卫星燃料添加系统及其方法 本发明一般涉及卫星燃料添加操作。本发明特别涉及在发射场上将燃料如联氨装填到卫星上。
所有卫星其火箭发动机及推进器都需要燃料。其它的推进剂系统使用联氨(N2H4)及联氨混合物。联氨及联氨混合物是有害物质，它们具有侵蚀、苛性腐蚀，爆炸及有毒特性。在运输及处理这些推进剂料时必须特别小心。政府机构也要求特殊程序。
在发射前卫星上必须装载有推进剂燃料。例如一般用标准的55加仑圆桶来运输联氨至发射场。在汽态时，由于在可以引起爆炸的快速率上的催化效应或电火花，联氨可自动分解。联氨是有毒并且易于通过皮肤来吸入或吸收。国家职业安全及健康研究所(NIOSH)就处理联氨提出了极端警告以减少由于暴露于联氨引发癌症的危险。NIOSH提出的标准指出应控制工作场所空气浓度使得在任何15分钟的取样期间内工作人员暴露于空气的浓度不大于0.04mg/m3(毫克/米3)(0.03ppm)。在美国商业部AD-A064675号文件“联氨挥发的研究及小量溢出的清除程序”中可发现关于联氨的附加信息。
联氨的有害特性要求容器、运输方法具有特别证书并要特别处理。溢出被人为是有害事件并且在处理联氨过程中溢出的潜在可能性要求特殊处理程序。在可能发生溢出的处理操作中，要求工作人员穿上配套的大气增压环境(atmospheric pressurized environment)(SCAEP)制服。所有非必要人员必须撤离可能暴露于联氨的区域。
传统卫星燃料添加操作是用燃料添加车，55加伦的联氨圆桶，液氨(LN2)罐，氦He或气态氮(GN2)罐，异丙基乙醇及废物罐来进行的。卫星的燃料添加在4到8小时间需约6个工作人员并要求他的穿者SCAPE制服。卫生的传统装配及燃料添加程序是复杂的及危险的。
那些在本领域中意识到有许多当这些传统卫星燃料添加操作相关的缺点及困难。这些缺点包括较高的溢出可能性，因此燃料添加操作地大部时间必须穿SCAPE制作服。由于这些制服的庞大体积特性，包含它们的所有操作是低效率的并且增加了由于例如碰撞设备而无意间发生的溢出的可能。此外，SCAPE制服非常贵且大大增加了卫星燃料添加操作的成本。
传统卫星燃料添加操作的另一个缺点是不能从在卫星与燃料车之间形成的连接处去除残余燃料。残余燃料是严重的健康及环境有害物。结果必须将联氨液滴盛装起来并进行处理。
传统卫星燃料添加操作的另一个缺点是用55加仑圆桶从供应商那里运输燃料(通常虽联氨或联氨混合物)。55加仑圆桶是体积庞大的且工作起来很困难并增加溢出可能性。圆桶在发射场是打开的并且燃料挥发气体泄入环境。暴露于环绕增加了燃料被沾污的可能性。已污染的燃料不能再用且必须被丢弃。丢弃的燃料由于其是一种有害材料需要特殊程序。
传统卫星燃料添加操作的另一个缺点是55加仑圆桶内燃料的量典型地超过卫星所需。为了输运适当量的燃料，传统卫星燃料添加操作典型地要求在燃料添加地点将燃料称重。称重过程是耗时的并由于人为错误的可能性增加了错误地充填卫星燃料罐的危险。55加它圆桶不能完全排空并且必须丢弃多余燃料。使用55加仑圆桶的另一个问题是美国交通部(DOT)最近已禁止用55加仑圆桶运输联氨。
传统卫星燃料添加操作的另一个缺点是典型的燃料添加车需要附加上一个55加仑燃料圆桶，一个废物桶，一异柄基乙醇桶，废气排出孔及(He)或气态氮(GN2)瓶。这也需要增添多个与卫星的连接。这些连接的每一个代表了一个溢出与暴露的机会。此外，每一个连接都耗时。发射设备必须具有可以处理联氨的废气排出孔或提供有害气体的净气器。
传统卫星燃料添加操作的另一个缺点是燃料添加车是复杂的导致了低的平均无故障时间(MTBF)。作为低的平均无故障时间的结果，要储存备用部件并需要特别培训燃料添加地点的人员来修理燃料添加车。此外，传统燃料添加车的复杂操作不允许非专业技术人员进行燃料添加操作。对特殊培训过的人员的需求大大增加了传统卫星燃料添加操作的成本。另一个个缺点是传统燃料添加车需要电为真空泵及控制系统提供能量。电的使用大大增加电火花及爆炸的危险。
如可以看到的那样，传统卫星燃料添加操作是危险的，耗时并昂贵的，并需要处理大量有害废物。用传统卫星燃料添加操作，典型地只能为一个卫星发射作准备。然而，在一个单个平台上发射多个卫星时，传统燃料添加方式就太耗时且太昂贵了。当在需要一个正常基础上发射多个卫星时传统方式也是做不到。
因而，所需的是一种方法和设备，它们以安全，快速并且是有效成本的方式为卫星添加燃料同时减少有害废料量。也需要一种为卫星添加燃料的方法和设备，它们完全是自我充足的并不需要外界设备。也需要一种为卫星添加燃料的方法和设备，它们不要求工作人员穿SCAPE制服。也需要一种为卫星添加燃料的方法和设备，它们从与卫星的连接处去除残留燃料并且不使残留燃料暴露于大气环境。所需要的还有一种为卫星添加燃料的方法和设备，它们去消使55加仑圆桶，防止出现燃料废料及燃料的被污染使没有燃料需要被处理。
所需要的还有一种方法和设备，用于为卫星添加燃料，它们不需要在发射场称重燃料并取消废物圆桶，异柄基乙醇圆桶和废气排出口。因而所需要的还有一种方法和设备，它们减低在卫星燃料添加操作中做的连接处的数目并取消对带有废气出口或可处理联氨的有害气体净气器的发射装置的要求。
图1示出适用于本发明最佳实施例的一个卫星和整体燃料添加舱的方框图；
图2示出了适用于本发明最佳实施例的卫星燃料添加程序的流程图；
本发明提供，这只是其中一部分，完全自我满足并不需要外部设备的全配套(fully contained)卫星燃料添加系统。它包括所要求量的精制推进剂，增压剂，真空罐及在发射前向卫星添加燃料的传统输管路。本发明也提供向卫星上装填推进剂的已改进方法。
“卫星”在这里的定义意味着任何人造物体成飞行器，它被用来环绕地球作圆周运动或离开地球的大气层并需要推进剂来维持其运动轨道的飞行轨道。术语“卫星”被用来包括同步及轨道卫星和/或包括低绕地轨道(Low earth orbiting)(LEO)卫星的二者之结合。
为卫星添加燃料的典型传统程序要求燃料添加车，55加仑的联氨，认态氮(LN2)罐，增压剂如氦He或气态氮(GN2)罐，异丙基乙醇及废物罐。传统燃料添加车包括用于推进剂及增压剂的充填工具。传输管路与卫星相连，开有排气孔并进行泄漏检测。装配异丙基乙醇及废物罐并插入排放管(educatur)。将联氨圆桶放在天平平台上并称重。将排放管装置插入联氨圆桶，与燃料添加车相连并进行泄漏检测。然后用燃料添加车以增压剂为联氨圆桶加压至大约15psi(磅/英寸2)。在这个操作中，要求所有工作人员穿上贵重的，配套的大气增压环境(SCAPE)制服，因为有暴露于联氨的危险。
在传统燃料添加操作中，将燃料添加车连到设备115V交流(AC)电源，该电源用于真空泵及监控温度及压力的控制系统。充填LN2冷凝气瓣(cold trap)这样没有水汽或有害材料进入真空泵。用在燃料添加车上的真空泵将推进系统及抽空至约1托(torr)。打开联氨排放管阀及燃料添加车流动控制阀这样将联氨在15psi压力下传输动到卫星燃料罐中。
在传统燃料添加操作，然后是用增压剂将卫星燃料罐加压至约50psi同时对于卫星燃料罐的压力和温度进行监控以发现不相容或泄漏的任何征象。打开增压剂充填阀然后将卫星燃料罐加压到飞行压力一般是300到600psi之间。然后用异丙基乙醇冲洗燃料传输管路并用增压剂吹洗传输管路以稀释任何残留的联氨。
在传统燃料添加操作中，充填工具与卫星是断开的。工作人员也必须穿上SCAPE制服来进行这个操作。持续监测卫星燃料罐的压力和温度等以检测不相容或泄漏征象。对于从罐中卸出操作(detanking operations)如果需要就将联氨圆桶断开并将异丙基乙醇及废物圆桶连接于上。从罐中排卸操作将推进剂从卫星燃料罐倾卸入废料罐，以异丙基乙醇冲洗它并用氦He气吹洗它。
在本发明的最佳实施中，为一个卫星提供整体燃料添加舱，或在几个卫星要加添燃料的场合向每一个卫星提供一整体燃料添加舱。一个操作者只需将适当的阀门转向为燃料加压并为卫星燃料罐加压因为推进剂和增压剂的量是预先称重和预先测量的。操作上的这个简单性对于那些熟悉本领域的人们来说在阅读下列描述后将更为明显。
图1示出了卫星及适用于本发明的一个最佳实施例的整体燃料添加舱的方框图。卫星50包括，这是其中一部分，由高压线56连接的卫星燃料罐52及阀门54。整体燃料添加舱10包括真空罐12，燃料传输罐14，增压剂罐16及可调节压力调节器46。可调节压力调节器最好具有至少100到500PSi的调节范围。阀门26将增压剂罐16与压力调节器46的输入相连。将压力调节器46的输出连到与阀门28及25相连接的三通阀43上。阀25连到燃料传输罐14的输入上而阀28连到如所示的四通连接器41的第一口上。阀24连在燃料传输罐14的输出与四通接接器41的第二口之间。阀27连在真空罐12与四通连接器41的第二口之间。
整体燃料添加舱10的输出是四通连接器41的第四个口。低压力线32连到真空罐12而高压线33，34，35，36与38连到如所示的其它元件之间。那些熟悉本领域的人将理解到可能需要比如图1所示更多的附加管线，阀门及其它元件。
整体燃料增加舱10也包括一轻便壳架(frame)(未示出，它是防腐蚀并与推进剂相容的。铝是可以使用的一种材料。壳架最好是与所安装的回转尾轮(caster)或轮子相连使得舱10可以轻易地被移动。壳架最好具有用于起重操作的整体叉式升降筐(integral fork lift pockets)，一个吊环及栓系点。
整体燃料添加舱10的输出连到与阀门43相连的外部高压力燃料传输管路42上。阀门23和阀门54在为卫星添加燃料之前在连接处45连在一起。
在这些最佳实施例中，用一隋性气体如压缩氮气或压缩氦气来充填增压剂罐16并希望被加压在1200-2000磅、英寸2(psi)之间。增压剂罐16最好是由美国交通部(DOT)批准的压力容器，定额在至少2000psi具有至少40标准立方英尺(scf)容量。增压剂最好是符合MZL-P-27407级B的要求。
最好用卫星推进剂如联氨(N2H4)，单甲基联氨(momomethyl-hydrazine)或联氨混合物。然而，实际上任何推进剂或氧化剂可以被盛在燃料传输罐14内。最好是在燃料传输罐14中盛纳100至400磅之间的联氨及将其加压至约100psi的相对低压以防止污染。合乎需求的推进剂满足MIL-P-26538的纯度要求。合乎需求地选择推进剂及增压剂以其不要相互反应。
在一个最佳实施例中，燃料传输罐14是一个燃料容器与USDOT178.61规格4BW免除(exemption)E11173一致并具有定额至少在500psi的高工作压力及具有定额在至少750psi的检测压力。燃料传输罐可由高强度碳钢制造但考虑到联氨相容性也可由不锈钢制造。在这个最佳实施例中使用304L不锈钢。
真空罐12的制造最好根据USDOT1781.61规格4BW免除E11173而且考虑到联氨相容性也可由不锈钢制造。在这个实施例中，真空罐12的尺寸至少8加仑，体积约为1立方英尺。最好将真空罐12抽至约0.2Psia(磅/平方英寸面积)的压力。
在这个最佳实施例中传输管路，配件(fittings)及管道系统是由一种不锈钢构造的，如304L及其它联氨相容性材料。高压燃料传输管路42最好是韧性聚器氟乙烯(Teflon)作衬里的软管，围绕有锈钢编织物(braid)。
除了提供以推进剂充填卫星燃料罐52外，在一个最佳实施例中，整理燃料添加舱10包括线及连接处(未示出)以从卫星燃料罐52中去除推进剂。熟悉本领域的那些人的将知道如何去为此任务提供附加连接及元件。
图2示出了适用于本发明一个实施例的卫星燃料添加程序100的流程图。如上面所提到的，当要将推进剂装在卫星上时，为每一个卫星提供整体燃料添加舱10(图1)。程序100的结果是在发射之前以必要的推动剂充填并为卫星燃料罐52(图1)来增压。程序100也使整体燃料添加舱为再次使用作准备。
在任务102中，燃料传输罐14(图1)充满推进剂。在本发明的一个实施例中，可通过陆地或空中将燃料传输罐14送到推进剂供应厂商那里由推进剂厂商为燃料传输罐14充填预定量的推进剂。推进剂预定量是大约为误差在正或负一磅内的卫星燃料罐52(图1)所需的量。就象熟悉本领域的人们将理解的用于充填燃料传输罐14的准确程序对本发明并不正确。在这个实施例中，封闭燃料传输罐14并从推进剂厂商那里运输至发射装置，要加燃料的卫星放置在那里。
在任务104中，将燃料传输罐14装在整体燃料添加舱10内。最好检查所有阀门来确保它的们是关闭的以致不发生泄漏。在一个实施例中，用增压剂充填增压剂罐16(图1)是任务102的部分。在一个实施例中去除增压剂罐16并由当地厂商充填了增压剂的类似罐去代替。然后将增压剂罐16安装在整体燃料舱10作为任务104的部分。
在另一个实施例中，充填增压剂罐并且并不把它从舱10中去除。例如，将高压线35与增压剂罐16断开并且用增压剂充填增压剂罐16。然后用高压线35再连接到增压剂罐16上。被充填的罐的压力足够高使卫星燃料罐52(图1)增压至飞行压力。熟悉本领域的人将理解怎样确定所需压力的量。
在本发明的另一个实施例中，由推进剂供应商进行任务102及104。例如，将整体燃料添加舱10(图1)送入推进剂厂商，在那里从整理燃料添加舱上卸去燃料传输罐14及增压剂罐16。推进剂厂商用所需推进剂充填燃料传输罐14并用增压剂充填增压剂罐16。二个罐都装回整体燃料添加舱10并且将此装并运往发射场。
除了在上面讨论的任务102及104中进行的步骤，最好将真空罐12抽空到低于大气压的一个初始压力并且将其在进行任务106-122之前装在整理燃料舱10上。
在任务106中，将整体燃料添加舱10连到卫星50上。高压燃料传输管路42连到整体燃料添加舱10的输出上(即四通连接器41的第四口)及阀门23。阀门23及阀门54在连接处45连接在一起。在程序100内的这点上，从燃料传输罐14而来的推进剂准备被传输到卫星燃料罐52上。
在任务108中，将推进剂以燃料传输罐14推入卫星燃料罐52。需要将调节器(图1)设在100到150Psi之间并最好在约120psi左右。打开阀门26使增压剂从增压剂罐16释放，增压剂罐16为高压线34及36增。要开阀25，接着分别打开阀门24，23及54。当阀门54打开时从燃料传输罐14来的推进剂通过韧性高压燃料传输管路42驱赶卫星燃料罐52。在一短时间后，所有推进剂将会从燃料传输罐14被运输运卫星燃料罐52。当所有推进剂被传输之后，从增16来的增压剂开始流向卫星燃料罐52。
在任务110中，用以增压罐16来的增压剂去吹洗高压燃料传输管路42，阀门23，连接处45及阀门54。以增压剂吹洗去除残存在管路及连接处的大部分推进剂。用增压剂的吹洗进行到系统压力与卫星燃料罐52包含的压力平衡。这个压力与在压力调节器46已大约设定的压力平衡。所希望的是卫星燃料罐52被增压到100与150psi之间的一个额定压力。
关于任务108与110，一个本领域的普通技术人员可使用几种方法来确定所有推进剂从燃料传输罐14已被传输及系统内压已平衡的时间。例如，可使用位于高压管路38内的观察孔(Sight glass)或也可在连接器41处安装一压力计使得可以在程序100期间内观察到压力及变化率。另一种方法，也可观察卫星燃料罐52内压力。
在任务112中，卫星燃料罐52被加压到对卫星操作必要的一个水平。希望卫星燃料罐52被加压到400与500psi之间。为了完成了任务112，阀门24及25关闭并且将调节器46设定到所希望的压力水平。打开阀门28并且增压剂从增压剂罐16经高压燃料传输管路42流入卫星燃料罐52。如那些熟悉本领域的人将明白的，由于在卫星燃料罐52内增加压力可能导致该罐52内产生热量。在卫星燃料罐52内增压剂的温度最好通过控制罐52的增压速率来限制。在本发明的一个实施例中，限制阀门28的尺寸以防止将允许卫星燃料罐52内过度温度的增压剂流率。在另一实施例中，三通阀43的入口处的小孔限制增压剂流率。
在增压剂冷却及管路内及卫星燃料罐52的压力平衡后，关闭阀门28并且然后关闭阀门54。阀门26也可关闭。在程序100内的这个点上，卫星燃料罐52的充填和增压被完成。程序100的余下任务是转到其它事项中的，清除及为整体燃料添加舱10的再使用作准备。
在任务114中，打开阀门27将从高压燃料传输管路42，阀54，阀23及连接处45来的被污染增压剂抽进真空罐12。在这些区域内的增压剂可能由于暴露于燃料传输过程中保留下来的残余推进剂而已被污染。真空从这些区域去除了这个已污染增压剂而且也去除了任何残留推进剂。由于在上述任务108中已用增压剂吹洗了这些区域，极小量推进剂保留下来，但由于推进剂的有害性，任务114去除任何所残留下来的推进剂。在去除了被污染增压剂后，关闭阀门23，然后关闭阀27。任务114已去除任何残留在连接处45的推进剂并由此没有推进剂暴露于工作人员或环境。
真空罐12去掉了将任何气体向大气中排放并在将高压燃料传输管路42与卫星相互断开之前减降管路中的压力。真空罐12的应用去降了对净气器的需求，传统上用净气器使得逃之大气中的推进剂气体量降低至最小。净气器并不总是可靠的并净气介质必须作为有害废物去除并处理。
在任务116中，整体燃料添加舱10与卫星50在连接处45相互断开。由于所有推进剂从连接处45被去除，没有液体或气体推进剂污染外部环境的危险。此外，在连接处45存在有一真空。
在程序100的这点上，卫星燃料罐52已被充填推进剂并被加压，整体燃料添加舱已断开。卫星准备发射。可在任何时候进行任务118-122，既可在卫星发射之前也可以在发射之后，最好在发射之后。
在一实施例中，从整体燃料添加舱10中去除燃料传输罐14及真空罐12并被将它们运至推进剂供应厂商，在那里再次充填燃料传输罐并再次将真空罐抽真空。在另一个实施例中，装有燃料传输罐14及真空罐12的整体燃料添加舱10被运至推进剂供应厂商。在这个实施例中，任务118至122在推进剂供应厂商处进行。在任务120中真空罐再次被抽真空。最好由推进剂供应厂商从真空罐12中去掉已污染的增压剂。在本发明的一个实施例中，真空罐12足够大使得多个卫星燃料添加操作不用再次将真空罐12抽真空可以进行。
在任务122中，燃料传输罐14如在任务102中所讨论的再充填推进剂。推进剂厂商将已充填的燃料传输罐14送回发射场。然后对在接下来的卫星上进行的接下来的燃料添加操作重复任务104-122。在另一实施例中，推进剂厂商将整个的整体燃料添加舱10送回并重复任务104-122。
除了在程序100中所示的任务，为使整体燃料舱10作准备以推进剂及增压剂充填卫星燃料罐52其它未示出的任务可以是必要的。这些任务包括，这只是其中一部分，取代增压剂，核实阀门和压力调节器的适当操作及在高压线上进行泄漏试验。那些熟悉本领域的人们将能提供所需的其它任务。
虽然已用特殊最佳实施例通过具体例子描述了本发明，显然对于那些熟悉本领域的人们来说很明显有许多基于这里的描述的替换方案和变化，本发明试图在权利要求中包括这样的变化和替换方案。
如这里所描述的，本发明的优点对于那些熟悉本领域的人来说是明显的并且本发明提供了改进的卫星燃料添加系统和方法。本发明的一个优点是其操作的简单性。整体燃料添加舱连到一个卫星上，或者在要为几个卫星加燃料的场合，一个燃料添加舱连到每一个卫星上。操作者简单地将适当阀门转向向燃料施加压力并为卫星燃料罐增压，因为推进剂及增压剂量已预先称重了。
另一个优点包括通过去除推进剂暴露了环境增加了使用者的安全。另一个优点是不需要流量计并且在发射场不需测量推进剂。另一个优点是由于推进剂不暴露于人员或环境所以去除了对SCAPE制服的需求。另一优点是由于只向卫星提供所需的量故没有推进剂被浪费。其它优点包括实际上的没有推进剂被污染的机会而且去除了当被污染而不能使用的推进剂相关的处理问题。另一个优点是不需要有害气体、净气器。这些优点导致成本的大量节省，特别是对于发射许多卫星的项目。