CN101907039A

CN101907039A - 一种采用三圆柱推进剂贮箱的氮气冷气微推进装置

Info

Publication number: CN101907039A
Application number: CN2010102383965A
Authority: CN
Inventors: 汤海滨; 訾振鹏; 晋晓伟; 蒋建; 闫志勇; 邹宇; 马键
Original assignee: Beihang University; Xian Aerospace Propulsion Institute
Current assignee: Beihang University; Xian Aerospace Propulsion Institute
Priority date: 2010-07-23
Filing date: 2010-07-23
Publication date: 2010-12-08
Anticipated expiration: 2030-07-23
Also published as: CN101907039B

Abstract

本发明公开一种采用三圆柱推进剂贮箱的氮气冷气微推进装置，包括第一推进剂贮箱、第二推进剂贮箱、第三推进剂贮箱、高压充气阀、高压传感器、高压自锁阀、高压减压器、低压减压器、过滤器、推力器与控制线路盒；上述部件均安装在安装隔板上；用于微小卫星进行姿态控制以及轨道维持与控制；本发明微推进装置使用氮气为推进剂，无毒无污染；且本发明微推进装置、结构简单、低质量、低功耗、高可靠性，本发明微推进装置安装在安装隔板上，便于安装与替换，与卫星其它部件没有过多的联系与干涉，便于替换与修理。

Description

一种采用三圆柱推进剂贮箱的氮气冷气微推进装置

技术领域

本发明属于冷气微推进技术领域，涉及一种适用于微小卫星的氮气冷气推进装置，具体地说是一种采用三圆柱推进剂贮箱的氮气冷气微推进装置。

背景技术

从1957年10月4日前苏联发射第一颗人造地球卫星Sputnik以来，卫星已经历了50年的发展历程。随着技术的不断发展，人们对卫星的功能需求也越来越复杂，卫星体积和重量都逐渐增大，造价越来越高，于是人们又把目光投向微小卫星。根据实际需要生产制造微小卫星是当代的一个趋势，其目的主要是为了节约成本。所谓小卫星就是指系统总重在500kg以下的卫星。通常将重量为100kg～500kg的卫星称为小卫星，重量为10kg～100kg的卫星称为微卫星，而将10kg以下的卫星称为纳卫星。1kg以下的卫星称为皮卫星。这样看来，微小卫星指的是重量在10kg～500kg范围内的卫星。微小卫星质量轻、成本低、研制周期短、系统投资少、可以机动发射、生存能力强，在许多领域有着广泛的应用，如月球、火星的无人探测，微小卫星的科学研究、空间侦察，基于微小卫星的组网、编队飞行等。

由于推进装置的价格昂贵，系统复杂，所以早期的微小卫星一般都采用无推进装置。随着推进装置轻质小型化技术的迅速发展和成本的不断降低，以及空间活动对微小卫星要求的日益提高，越来越多的微小卫星需要一定的推力，其主要作用是：

a、星座形成以及星座保持

b、阻力补偿，使得飞行器保持高度

c、姿态控制

d、在寿命到期后的轨道分离

e、编队飞行

在卫星的推进装置中，研究成熟且最为常用的有双组元推进、单组元推进、冷气推进和电推进等技术；在研的有固体推进、胶体推进和微机电系统微推进等技术。双组元推进装置结构复杂，发动机推力较大(一般大于5N)，且价格昂贵；电推进的功耗和质量较大；而固体推进、胶体推进和微机电系统微推进等技术远未成熟。它们均难以满足微小卫星对推进装置的要求。目前用于微小卫星的较为可行的推进装置有单元肼(N₂H₄)\冷气推进装置和液化气推进装置。N₂H₄推进装置结构较为简单，但其推力一般大于1N，且推进荆有剧毒，安全防护成本高，因而价格比较昂贵。它一般用于需较大速度增量微小卫星的主推进，而无法对微小卫星实现姿态控制。因此，微小卫星的姿控推进装置多采用冷气推进装置或液化气推进装置。

冷气推进装置的工作过程是冷气以高压形式贮存，减压器把冷气压力降到所要求的压力之后，气体通过电磁阀输送到喷管，它能够以低成本、高可靠性、低功耗、无污染以及安全性高的优势为微小卫星提供推力。虽然喷管的重量轻，但由于需要配备高压气瓶(贮箱)和分配输送系统，整个系统的重量是中等的，另因为需要大量的气瓶来贮存推进剂(气体状态)，系统在体积上的利用率不高，典型的冷气推进系统的输出推力范围是5mN～250N，当喷管面积比为100时，氮气比冲变化范围45s～74s，具体取决于喷管(推力器)推力的大小，因为随推力器的体积减小，喷管的损失将增加。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种用于微小卫星进行姿态控制以及轨道维持与控制的冷气微推进装置，针对微小卫星对推进装置的低质量、结构简单、低功耗、高可靠性的要求。本发明微推进装置采用三个圆柱气瓶作为推进剂贮箱，使用氮气为推进剂，无毒无污染；微推进装置整体安装在安装隔板上，便于安装与替换，与卫星其它部件没有过多的联系与干涉，便于替换与修理。

一种采用三圆柱推进剂贮箱的氮气冷气微推进装置，包括第一推进剂贮箱、第二推进剂贮箱、第三推进剂贮箱、高压充气阀、高压传感器、高压自锁阀、高压减压器、低压减压器、过滤器、推力器与控制线路盒；上述部件均安装在安装隔板上；

第一推进剂贮箱、第二推进剂贮箱、第三推进剂贮箱分别通过管路连接有三通A、三通B、三通C；三通A、三通B、三通C之间通过管路连通。三通C上还连接有高压传感器，三通A与三通B或三通B与三通C之间的管路上通过三通D连接有高压充气阀；

在三通A上还通过管路依次连接有高压自锁阀、高压减压器、低压减压器和过滤器；过滤器通过管路与三通E连接，三通E的剩余通口分别连接有供给管路，供给管路的另一端各连接有二通，在二通上通过供气管路连接有推力器；推力器上装有电磁阀；

控制线路盒与需要控制的高压传感器、高压自锁阀以及推力器之间通过电缆连接，用以供电和传输控制信号。控制线路盒可以根据卫星的相关控制指令发出控制信号，打开需要工作的推力器的电磁阀，则氮气会从中喷出，从而产生推力；由此使推力器可单独工作，也可以多个共同工作。

本发明的优点在于：

1、本发明微推进装置结构简单，使用氮气作为推进剂，低成本、高可靠性、低功耗、无污染以及安全性高；

2、本发明微推进装置采用模块化设计，便于安装与替换，与卫星其它部件无重大关联与干涉。

附图说明

图1为本发明氮气冷气微推进装置结构俯视图；

图2为本发明氮气冷气微推进装置在六边形安装隔板上安装结构俯视图；

图3为本发明氮气冷气微推进装置在六边形安装隔板上安装结构侧视图。

图中：

1-第一推进剂贮箱 2-第二推进剂贮箱 3-第三推进剂贮箱

4-高压充气阀 5-高压传感器 6-高压自锁阀

7-高压减压器 8-低压减压器 9-过滤器

10-推力器 11-控制线路盒 12-三通A

13-三通B 14-三通C 15-三通D

16-三通E 17-三通F 18-供气管路

19-安装隔板 20-二通 21-供给管路

具体实施方式：

本发明一中氮气冷气微推进装置，主要包括第一推进剂贮箱1、第二推进剂贮箱2、第三推进剂贮箱3、高压充气阀4、高压传感器5、高压自锁阀6、高压减压器7、低压减压器8、过滤器9、推力器10与控制线路盒11，如图1所示，上述部件均安装在安装隔板19上，安装隔板19的形状与所需要安装微推进装置的卫星截面形状相同，与卫星其它部件没有过多的联系与干涉，便于微推进装置的安装与替换，便于替换与修理。

本发明微推进装置采用第一推进剂贮箱1、第二推进剂贮箱2、第三推进剂贮箱3共三个推进剂贮箱，便于本发明微推进装置在安装隔板19上的质心调节平衡，且在安装隔板19的有限的空间内减少管路的长度。所述第一推进剂贮箱1、第二推进剂贮箱2、第三推进剂贮箱3均为圆柱形贮箱，三个贮箱顺次在安装隔板19上圆周分布，便于安装在安装隔板19上，且体积损失小。第一推进剂贮箱1、第二推进剂贮箱2、第三推进剂贮箱3分别通过管路连接有三通A12、三通B13、三通C14。三通A12、三通B13、三通C14之间通过管路连通。三通C14上还连接有高压传感器5，三通A12与三通B13或三通B13与三通C14之间的管路上通过三通D15连接有高压充气阀4。高压氮气通过高压充气阀4后经三通A12、三通B13、三通C14分别装填到第一推进剂贮箱1、第二推进剂贮箱2与第三推进剂贮箱3中，储存的压力为0.84MPa，装填氮气质量为0.6kg，可根据不同的任务要求改变装填氮气的质量。高压传感器5用来检测第一推进剂贮箱1、第二推进剂贮箱2与第三推进剂贮箱3中氮气推进剂的压力，当氮气推进剂压力达到设计值时，即可关闭高压充气阀4，推进剂充填结束。

在三通A12上还通过管路依次连接有高压自锁阀6、高压减压器7、低压减压器8和过滤器9。高压自锁阀6用来使氮气推进剂与微推进装置中的管路隔离。由于氮气的存储压力远高于推力器10要求的入口压力，因此打开高压自锁阀6，使第一推进剂贮箱1、第二推进剂贮箱2、第三推进剂贮箱3中流出的推进剂通过高压自锁阀6进入高压减压器7进行一级减压，接着进入低压减压器8进行二级减压，使氮气推进剂的压力从20MPa降到推力器10要求的入口压力值0.25Mpa，减压后的推进剂进入到过滤器9中进行过滤，以免氮气中存在杂质堵塞推力器10喉部，虽然本发明微推进装置中采用的是高纯氮气，杂质极少，但由于推力器10喉部直径极小，即使细微的杂质也会造成推力器10堵塞，因此采用过滤器9进行保证。

过滤器9通过管路与三通E16连接，三通E16的剩余两个通口分别与两供给管路21的一端连接，两供给管路21的另一端各连接有二通20，在二通20上通过供气管路18连接有推力器10。若需要在不同位置增加推力器10时，则在供给管路21中增加三通F17，三通F17通过供气管路18连接推力器10；若需要在同一位置增加推力器10时，则在供给管路21上连接带有多个通口的管道连接件，从而连接多个推力器10。气化后的氮气推进剂通过三通E16进入到供给管路21中，通过供给管路21中的三通F17与二通20进入到供气管路18中，最终通过供气管路18进入到相应的推力器10中。推力器10上装有电磁阀，打开需要工作的推力器10的电磁阀，则氮气会从中喷出，从而产生推力。

控制线路盒11与需要控制的高压传感器5、高压自锁阀6以及推力器10之间通过电缆连接，用以供电和传输控制信号。控制线路盒11可以根据卫星的相关控制指令发出控制信号，打开需要工作的推力器10的电磁阀，则氮气会从中喷出，从而产生推力；由此使推力器10可单独工作，也可以多个共同工作。

推进装置根据卫星三维姿态调控要求，微推进装置需要完成卫星各个阶段姿态控制以及轨道维持和控制，由此来确定在供气管路18上连接的推力器10的数量，并且确定各个推力器10在安装隔板19上的位置布局。

上述推力器10的入口压力与它的推力要求以及尺寸设计有关，此处的设计为推力器10推力为50mN，喉部尺寸为0.4mm，扩张比为100，入口压力设计为0.2MPa。

首先在工作前保证高压自锁阀6以及推力器10上的电磁阀是关闭的，防止推进剂自然流出。

当工作结束时，首先关闭推力器10的电磁阀，接着关闭高压自锁阀6，原因在于推力器10的电磁阀前需要维持一定的压力，防止发生泄漏。

下面来通过一实施例来对本发明中推力器10的数量以及位置布置做进一步说明。

如图2所示，安装隔板19采用六边形隔板，安装隔板19上安装有第一推进剂贮箱1，第二推进剂贮箱2、第三推进剂贮箱3，将第一推进剂贮箱1、第二推进剂贮箱2和第三推进剂贮箱3分别安装在六边形安装隔板19的三个相互间隔的边处，并且贮箱轴线与所在边平行。

第一推进剂贮箱1、第二推进剂贮箱2、第三推进剂贮箱3分别通过管路连接有三通A12、三通B13、三通C14。三通A12、三通B13、三通C14之间通过管路连通。三通C14上还连接有高压传感器5，三通B13与三通C14之间的管路上通过三通D15连接有高压充气阀4。

在三通A12上还通过管路依次连接有高压自锁阀6、高压减压器7、低压减压器8和过滤器9。高压自锁阀6用来使氮气推进剂与微推进装置中的管路隔离。过滤器9通过管路与三通E16连接，三通E16的另两个通口分别连接有供给管路21，供给管路21的另一端各连接有二通20，由此形成本发明微推进装置的供气管路18。在供给管路21上分别设置有四个三通F17，在二通20与三通上各通过供气管路18连接有推力器10。

所述高压充气阀4、高压传感器5、高压自锁阀6、高压减压器7、低压减压器8、过滤器9与控制线路盒11布置在第一推进剂贮箱1、第二推进剂贮箱2、第三推进剂贮箱3内圈的安装隔板19上。供给管路21布置在第一推进剂贮箱1、第二推进剂贮箱2、第三推进剂贮箱3外圈的安装隔板19上。

设六边形安装隔板19的内角处分别为a、b、c、d、e、f，其中a与d、b与e、c与f为此正六边形安装隔板19的对角，因此将在推力器10布置在a与d、b与e、c与f处，且在c与f处各设置有一对推力器10，b与e、a与d处各设置一个推力器10，且将b与e和a与d处的推力器10分别设置在安装隔板19的两侧，如图3所示，由此使丙烷微推进装置能够沿卫星正交坐标系的三个轴线方向为卫星提供推力和控制力矩。

Claims

1.一种采用三圆柱推进剂贮箱的氮气冷气微推进装置，其特征在于：包括第一推进剂贮箱、第二推进剂贮箱、第三推进剂贮箱、高压充气阀、高压传感器、高压自锁阀、高压减压器、低压减压器、过滤器、推力器与控制线路盒；上述部件均安装在安装隔板上；

第一推进剂贮箱、第二推进剂贮箱、第三推进剂贮箱分别通过管路连接有三通A、三通B、三通C；三通A、三通B、三通C之间通过管路连通；三通C上还连接有高压传感器，三通A与三通B之间的管路上，或者三通B与三通C之间的管路上通过三通D连接有高压充气阀；

在三通A上还通过管路依次连接有高压自锁阀、高压减压器、低压减压器和过滤器；过滤器通过管路与三通E连接，三通E的剩余两个通口分别连接有供给管路，供给管路的另一端各连接有二通，在二通上通过供气管路连接有推力器；推力器上装有电磁阀；

控制线路盒与需要控制的高压传感器、高压自锁阀以及推力器之间通过电缆连接，用以供电和传输控制信号；控制线路盒根据卫星的相关控制指令发出控制信号，打开需要工作的推力器的电磁阀，则氮气会从中喷出，从而产生推力。

2.如权利要求1所述一种采用三圆柱推进剂贮箱的氮气冷气微推进装置，其特征在于：所述安装隔板的形状与所需要安装微推进装置的卫星截面形状相同。

3.如权利要求1所述一种采用三圆柱推进剂贮箱的氮气冷气微推进装置，其特征在于：所述第一推进剂贮箱、第二推进剂贮箱、第三推进剂贮箱采用为圆柱形贮箱。

4.如权利要求1所述一种氮气冷气微推进装置，其特征在于：所述推力器推力为50mN，喉部尺寸为0.4mm，扩张比为100，入口压力设计为0.2MPa。

5.如权利要求1所述一种采用三圆柱推进剂贮箱的氮气冷气微推进装置，其特征在于：所述供给管路中设置至少一个三通F，三通F通过供气管路连接推力器。

6.如权利要求1所述一种氮气冷气微推进装置，其特征在于：所述第一推进剂贮箱、第二推进剂贮箱与第三推进剂贮箱内装填丙烷推进剂总质量为0.6kg，储存的压力为0.84MPa。

7.如权利要求1所述一种氮气冷气微推进装置，其特征在于：所述的第一推进剂贮箱、第二推进剂贮箱和第三推进剂贮箱在安装隔板上圆周分布，所述的供给管路布置在所述圆周的外圈，其余部件布置在所述圆周的内圈。