活塞膜片受上游推进剂腔压力作用向前运动；
53.步骤c、活塞膜片的第二撞锥与固定膜片的第一破裂膜接触后，在压力作用下撞破第一破裂膜；
54.步骤d、第二撞锥撞破第一破裂膜后，活塞膜片在压力作用下进一步向前运动，直至第一撞锥撞锥反向撞破第二破裂膜，上游推进剂腔与下游推进器管路连通。
55.本发明利用撞锥结构放大了结构上游压力的作用效果，使得高强度金属也可作为破裂膜片的材料，同时降低了破裂膜片破裂压力散差，对姿轨控动力装置长时间在轨工作或地面预包装长期贮存具有十分重大的意义和作用。本发明结构在应用的姿轨控动力装置的破裂压力为3
±
0.02mpa，破裂压力散差为1.3％。
56.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
57.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

技术特征：
1.一种用于液体姿轨控动力系统的金属破裂膜片结构，其特征在于，包括固定膜片、活塞膜片以及密封圈，其中：活塞膜片的周向设置有凹槽，密封圈装配至活塞膜片的凹槽内；装配有密封圈的活塞膜片装入所述固定膜片中，活塞膜片和固定膜片通过密封圈过盈配合；所述固定膜片内设置有第一撞锥和第一破裂膜，所述活塞膜片上设置有第二撞锥和第二破裂膜；活塞膜片在固定膜片内推进的过程中，所述第一撞锥逐渐靠近并撞破第二破裂膜，所述第二撞锥逐渐靠近并撞破第一破裂膜。2.根据权利要求1所述的用于液体姿轨控动力系统的金属破裂膜片结构，其特征在于，所述固定膜片分别与上游推进剂腔和下游推进器管路连接，当第一破裂膜和第二破裂膜均被撞破后，上游推进器容腔和下游推进剂管路连通。3.根据权利要求2所述的用于液体姿轨控动力系统的金属破裂膜片结构，其特征在于，所述活塞膜片在上游推进剂腔压力作用下在所述固定膜片内推进。4.根据权利要求1所述的用于液体姿轨控动力系统的金属破裂膜片结构，其特征在于，所述活塞膜片的上游介质为液体推进剂。5.根据权利要求1所述的用于液体姿轨控动力系统的金属破裂膜片结构，其特征在于，所述第一撞锥和第二撞锥相向设置。6.根据权利要求1所述的用于液体姿轨控动力系统的金属破裂膜片结构，其特征在于，所述第一撞锥的长度小于所述第二撞锥的长度。7.根据权利要求1所述的用于液体姿轨控动力系统的金属破裂膜片结构，其特征在于，所述第一破裂膜和第二破裂膜上加工有使得破裂可控的刻痕槽。8.根据权利要求7所述的用于液体姿轨控动力系统的金属破裂膜片结构，其特征在于，所述刻痕槽的横截面为三角形、圆弧形或者梯形。9.根据权利要求1所述的用于液体姿轨控动力系统的金属破裂膜片结构，其特征在于，所述第一撞锥或者第二撞锥的形状为圆柱体、圆锥体、锥台、顶端导圆角的圆柱体或者顶端导圆角的锥台。10.一种基于权利要求1-9任一项所述的用于液体姿轨控动力系统的金属破裂膜片结构的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤a、活塞膜片和固定膜片通过密封圈过盈配合后，固定膜片分别与上游推进剂腔和下游推进器管路连接；步骤b、上游推进剂腔压力提升至设定压力时，活塞膜片受上游推进剂腔压力作用向前运动；步骤c、活塞膜片的第二撞锥与固定膜片的第一破裂膜接触后，在压力作用下撞破第一破裂膜；步骤d、第二撞锥撞破第一破裂膜后，活塞膜片在压力作用下进一步向前运动，直至第一撞锥撞锥反向撞破第二破裂膜，上游推进剂腔与下游推进器管路连通。

技术总结
本发明提供了一种用于液体姿轨控动力系统的金属破裂膜片结构及其使用方法，包括固定膜片、活塞膜片以及密封圈，活塞膜片的周向设置有凹槽，密封圈装配至活塞膜片的凹槽内；装配有密封圈的活塞膜片装入所述固定膜片中，活塞膜片和固定膜片通过密封圈过盈配合；所述固定膜片内设置有第一撞锥和第一破裂膜，所述活塞膜片上设置有第二撞锥和第二破裂膜；活塞膜片在固定膜片内推进的过程中，所述第一撞锥逐渐靠近并撞破第二破裂膜，所述第二撞锥逐渐靠近并撞破第一破裂膜。本发明通过撞锥结构放大了上游压力源的作用效果，减小了膜片刻痕加工散差对结构破裂压力的影响。散差对结构破裂压力的影响。散差对结构破裂压力的影响。


技术研发人员：张舜禹 姜丹丹 方亮 岳文骏 周明龙 任建军 潘帅兵
受保护的技术使用者：上海空间推进研究所
技术研发日：2022.12.12
技术公布日：2023/5/16