CN101539482B - 电推进试验平台气体推进剂供给装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了电推进试验平台气体推进剂供给装置。电推进试验平台气体推进剂供给装置由高压气瓶、气瓶手阀、气瓶压力表、减压器、减压器阀、减压器压力表、金属软管、流量控制器前过滤器、流量控制器、预混腔、压力传感器、过舱前手阀、过舱法兰接头、电磁阀、发动机前过滤器、三通以及不锈钢细管组成。该气体推进剂供给装置能为电推进试验提供定流量定压强的单一组分气体推进和满足一定混合比的混合气体推进剂，并且工作稳定，流量控制精确。

Description

电推进试验平台气体推进剂供给装置

技术领域

本发明属于电推进发动机试验领域，具体涉及一种电推进试验平台气体推进剂供给装置。

背景技术

电推进作为一种先进的微推力推进方式，将会在卫星或是飞船的姿态轨道控制、轨道转移以及星际航行中发挥越来越大的作用。电推进家族中的电阻加热式推力器、电弧加热发动机、离子发动机、磁等离子推力器等等被广泛研究。上述电推进推力装置会选择气体工质作为发动机工作的推进剂。因此气体推进剂供给装置在电推进发动机地面模拟试验中不可或缺。

推进剂流量是用来评估推力器性能不可缺少的参数，电推进发动机地面试验需要测量精确的推进剂流量，来确定推力器的性能，由此可见推进剂流量测量与控制在发动机试验中十分重要。

目前国内已有的冷气推进气体推进剂供给装置不能满足电推进试验平台的要求，国内还没有专门为综合性电推进试验平台设计的气体推进剂供给装置。

发明内容

本发明的目的在于建立一套能为电推进试验提供满足特定要求气体推进剂的气体推进剂供给装置，该套电推进试验平台气体推进剂供给装置能够实现流量的准确测量以及精确控制。该气体推进剂供给装置要实现三个功能：

一、能为电推进试验提供定流量定压强的单一组分气体推进剂；

二、能为电推进试验提供定流量定压强、满足一定混合比的混合气体推进剂；

三、推进剂供给装置工作稳定，流量精确控制。

这个气体推进剂供给装置还要保证发动机的喷前压在一定范围内可调。本装置——电推进试验平台气体推进剂供给装置实现上述目标。

本发明的技术方案如下：电推进试验平台气体推进剂供给装置由高压气瓶、气瓶手阀、气瓶压力表、减压器、减压器阀、减压器压力表、金属软管、流量控制器前过滤器、流量控制器、预混腔、压力传感器、过舱前手阀、过舱法兰接头、电磁阀、发动机前过滤器、三通以及不锈钢细管组成；

高压气瓶为电推进试验提供高压气源；试验中可以通过更换气瓶为试验提供不同种类的气体推进剂；

气瓶手阀控制试验中使用的高压气体来源；

气瓶压力表可以监测气瓶中气体压强，试验中只有保证气源气体高于一定压强，试验才能进行；

第一三通用来连接气瓶以及减压器，并为测量气瓶压强的气瓶压力表提供一个接口；

减压器与减压器阀是一体的，通过调节减压器阀控制减压器的工作，使得减压器后的压强满足试验要求；

减压器压力表，用来监测减压器后压强，试验中为减压器阀的调节提供依据；

第二三通连接减压器以及减压器后的金属软管，并为测量减压器后压强的减压器压力表提供一个接口；

金属软管连接减压后的气源以及气体推进剂供给装置的下游管路，使用金属软管，可以使得气瓶的位置可以在一定范围内移动；

流量控制器前过滤器保证进入流量控制器的气体中的颗粒杂质尺寸满足流量控制器要求；

流量控制器的量程为0-10SLM，准确度为0.2SLM，工作压差范围0.05-0.3MPa。试验中使用流量控制器精确控制气体推进剂的流量。本套气体推进剂供给装置考虑不同气体推进剂的化学性质，准备了两个流量控制器、两组流量控制器前的管路；

预混腔使得不同种类的气体推进剂混合均匀，同时充当集气腔，使得气体推进剂的供给平稳；

压力传感器的读数可以通过计算机采集卡进行采集，为发动机性能评估提供数据支持。同时可以用来实时监测发动机喷前压；

第三三通连接预混腔出口以及预混腔后管路，并为测量喷前压的压力传感器提供一个接口；

过舱前手阀用来控制气体推进剂是否进入真空舱；

过舱法兰接头用来连接气体推进剂供给装置在真空舱舱内和真空舱外的部分；

电磁阀用来控制气体推进剂是否进入发动机推力室；

发动机前过滤器用来确保进入发动机推力室的气体推进剂的清洁度；

不锈钢细管在真空舱外连接流量控制器出口和预混腔进口、预混腔出口和过舱前手阀、过舱前手阀和过舱法兰接头，真空舱内连接过舱法兰接头和电磁阀、电磁阀和发动机前过滤器、发动机前过滤器和电推进推力器。

本发明的优点在于：

(1)电推进试验平台气体推进剂供给装置能够为电阻加热式、电弧加热发动机、离子发动机、磁等离子推力器等多种形式的电推进推进装置提供小流量的不同种类的气体推进剂。切换使用不同气体推进剂的过程简单方便；

(2)电推进试验平台气体推进剂供给装置考虑了不同气体推进剂的物理化学特性，考虑了不同气体推进剂之间可能存在的影响，考虑了气体推进剂与气体推进剂供给装置管路以及器件之间的相容性，从而能在保证整个装置完成发明目的的前提下，降低装置的复杂性以及成本；

(3)电推进试验平台气体推进剂供给装置流量控制准确，推进剂供给平稳；

(4)电推进试验平台气体推进剂供给装置能提供一定混合比的混合气体推进剂；从而能够提供跟肼化学成分一样的混合气体推进剂，能够准确模拟肼推进剂发动机性能；从而可以替代直接使用肼为推进剂的电推进试验。降低了试验的复杂性、困难性以及复杂性。

附图说明

图1为本发明所述电推进试验平台气体推进剂供给装置的示意图。

图中：          1.高压气瓶       2.气瓶手阀              3.第一三通

4.气瓶压力表    5.减压器         6.减压器阀              7.第二三通

8.减压器压力表  9.金属软管       10.流量控制器前过滤器   11.流量控制器

12.不锈钢管A    13.预混腔        14.第三三通             15.压强传感器

16.不锈钢管B    17.过舱前手阀    18.不锈钢管C            19.过舱法兰接头

20.不锈钢管D    21.电磁阀        22.不锈钢管E            23.发动机前过滤器

24.不锈钢管F    25.推力器        26.真空舱

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步详细说明。

如图1所示，本发明所述的电推进试验平台气体推进剂供给装置由高压气瓶1、气瓶手阀2、气瓶压力表4、第一三通3、减压器5、减压器阀6、减压器压力表8、第二三通7、金属软管9、流量控制器前过滤器10、流量控制器11、不锈钢管A12、预混腔13、第三三通14、压强传感器15、不锈钢管B16、过舱前手阀17、不锈钢管C18、过舱法兰接头19、不锈钢管D20、电磁阀21、不锈钢管E22、发动机前过滤器23和不锈钢管F24组成；其中的高压气瓶1、气瓶手阀2、气瓶压力表4、第一三通3、减压器5、减压器阀6、减压器压力表8、第二三通7、金属软管9、流量控制器前过滤器10、流量控制器11、不锈钢管A12、预混腔13、第三三通14、压强传感器15、不锈钢管B16、过舱前手阀17和不锈钢管C18位于如图1所述的真空舱26的外面，过舱法兰接头19位于真空舱26的过舱法兰上，不锈钢管D20、电磁阀21、不锈钢管E22、发动机前过滤器23和不锈钢管F24位于真空舱26的腔体内部；真空舱26不属于本发明所述的电推进平台气体推进剂供给装置的一部分，真空舱26不包括位于其内部的不锈钢管D20、电磁阀21、不锈钢管E22、发动机前过滤器23、不锈钢管F24、推力器25以及位于真空舱26的过舱法兰上的过舱法兰接头19，请参见附图1。

高压气瓶1的出口连接至气瓶手阀2的一头，用来控制高压气瓶气体的供给。气瓶手阀2的另一头连接至第一三通3的第一个接头，第一三通3的第二个接头连接量程为20MPa的气瓶压力表4，用来监测气瓶压强，当高压气瓶1的压强低于5MPa时，应更换高压气瓶1。第一三通3的第三个接头连接至减压器5的入口，减压器5和减压器阀6是一体的，试验中通过调节减压器阀6使得高压气瓶1提供的高压气体降压到试验所需压强。减压器5的出口连接至第二三通7的第一个端口，第二三通7的第二个端口连接至一个量程为5MPa的减压器压力表8，用来监测减压器5后的压强，试验中可以通过监测该减压器压力表8，来调节减压器阀6，使得减压器5后的压强达到试验要求。第二三通7的第三个端口连接至一根金属软管9的一端，金属软管9的另一端连接至一个过滤精度为10μm的流量控制器前过滤器10的一端，流量控制器过滤器10的另一端直接连接至流量控制器11的入口。

流量控制器11要求最大量程不小于10SLM，测量误差不大于0.3SLM，在电推进试验中，通过调节流量控制器11的显示面板上的流量控制旋钮控制试验所需的气体流量。流量控制器11的出口连接至Φ6×1mm不锈钢管A12的一端。选用Φ6×1mm不锈钢管A12主要从三个方面考虑：根据试验中气体的流量、气体压强，计算所需管路的内径、壁厚，选用内径为4mm，壁厚为1mm的不锈钢管能够达到要求；试验所需的气体推进剂跟不锈钢管不会发生反应，管路不会污染气体推进剂；这种尺寸的不锈钢管容易弯曲，有利于管路的布置。不锈钢管A12以及本发明所述的不锈钢管B16、不锈钢管C18、不锈钢管D20、不锈钢管E22和不锈钢管F24的外径均为6mm，壁厚均为1mm，长度由试验实际安装情况确定。

不锈钢管A12的另一端连接至预混腔13的第一路气体入口。预混腔13为一近似圆柱体，直径为50mm，长度为100mm，厚度为2mm。预混腔13的设计充分考虑了气体的流量以及不同气体的预混效果。因为气体推进剂流量较小，预混腔13若尺寸太大，则没有必要且浪费气体推进剂，且预混腔13若尺寸太大则容易导致气体混合不均匀。预混腔13有两路气体入口，其中第一路气体入口在预混腔13的一端，第二路气体入口距第一路气体入口距离为L，其中15mm≤L≤25mm。提供两路气体所用的部件以及连接完全相同，另外设置第二路气体入口的原因是：第一，当使用氮气和氨气模拟肼推进剂的时候，需要氮气和氨气两路气体同时输入；第二，不同气体因为物理化学性质不同，不能共用同一套管路。具体使用第一路气体入口还是第二路气体入口，或是同时使用第一、二路气体入口要根据试验要求来确定。预混腔13的气体出口在相对于第一路气体入口的预混腔13的另一端。

预混腔13的出口连接至第三三通14的第一个端口，第三三通14的第二个端口连接有一个压强传感器15。该压强传感器15的量程为0-2MPa，输出信号为0-20mA，可以通过计算机采集压强传感器15的压强参数，并可以通过数据采集软件实时监测压强传感器15的压强参数；其中，推力室前的压强是发动机工作的重要参数。

第三三通14第三个端口连接至不锈钢管B16的一端，不锈钢管B16的另一端连接至过舱前手阀17的入口，过舱前手阀17的出口连接至不锈钢管C18的一端，不锈钢管C18的另一端连接至真空舱26过舱法兰上的过舱法兰接头19。

过舱法兰接头19的在真空舱26内的一端连接至不锈钢管D20的一端，不锈钢管D20的另一端连接至电磁阀21的入口，电磁阀21的输入直流电压为24V，响应时间为3.6ms，电磁阀21用来控制气体推进剂是否进入如图所示的推力器25推力室，推力器25不属于本发明所述的电推进平台气体推进剂供给装置的一部分。电磁阀21的出口连接至不锈钢管E22的一端，不锈钢管E22的另一端连接至过滤精度为5μm的发动机前过滤器23的入口，发动机前过滤器23的出口连接至不锈钢管F24的一端，不锈钢管F24的另一端连接至电推进试验所用的推力器25。

这套电推进试验平台气体推进剂供给装置，能够给电推进试验提供不同种类的定流量、定压强的单一气体推进剂或是同时满足定流量、定压强、一定混合比的混合气体推进剂，并能实现流量的精确控制。

在电推进试验平台上进行电弧发动机、离子发动机等多种形式的电推进推力装置试验时，使用气体推进剂供给装置供给包括氮气、氨气、氩气、氢气、氙气等在内的多种气体推进剂，以及满足一定混合比的氮气和氨气均匀混合气体推进剂，试验证明电推进试验平台气体推进剂供给装置满足要求。

电推进试验平台气体推进剂供给装置流量控制准确，推进剂供给平稳；试验证明推进剂流量控制误差小于2％，推进剂供给压强波动较小。

Claims (5)

1.电推进试验平台气体推进剂供给装置，其特征在于：

该装置由高压气瓶(1)、气瓶手阀(2)、气瓶压力表(4)、第一三通(3)、减压器(5)、减压器阀(6)、减压器压力表(8)、第二三通(7)、金属软管(9)、流量控制器前过滤器(10)、流量控制器(11)、不锈钢管A(12)、预混腔(13)、第三三通(14)、压强传感器(15)、不锈钢管B(16)、过舱前手阀(17)、不锈钢管C(18)、过舱法兰接头(19)、不锈钢管D(20)、电磁阀(21)、不锈钢管E(22)、发动机前过滤器(23)和不锈钢管F(24)组成；推力器(25)和真空舱(26)不属于所述装置的一部分，其中真空舱(26)不包括位于其内部的不锈钢管D(20)、电磁阀(21)、不锈钢管E(22)、发动机前过滤器(23)、不锈钢管F(24)、推力器(25)以及位于真空舱(26)的过舱法兰上的过舱法兰接头(19)；

其中，高压气瓶(1)、气瓶手阀(2)、气瓶压力表(4)、第一三通(3)、减压器(5)、减压器阀(6)、减压器压力表(8)、第二三通(7)、金属软管(9)、流量控制器前过滤器(10)、流量控制器(11)、不锈钢管A(12)、预混腔(13)、第三三通(14)、压强传感器(15)、不锈钢管B(16)、过舱前手阀(17)和不锈钢管C(18)位于真空舱(26)的外面；过舱法兰接头(19)位于真空舱(26)的过舱法兰上，不锈钢管D(20)、电磁阀(21)、不锈钢管E(22)、发动机前过滤器(23)和不锈钢管F(24)位于真空舱(26)的腔体内部；

高压气瓶(1)的出口连接至气瓶手阀(2)的一头，气瓶手阀(2)的另一头连接至第一三通(3)的第一个接头，第一三通(3)的第二个接头连接量程为20MPa的气瓶压力表(4)，当高压气瓶(1)的压强低于5MPa时，应更换高压气瓶(1)；

第一三通(3)的第三个接头连接至减压器(5)的入口，减压器(5)和减压器阀(6)是一体的，试验中将高压气瓶(1)提供的高压气体降压到试验所需压强是通过调节减压器阀(6)来实现的；

减压器(5)的出口连接至第二三通(7)的第一个端口，第二三通(7)的第二个端口连接至一个量程为5MPa的减压器压力表(8)，该减压器压力表(8)用来监测减压器(5)后的压强，试验中通过监测该减压器压力表(8)，来调节减压器阀(6)，使得减压器(5)后的压强达到试验要求；

第二三通(7)的第三个端口连接至一根金属软管(9)的一端，金属软管(9)的另一端连接至过滤精度为10μm的流量控制器前过滤器(10)的一端，流量控制器前过滤器(10)的另一端直接连接至流量控制器(11)的入口；流量控制器(11)的出口连接至不锈钢管A(12)的一端；不锈钢管A(12)的另一端连接至预混腔(13)的第一路气体入口；预混腔(13)的出口连接至第三三通(14)的第一个端口，第三三通(14)的第二个端口连接有一个压强传感器(15)；第三三通(14)第三个端口连接至不锈钢管B(16)的一端，不锈钢管B(16)的另一端连接至过舱前手阀(17)的入口，过舱前手阀(17)的出口连接至不锈钢管C(18)的一端，不锈钢管C(18)的另一端连接至真空舱(26)过舱法兰上的过舱法兰接头(19)；

过舱法兰接头(19)的在真空舱(26)内的一端连接至不锈钢管D(20)的一端，不锈钢管D(20)的另一端连接至电磁阀(21)的入口，电磁阀(21)的出口连接至  不锈钢管E(22)的一端，不锈钢管E(22)的另一端连接至过滤精度为5μm的发动机前过滤器(23)的入口，发动机前过滤器(23)的出口连接至不锈钢管F(24)的一端，不锈钢管F(24)的另一端连接至电推进试验所用的推力器(25)。

2.根据权利要求1所述的电推进试验平台气体推进剂供给装置，其特征在于：所述的流量控制器(11)要求最大量程不小于10SLM，测量误差不大于0.3SLM，在电推进试验中，通过调节流量控制器(11)的显示面板上的流量控制旋钮控制试验所需的气体流量。

3.根据权利要求1所述的电推进试验平台气体推进剂供给装置，其特征在于：所述的预混腔(13)为一近似圆柱体，直径为50mm，长度为100mm，厚度为2mm；预混腔(13)有两路气体入口，其中第一路气体入口在预混腔(13)的一端，第二路气体入口距第一路气体入口距离为L，其中15mm≤L≤25mm，提供两路气体所用的部件以及连接完全相同，预混腔(13)的气体出口在相对于第一路气体入口的预混腔(13)的另一端。

4.根据权利要求1所述的电推进试验平台气体推进剂供给装置，其特征在于：所述的压强传感器(15)的量程为0-2MPa，输出信号为0-20mA，通过计算机采集压强传感器(15)的压强参数，并通过数据采集软件实时监测压强传感器(15)的压强参数。

5.根据权利要求1所述的电推进试验平台气体推进剂供给装置，其特征在于：所述的电磁阀(21)的输入直流电压为24V，响应时间为3.6ms，电磁阀(21)控制气体推进剂是否进入推力器(25)推力室。