一种双组元空间发动机双温区冗余热控结构及控温方法与流程

1.本发明具体涉及一种双组元空间发动机双温区冗余热控结构及控温方法。


背景技术：

2.采用四氧化二氮/甲基肼组合推进剂的双组元空间发动机，燃料甲基肼冰点为-52.5℃，氧化剂四氧化二氮冰点为-13.6℃，由于空间发动机处于空间深冷环境,受推进剂冰点影响，发动机起动过程中，进入发动机头部的推进剂会被低温头部金属结构吸收从而迅速降温，一旦推进剂温度降至冰点时，会造成局部冻结或结冰，造成发动机推进剂流道或喷注孔局部堵塞，引起推力下降，甚至造成发动机身部烧蚀等功能性故障。为了防止因温度过低导致推进剂在发动机头部腔道内结冰故障，需采用加热器对发动机头部进行主动加热，用热敏电阻监测头部温度并控制加热器的通断电状态，通过主动热控使发动机头部温度保持在可靠工作范围内。
3.空间发动机热控结构需在发动机非工作段，使头部温度保持在略大于推进剂冰点的水平，满足其可靠工作需求，又需要承受发动机在工作段内高低温交变和持续高温影响。为了应对加热器或热敏电阻长期在轨运行期间产生的故障，空间发动机热控结构需要具有一定的故障冗余能力。由于双组元空间发动机工作段内头部温度较高，受热敏电阻耐高温能力限制，热敏电阻布置位置需要进行特殊的隔热设计；现有双组元空间发动机的热敏电阻使用硅橡胶封装在发动机头部，这种安装方式的力学环境适应性不足。目前双组元空间发动机热控采用分区实施热控，需要在不同区域内设置热敏电阻监测各分区内温度，导致热敏电阻数目偏多，控制系统较为复杂；受制于发动机头部结构和安装尺寸限制，大多数发动机仅采用一个加热器对发动机头部加热，这种加热方式会导致头部热控温度分布均匀性较差，实际热控功率较大。
4.因此,双组元空间发动机热控结构有待解决现有热敏电阻热控控制系统复杂、热敏电阻耐温能力不足、力学环境适应性低和加热器功率偏大等技术问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的是解决双组元空间发动机的现有热敏电阻热控控制系统复杂、热敏电阻耐温能力不足、力学环境适应性低和加热器功率偏大的技术问题，而提供一种双组元空间发动机双温区冗余热控结构及控温方法。
6.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：
7.一种双组元空间发动机双温区冗余热控结构，设置于发动机的加热区域，其特殊之处在于：包括相互冗余的主控温机构和备控温机构；
8.所述发动机的加热区域包括主控温区和备控温区；
9.所述主控温机构包括设置于主控温区的两个主加热器及相应的主热敏电阻，两个主加热器相互冗余；
10.所述备控温机构包括设置于备控温区的两个备加热器及相应的备热敏电阻，两个
备加热器相互冗余；
11.两个主加热器和两个备加热器沿周向交错设置，用于对发动机加热。
12.进一步地，所述两个主加热器并联，形成主加热回路；
13.所述两个备加热器并联，形成备加热回路。
14.进一步地，所述主热敏电阻相互冗余；
15.所述备热敏电阻相互冗余；
16.所述主热敏电阻和备热敏电阻均用于监测发动机的喷注器和控制阀与推力室对接位置的温度，同时作为主加热器和备加热器启动加热和停止加热的开关信号。
17.进一步地，所述主加热器包括加热区、与加热区连接的和第一导线；所述加热区安装在发动机的法兰盘上；所述第一导线用于与外部控制系统连接；
18.所述备加热器的结构与主加热器的结构和连接方式相同；
19.所述主热敏电阻包括感温区、与感温区连接的第二导线；所述感温区通过安装块设置在发动机的隔热框中部耳槽内；所述第二导线用于与外部控制系统连接；
20.所述备热敏电阻的结构与主热敏电阻的结构和连接方式相同；
21.所述第一导线和第二导线的外部均设置有引线管和固封件。
22.进一步地，所述主加热器和备加热器均为异形片式铠装加热器，主加热器和备加热器结构和规格相同；
23.所述主热敏电阻和备热敏电阻均选用管式耐高温铠装g2a热敏电阻，主热敏电阻和备热敏电阻结构和规格相同。
24.进一步地，所述两个主加热器和两个备加热器交错设置且圆周均匀分布。
25.进一步地，所述两个主加热器的两端导线采用电连接器插针并联；
26.所述两个备加热器的两端导线采用电连接器插针并联。
27.同时，本发明提供了一种上述双组元空间发动机双温区冗余热控结构的控温方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
28.1)启动主控温机构中的两个主加热器对发动机加热，利用两个主热敏电阻采集发动机温度，判断两个主热敏电阻采集的温度是否均小于t0；若是，两个主加热器出现故障，执行步骤2)；否则执行步骤3)；
29.2)启动备控温机构中的两个备加热器对发动机加热，利用备控温机构中的两个备热敏电阻采集发动机温度，监测两个备热敏电阻采集的温度，当两个备热敏电阻采集的温度均大于等于t1，停止两个备加热器对发动机加热，再利用两个备热敏电阻采集发动机的温度，当其中一个备热敏电阻采集的温度小于t0时，重复执行步骤2)实现对发动机的温度控制；
30.3)两个主加热器同时对发动机加热，直至两个主热敏电阻采集到的温度均大于等于t1时，停止两个主加热器对发动机加热，再利用两个主热敏电阻采集发动机的温度，当其中一个主热敏电阻采集的温度小于t0时，重复执行步骤3)实现对发动机的温度控制。
31.与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
32.1)本发明双组元空间发动机双温区冗余热控结构，具有多重冗余功能，发动机的加热区域设置主控温区和备控温区，两个控温区相互冗余，主控温区的主控温机构由设置于发动机的法兰盘上的两个主加热器及相应的主热敏电阻组成，备控温区备控温机构由设
置于发动机法兰上的两个备加热器及相应的备热敏电阻组成。除两个控温区相互冗余外，同一控温区内的两个主加热器和备加热器也采用了冗余设置，提高了主加热器和备加热器对发动机头部的加热效率。
33.2)本发明双组元空间发动机双温区冗余热控结构中，同一控温区内设置的两个主热敏电阻或两个备热敏电阻均可以实现其冗余功能，当两个主热敏电阻中一个主热敏电阻失效后，可使用对称布局的另一个主热敏电阻进行温控；同一控温区内两个主加热器和两个备加热器采用并联连接结构，当两个主加热器或两个备加热器中一个失效后，另一个也可以完成发动机控温功能，实现了第二层冗余，提高了整个双组元空间发动机双温区冗余热控结构的加热可靠性。
34.3)本发明双组元空间发动机双温区冗余热控结构中，主热敏电阻和备热敏电阻布置在发动机的隔热框中，解决了热敏电阻在发动机工作段的高温适应性不足问题，同时可以满足发动机非工作段对整个发动机的喷注器及控制阀与推力室对接位置温度监测需求。
35.4)本发明双组元空间发动机双温区冗余热控结构中，同一控温区内主加热器和备加热器对称分布，且主加热器和备加热器使用功率密度较高的异形片式铠装加热器，主加热器和备加热器的外形可匹配发动机安装位置结构进行设计，提高主加热器和备加热器与发动机的接触面积，进一步提高主加热器和备加热器对发动机头部的加热效率。在同一控温区内的两片铠装加热器两两对称布置，通过对称布置铠装可以使铠装加热器对发动机头部加热温度均匀，达到节省热控功率的目的。
36.5)本发明双组元空间发动机双温区冗余热控结构中，利用电连接器插针将同一控温区的两片铠装加热器的导线进行焊接，形成一条并联回路，实现了用一条加热回路控制两个对称布局的铠装加热器，进而实现对发动机头部两侧均匀加热的功能，不增加发动机加热器通道数，不改变控制系统结构，同时并联回路提高了铠装加热器故障冗余能力，当单片铠装加热器故障时，该条回路仍具备对发动机头部单侧加热能力。
37.6)本发明双组元空间发动机双温区冗余热控结构的控温方法中，使用了主加热器与备加热器和主热敏电阻与备热敏电阻组合热控方案，提高了该热控结构的紧凑性，且集成化程度较高；发动机上主热敏电阻与备热敏电阻的感温区和固封件端均采用了连接可靠的焊接方式，提高了其在发动机上的力学环境适应性。
附图说明
38.图1为本发明双组元空间发动机双温区冗余热控结构实施例的结构示意图；
39.图2为本发明双组元空间发动机双温区冗余热控结构实施例中，两个主加热器及相应的主热敏电阻、两个备加热器及相应的备热敏电阻的排布结构关系示意图；
40.图3为本发明双组元空间发动机双温区冗余热控结构实施例中异形片式铠装加热器的结构示意图；
41.图4为本发明双组元空间发动机双温区冗余热控结构实施例中铠装g2a热敏电阻的结构示意图；
42.图5为本发明双组元空间发动机双温区冗余热控结构实施例中发动机隔热框的耳槽结构示意图；
43.图6为本发明双组元空间发动机双温区冗余热控结构实施例中铠装g2a热敏电阻
和异形片式铠装加热器的安装结构示意图；
44.图7为本发明双组元空间发动机双温区冗余热控结构实施例中两片铠装加热器的并联连接结构示意图。
45.图中附图标记为：
46.1-发动机，11-隔热框，111-耳槽，12-法兰盘，2-主加热器，21-加热区，22-第一引线管，23-第一固封件，24-第一导线，20-备加热器，3-主热敏电阻，31-感温区，32-第二引线管，33-第二固封件，34-第二导线，30-备热敏电阻，4-主份卡箍，5-备份卡箍，6-主份焊片，7-备份焊片，8-安装块，9-挡板，10-电连接器插针。
具体实施方式
47.如图1所示，一种空间发动机1双温区冗余热控结构，设置于发动机1的加热区域，由发动机1、两个主加热器2、两个热敏电阻、两个备加热器20、两个备热敏电阻30、主份卡箍4、备份卡箍5、主份焊片6、备份焊片7、挡板9、主份卡箍4、备份卡箍5、主份焊片6和备份焊片7组成。
48.发动机1的加热区域设置有主控温区和备控温区，主控温区和备控温区相互冗余，主控温区的主控温机构由设置于发动机1的法兰盘12上的两个主加热器2及相应的主热敏电阻3组成，两个主加热器2相互冗余；备控温区的备控温机构由设置于发动机1的法兰盘12上的两个备加热器20及相应的备热敏电阻30组成，两个备加热器20相互冗余；两个主加热器2和两个备加热器20交错设置且圆周均匀分布，其均用于对发动机1加热。
49.除主控温区和备控温区相互冗余外，两个主加热器2的两端导线并联，形成主加热回路；两个备加热器20的两端导线并联，形成备加热回路；使得同一控温区内的两个主加热器2和备加热器20也采用了冗余设置，同一控温区内设置的两个主热敏电阻3或两个备热敏电阻30也可以实现其冗余功能，当两个主热敏电阻3中任意一个主热敏电阻3失效后，可使用对称布局的另一个主热敏电阻3进行温控；同一控温区内两个主加热器2和两个备加热器20均采用并联连接结构，当两个主加热器2或两个备加热器20中任意一个失效后，另一个也可以完成发动机1控温功能。
50.如图2所示，主加热器2和备加热器20使用功率密度较高的异形片式铠装加热器，主加热器2和备加热器20的外形可匹配发动机1安装位置结构进行设计，提高了主加热器2和备加热器20与发动机1的接触面积，进而提高主加热器2和备加热器20对发动机1头部的加热效率。
51.如图3、图4所示，主加热器2包括连接的加热区21和第一导线24；所述加热区21安装在发动机1的法兰盘12上；所述第一导线24用于与外部控制系统连接；所述备加热器20的结构与主加热器2的结构和连接方式相同；优选地，主加热器2和备加热器20均为异形片式铠装加热器。主热敏电阻3连接的感温区31和第二导线34；所述感温区31通过安装块8设置在发动机1隔热框11中部耳槽111内；所述第二导线34用于与外部控制系统连接；备热敏电阻30的结构与主热敏电阻3的结构和连接方式相同；其中第一导线24的外部设置有第一引线管22和第一固封件23，第二导线34的外部设置有第二引线管32和第二固封件33。
52.本实施例中，主热敏电阻3和备热敏电阻30均选用管式耐高温铠装g2a热敏电阻，主热敏电阻3和备热敏电阻30结构和规格相同，四个铠装g2a热敏电阻均沿发动机1的轴向
布置在发动机1的隔热框11中部耳槽111内，主热敏电阻3和备热敏电阻30均用于监测发动机1的喷注器和控制阀与推力室对接位置的温度，同时作为主加热器2和备加热器20启动加热和停止加热的开关信号。
53.主加热器2和备加热器20均为异形片式铠装加热器，主加热器2和备加热器20结构和规格相同；四片铠装加热器均采用螺栓和自锁螺母连接紧固在发动机1的法兰盘12上，保证了铠装加热器在发动机1上的可靠连接，防止冷热交替环境下铠装加热器的松动。在同一控温区内的两片铠装加热器两两对称布置，通过对称布置铠装可以使铠装加热器对发动机1头部加热温度均匀性，达到节省热控功率的目的。
54.四个管式耐高温铠装g2a热敏电阻安装位置与四个异形片式铠装加热器的安装位置空间上一一对应，铠装g2a热敏电阻可监测对应位置异形片式铠装加热器的故障，当异形片式铠装加热器失效时，可用对应位置的铠装g2a热敏电阻数据进行故障诊断，提高异形片式铠装加热器故障诊断准确率。
55.如图5、图6所示，将铠装g2a热敏电阻的感温区31放置在发动机1的隔热框11中部耳槽111内，从外侧用安装块8压紧，使管式耐高温铠装g2a热敏电阻的感温区31与发动机1的隔热框11中部耳槽111紧密贴合。然后采用氩弧焊方式将安装块8与发动机1的隔热框11焊接在一起，并将挡板9焊接至安装块8底部，完成铠装g2a热敏电阻的感温区31连接和固定。将铠装g2a热敏电阻的第二引线管32放入发动机1的主份卡箍4或备份卡箍5中，采用主份焊片6或备份焊片7压紧，使管式耐高温铠装g2a热敏电阻的第二引线管32与主份卡箍4和备份卡箍5紧密切合。采用氩弧焊方式将主份卡箍4和主份焊片6、备份卡箍5和备份焊片7焊接在一起，完成管式耐高温铠装g2a热敏电阻的固封件端的连接和固定。采用这种焊接的安装方式，安装主份卡箍4和主份焊片6，提高了铠装g2a热敏电阻在发动机1上的力学环境适应性。
56.使用螺栓将异形片式铠装加热器的加热区21安装在发动机1的法兰盘12上，安装后使两者紧密切合，并采用自锁螺母施加力矩放松；再将异形片式铠装加热器的第一引线管22放入发动机1的主份卡箍4或备份卡箍5，用主份焊片6或备份焊片7压紧，使异形片式铠装加热器的第一引线管22与主份卡箍4和备份卡箍5紧密切合。最后，采用氩弧焊方式将主份卡箍4和主份焊片6、备份卡箍5和备份焊片7焊接在一起，完成异形片式铠装加热器固封件端的连接和固定。四片铠装加热器采用螺栓和自锁螺母连接紧固在发动机1的法兰盘12上，保证了铠装加热器在发动机1上的可靠连接，防止冷热交替环境下铠装加热器的松动。
57.如图7所示，利用电连接器插针10将同一控温区的两片铠装加热器的导线进行焊接，形成一条并联回路，实现了用一条加热回路控制两个对称布局的铠装加热器，实现对发动机1头部两侧均匀加热的功能，同时并联回路提高了铠装加热器故障冗余能力，当单片铠装加热器故障时，该条回路仍具备对发动机1头部单侧加热能力。
58.在空间环境下，发动机1所处的外界环境温度低，因此空间发动机1的温度会降低，当发动机1温度小于推进剂温度时，发动机1无法正常工作，因此为了使发动机1在空间冷环境下可靠工作，空间发动机1需采用热控结构。因此，本发明还提供了一种双组元空间发动机1双温区冗余热控结构的控温方法，包括以下步骤：
59.1)优先使用主控温机构实现发动机1温度控制，外部控制系统发出启动主加热器2的主加热回路加热指令，两个主加热器2同时对发动机1加热，发动机1温度和两个主热敏电
阻3的温度持续升高；当两个主热敏电阻3采集到的温度同时大于等于t1时，外部控制系统发出停止主加热器2的主加热回路加热指令，两个主加热器2停止对发动机1加热，受空间冷环境影响，发动机1温度会持续下降，直到两个主热敏电阻3中任意一个热敏电阻的采集温度为t0时，外部控制系统发出启动主加热器2的主加热回路加热指令，两个主加热器2同时对发动机1加热。主控温机构按上述方法循环对发动机1加热停止加热。
60.2)当主控温机构的加热器或热敏电阻损坏故障(即两个主热敏电阻3中任意一个热敏电阻的采集温度小于t0时，外部控制系统会启用备控温机构对发动机1实施热控。当两个备热敏电阻30中任意一个热敏电阻的采集温度为t0时，外部控制系统接收到启动备加热器20的备加热回路加热指令，两个备加热器20同时对发动机1加热，发动机1温度和两个备热敏电阻30的温度持续升高；当两个备热敏电阻30采集到的温度同时大于等于t1时，外部控制系统发出到停止备加热器20的备加热回路加热指令，两个备加热器20停止对发动机1加热，受空间冷环境影响，发动机1温度会持续下降，直到两个备热敏电阻30中任意一个热敏电阻的采集温度为t0时，外部控制系统发出启动备加热器20的备加热回路加热指令，两个备加热器20同时对发动机1加热。备控温机构按上述方法循环对发动机1加热停止加热。
61.3)诊断两个主加热器2和两个备加热器20故障；
62.a)当外部控制系统发出主加热器2启动加热指令后，若两个主热敏电阻3采集的温度均小于t0，则代表两个主加热器2均发生故障；若两个主热敏电阻3的其中一个温度小于t0，另一个主热敏电阻3温度大于t0，则代表小于t0的主热敏电阻3对应位置安装的主加热器2故障；
63.b)当外部控制系统发出备加热器20启动加热指令后，若两个备热敏电阻30采集的温度均小于t0，则代表两个备加热器20均发生故障；若两个备热敏电阻30的其中一个温度小于t0，另一个备热敏电阻30温度大于t0，则代表小于t0的备热敏电阻30对应位置安装的备加热器20故障。

技术特征：
1.一种双组元空间发动机双温区冗余热控结构，设置于发动机(1)的加热区域，其特征在于：包括相互冗余的主控温机构和备控温机构；所述发动机(1)的加热区域包括主控温区和备控温区；所述主控温机构包括设置于主控温区的两个主加热器(2)及相应的主热敏电阻(3)，两个主加热器(2)相互冗余；所述备控温机构包括设置于备控温区的两个备加热器(20)及相应的备热敏电阻(30)，两个备加热器(20)相互冗余；两个主加热器(2)和两个备加热器(20)沿周向交错设置，用于对发动机(1)加热。2.根据权利要求1所述的一种双组元空间发动机双温区冗余热控结构，其特征在于：所述两个主加热器(2)并联，形成主加热回路；所述两个备加热器(20)并联，形成备加热回路。3.根据权利要求2所述的一种双组元空间发动机双温区冗余热控结构，其特征在于：所述主热敏电阻(3)相互冗余；所述备热敏电阻(30)相互冗余；所述主热敏电阻(3)和备热敏电阻(30)均用于监测发动机(1)的喷注器和控制阀与推力室对接位置的温度，同时作为主加热器(2)和备加热器(20)启动加热和停止加热的开关信号。4.根据权利要求3所述的一种双组元空间发动机双温区冗余热控结构，其特征在于：所述主加热器(2)包括加热区(21)、与加热区(21)连接的第一导线(24)；所述加热区(21)安装在发动机(1)的法兰盘(12)上；所述第一导线(24)用于与外部控制系统连接；所述备加热器(20)的结构与主加热器(2)的结构和连接方式相同；所述主热敏电阻(3)包括感温区(31)、与感温区(31)连接的第二导线(34)；所述感温区(31)通过安装块(8)设置在发动机(1)的隔热框(11)中部耳槽(111)内；所述第二导线(34)用于与外部控制系统连接；所述备热敏电阻(30)的结构与主热敏电阻(3)的结构和连接方式相同；所述第一导线(24)和第二导线(34)的外部均设置有引线管和固封件。5.根据权利要求4所述的一种双组元空间发动机双温区冗余热控结构，其特征在于：所述主加热器(2)和备加热器(20)均为异形片式铠装加热器，主加热器(2)和备加热器(20)结构和规格相同；所述主热敏电阻(3)和备热敏电阻(30)均选用管式耐高温铠装g2a热敏电阻，主热敏电阻(3)和备热敏电阻(30)结构和规格相同。6.根据权利要求1-5任一所述的一种双组元空间发动机双温区冗余热控结构，其特征在于：所述两个主加热器(2)和两个备加热器(20)交错设置且圆周均匀分布。7.根据权利要求1-5任一所述的一种双组元空间发动机双温区冗余热控结构，其特征在于：所述两个主加热器(2)的两端导线采用电连接器插针(10)并联；所述两个备加热器(20)的两端导线采用电连接器插针(10)并联。8.一种权利要求1-7任一所述双组元空间发动机双温区冗余热控结构的控温方法，其
特征在于，包括以下步骤：1)启动主控温机构中的两个主加热器(2)对发动机(1)加热，利用两个主热敏电阻(3)采集发动机(1)温度，判断两个主热敏电阻(3)采集的温度是否均小于t0；若是，两个主加热器(2)出现故障，执行步骤2)；否则执行步骤3)；2)启动备控温机构中的两个备加热器(20)对发动机(1)加热，利用备控温机构中的两个备热敏电阻(30)采集发动机(1)温度，监测两个备热敏电阻(30)采集的温度，当两个备热敏电阻(30)采集的温度均大于等于t1，停止两个备加热器(20)对发动机(1)加热，再利用两个备热敏电阻(30)采集发动机(1)的温度，当其中一个备热敏电阻(30)采集的温度小于t0时，重复执行步骤2)实现对发动机的温度控制；3)两个主加热器(2)同时对发动机(1)加热，直至两个主热敏电阻(3)采集到的温度均大于等于t1时，停止两个主加热器(2)对发动机(1)加热，再利用两个主热敏电阻(3)采集发动机(1)的温度，当其中一个主热敏电阻(3)采集的温度小于t0时，重复执行步骤3)实现对发动机的温度控制。

技术总结
本发明具体涉及一种双组元空间发动机双温区冗余热控结构及控温方法，解决双组元空间发动机的现有热敏电阻热控控制系统复杂、热敏电阻耐温能力不足、力学环境适应性低和加热器功率偏大的技术问题。该双组元空间发动机双温区冗余热控结构，包括相互冗余的主控温机构和备控温机构；发动机的加热区域包括主控温区和备控温区；主控温机构包括设于主控温区的两个主加热器及相应的主热敏电阻，两个主加热器相互冗余；备控温机构包括设于备控温区的两个备加热器及相应的备热敏电阻，两个备加热器相互冗余。本发明双组元空间发动机双温区冗余热控结构的控温方法，提高了主加热器和备主加热器的故障诊断准确率。的故障诊断准确率。的故障诊断准确率。


技术研发人员：程晓军 马化杰 刘茹 刘晓伟 邹宇 常小庆 张凯宏
受保护的技术使用者：西安航天动力研究所
技术研发日：2023.05.26
技术公布日：2023/8/4