CN101963111A - 氧化亚氮单组元推力器原理样机及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种氧化亚氮单组元推力器原理样机及其使用方法，利用氧化亚氮气体无毒、无污染、催化分解温度高及分解反应可自维持的特性，将其应用于航天微小卫星推进领域。相比目前所常用的肼单组元推力器可有效降低推进剂地面处理的风险及成本，相比冷气推力器又能实现较高的比冲性能。可以针对采用氧化亚氮作为推进剂的单组元推力器开展原理演示验证，为应用于微小卫星姿态控制的无毒微小推力器的研发提供技术支持。

Description

氧化亚氮单组元推力器原理样机及使用方法

【技术领域】

本发明涉及一种氧化亚氮单组元推力器原理样机，可以针对采用氧化亚氮作为推进剂的单组元推力器开展原理演示验证，为应用于微小卫星姿态控制的无毒微小推力器的研发提供技术支持。

【背景技术】

随着现代工业技术和电子技术的发展，世界航天界兴起了发展微型航天器的热潮。微小卫星具有体积小、质量轻、发射灵活、反应快速、研制周期短、以及功能密度比和性价比高等众多优点，被广泛用于通信、导航、侦察、遥感、地球环境监测和气象等领域，应用前景十分广阔。发展微小卫星技术对我国国民经济及国防建设具有重要意义，积极开展微型航天器研制已经成为必然。

微推进系统主要用于微型航天器的姿态控制、精确定位、位置保持、阻力补偿、轨道机动，等方面。微推进是实现微小卫星编队飞行的关键技术之一，它具有集成化程度高、体积小、质量轻、成本低、响应速度快、推力(或冲量脉冲)小、功耗低和可靠性高等特点。微推进的种类很多，如冷气推进、基于肼的微推进、固体微推进和电推进等等。

在传统的推进系统中，冷气推进(主要是氮气)系统，简单可靠，成本低，所需工质廉价无毒。但高压储存容易产生阀门泄漏问题，且推进剂密度比冲较低，应用范围还受到了贮箱容积的限制。基于肼的单组元推进系统，结构比较简单，可靠性高，响应很快，能够反复启动，可用于姿态控制、轨道维持和轨道机动。但该推进剂有剧毒，安全防范要求高。固体推进剂推进系统，结构简单紧凑，无推进剂泄漏问题。但固体推进剂需要安全防范，且一旦点火通常无法再重新启动，无法满足微小卫星姿态控制的需求。电推进的比冲很高，可重复启动，控制精度高。但是电推进在很大程度上受限于电源功率，静电和电磁推进的能量需求(大于100W)远大于微型航天器的能量供应(一般小于50W)；而功率范围比较适合于微型航天器的PPT和FEEP又存在羽流污染的问题，而且PPT效率很低(5％-15％)，FEEP则需要很高的电压。传统化学双组元推进系统通过缩小尺寸应用于小卫星的技术难度大、费用较高，且推进剂通常有毒性、易燃，还会遇到诸如尺寸减小后燃烧效率降低、喷管或喷注器易堵塞、冲量难以精确控制、燃烧不完全造成污染等一系列问题。

【发明内容】

为了突破传统微推进系统在安全及使用性能方面的诸多限制，本发明提供了一种采用氧化亚氮作为推进剂的单组元推力器原理样机。氧化亚氮无毒，无腐蚀性，常温下稳定性好；且饱和蒸汽压高(约50atm)，可自增压实现推进剂挤压输运；用作液化气推进时，其密度比冲较氮气等冷气推进剂的要高；在被加热到520℃以上时，氧化亚氮发生放热分解，生成氧气和氮气，其组成接近空气，最高反应温度可达1640℃左右；其分解产生的热气可以作为飞行器的热源或动力源，甚至用于生命维持系统。基于上述优点，采用氧化亚氮作为单组元推进剂，具备传统推进系统所没有的许多优势如：无毒、无污染、比冲较高、所需功率小、输送系统结构简单等。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种氧化亚氮单组元推力器原理样机，包括：电磁阀、推进剂前导管、催化分解室、前后多孔板、催化剂、喷管、加热器、压力传感器、绝热包覆层。其中：电磁阀通过推进剂前导管与推力室相连。催化分解室外形为圆柱状，分解室靠后部外壁两侧分别焊有两个接管嘴与内部腔体相通。铠装式热电偶通过其中一接管嘴伸入分解室中轴线位置，热电偶与接管嘴间通过球头及锥面配合进行线密封；压力传感器接到另一接管嘴上，采用锥面密封。催化剂颗粒紧密装填于分解室内部，通过安装于催化分解室前后两端卡槽中的前后孔板进行固定，形成催化床。推进剂前导管及喷管与分解室通过螺纹连接，分别从分解室前后两端旋入，对前后孔板起到固定作用。分解室前后两端靠近出口处的内壁面均为锥面，前导管及喷管与分解室接触的外壁面均为球面，球面与锥面相接触并通过螺纹紧固形成线密封。推进剂前导管的内腔道中前端为通孔，出口端为扩张型锥面，便于气体扩散；喷管内腔道为锥形“收敛-扩张”喷管。铠装式电热丝紧密缠绕于催化分解室外表面作为加热器。绝热包覆层包裹于整个分解室及喷管外表面，包覆层里层为耐高温玻璃布，最外层为铝箔。由于多处采用可拆卸式硬密封结构，本推力器原理样机中各关键组件容易进行拆卸，方便清洗和拆换。

在推力器工作之前，先利用加热器预热催化剂床，通过置于催化床内部的热电偶可监测催化床温度。当催化床达到预定的阈值温度以后打开电磁阀。氧化亚氮气体经过电磁阀及前导管进入催化床进行催化分解产生氮气和氧气并释放大量的热量。此时可关闭加热电源停止加热，氧化亚氮的分解反应将可凭借自身放热来维持。分解产物经喷管喷出可产生推力。氧化亚氮分解越完全，分解温度越高，则推力器的比冲性能也越高。通过控制开关阀时间，可产生不同大小的脉冲冲量来满足卫星姿态控制需求。

由于实际应用中的催化剂材料及尺寸的多样性，催化剂的化学特性可能存在较大差异。另外，由于应用目标的不同，对推力器产生推力量级的要求也可能不一样。因此，合适催化床结构的选择对于保证上述推力器装置的工作性能具有重要意义。本发明提供一种包含流量预测及寻优试验的使用方法，可以在指定推力器推力量级的前提下寻找较优的催化床结构及催化剂的搭配，以确保推力器装置的使用性能。该寻优方法的基本操作步骤如下：

第一步：根据推力量级要求预测所需推进剂流量；

第二步：利用正交试验法开展催化床结构寻优试验；

第三步：开展性能对比试验，选择最优催化床方案。

本发明的有益效果是，利用氧化亚氮气体无毒、无污染、催化分解温度高及分解反应可自维持的特性，将其应用于航天微小卫星推进领域。相比目前所常用的肼单组元推力器可有效降低推进剂地面处理的风险及成本，相比冷气推力器又能实现较高的比冲性能。

【附图说明】

下面结合附图对本发明进行进一步说明。

图1是本发明的结构组成示意图。

图中标号分别代表：1.电磁阀，2.推进剂前导管，3.分解室，4.前孔板，5.热电偶，6.热电偶接管嘴，7.后孔板，8.喷管，9.铝箔层，10.耐高温玻璃布层，11.压力传感器，12.压力传感器接管嘴，13.催化床，14.铠装电热丝。

【具体实施方式】

下面结合附图来进一步说明本发明的使用方式。

图中所示是本发明涉及的一种氧化亚氮单组元推力器原理样机，包括：1.电磁阀，2.推进剂前导管，3.分解室，4.前孔板，5.热电偶，6.热电偶接管嘴，7.后孔板，8.喷管，9.铝箔层，10.耐高温玻璃布层，11.压力传感器，12.压力传感器接管嘴，13.催化床，14.铠装电热丝。

其中，铠装电热丝(14)的两端分别与加热电源的正负两极相连。在推力器工作之前需要接通电源对催化床进行预热。由耐高温玻璃布(10)及铝箔(9)所共同组成的保温层将有助于减小热损失速率，提高加热效率。通过置于催化床内部的热电偶(5)可随时监测催化床温度。当催化床达到预定的阈值温度以后打开电磁阀(1)。氧化亚氮气体经过前导管(2)进入催化床(13)开始进行催化分解产生氮气和氧气并释放大量的热量，此时可关闭加热电源停止加热。氧化亚氮的分解反应将可凭借自身放热来维持。分解温度及室压可分别通过安装于推力室(3)后部的热电偶(5)及压力传感器(11)来监测。氧化亚氮催化分解产物最终通过喷管(8)喷出，产生推力。通过控制电磁阀(1)开关时间，可产生不同大小的脉冲冲量。

对于氧化亚氮单组元微推力器来说，推进剂分解越完全，反应温度越高，则推力器的比冲性能越，推进剂的能量利用率越高。理论上来说，要使推力器工作在性能较优的状态，就是要使得催化床出口处的分解温度尽量接近其绝热燃烧温度T_ad。针对给定目标推力量级F，给出一种催化床结构寻优法的实施步骤如下：

第一步：根据推力量级要求预测所需推进剂流量；

计算步骤为：

1.给定燃烧室设计工作压力P_c，开展热力计算获得氧化亚氮绝热燃烧温度T_ad，分解产物平均比热比k，及平均摩尔质量M。P_c在0.1～1MPa范围内变化时，绝热燃烧各参数变化有限，分别可选取下列值：

T_ad＝1926K，k＝1.293，M＝29.3g/mol

2.给定喷管扩张比ε，求解下列方程组，获得喷管推力系数C_F；

$C_F=\mathrm{\Γ}\sqrt{\frac{2k}{k-1}[1-{\left(\frac{P_e}{P_c}\right)}^{\frac{k-1}{k}}]}+\mathrm{\ϵ}\frac{P_e}{P_c}---\left(1\right)$

$\mathrm{\ϵ}=\frac{\sqrt{k}{\left(\frac{2}{k+1}\right)}^{\frac{k+1}{2(k-1)}}}{{\left(\frac{P_e}{P_c}\right)}^{\frac{1}{k}}\sqrt{\frac{2k}{k-1}[1-{\left(\frac{P_e}{P_c}\right)}^{\frac{k-1}{k}}]}}---\left(2\right)$

$\mathrm{\Γ}=\sqrt{k}{\left(\frac{2}{k+1}\right)}^{\frac{k+1}{2(k-1)}}---\left(3\right)$

3.已知推力量级要求为F，根据下式求解喷管喉部面积At；

$\mathrm{At}=\frac{F}{C_F{P}_c}---\left(4\right)$

4.利用上述计算过程中已知的各项参数，根据下式求解推进剂流量需求Mf；

$\mathrm{Mf}=\mathrm{\Γ}\frac{P_c{A}_t}{\sqrt{R_0{d}_{\mathrm{ad}}/M}}(R_0=8.314)---\left(4\right)$

第二步：利用正交试验法开展催化床结构寻优试验；

在已知推进剂流量需求的情况下进一步开展催化床结构寻优试验。为减少寻优试验的次数，采用L9正交试验设计表格来安排试验过程。将催化床后端温度Tb作为考察指标。选取催化床横截面积Ab、催化床长度Lb、催化剂特征尺寸Size三个因素作为影响试验指标的因素。每个因素在取值范围内选择三个不同的水平值。按下表搭配各因素的水平值，共开展九组试验。

针对试验结果开展直观分析，可以得到各因素影响大小及因素水平变化对试验指标的影响趋势。上表中K_ij为水平均值，表示第i因素的第j个水平的平均值。通过观察水平均值的变化趋势，可以知道试验指标随各因素水平值的变化而变化的趋势。R为因素极差，表示某因素最大水平均值与最小水平均值之差。极差大则表明因素的影响大，反之则影响小。

按各因素影响从大到小进行排列，以催化床后端温度Tb达到最高的原则选择每个因素中最优水平值进行组合，作为理论较优组合。将九组试验中实测到的催化床后端温度Tb最高的因素水平值的组合作为实测较优组合。

第三步：开展性能对比试验，选择最优催化床方案。；

针对正交试验中所获得的各因素水平值选取的理论较优组合开展试验，将试验结果与前九组试验中所获实际较优组合进行对比。将温度较高的组合作为最终的催化床方案。

Claims (3)

1.一种氧化亚氮单组元推力器原理样机，包括：电磁阀、推进剂前导管、催化分解室、前后多孔板、催化剂、喷管、加热器、热电偶、压力传感器、绝热包覆层。其特征在于：可利用氧化亚氮气体作为推进剂。在推力器工作之前，先利用加热器预热催化剂床，通过置于催化床内部的热电偶可监测催化床温度。当催化床达到预定的阈值温度以后打开电磁阀。氧化亚氮气体经过前导管进入催化床开始进行催化分解产生氮气和氧气并释放大量的热量，此时可关闭加热电源停止加热。氧化亚氮的分解反应将可凭借自身放热来维持。分解产物经喷管喷出可产生推力。通过控制开关阀时间，可产生不同大小的脉冲冲量来满足卫星姿态控制需求。

2.根据权利要求1所述的一种氧化亚氮单组元推力器原理样机，其特征是：电磁阀通过推进剂前导管与推力室相连。催化分解室外形为圆柱状，分解室靠后部外壁两侧分别焊有两个接管嘴与内部腔体相通。铠装式热电偶通过其中一接管嘴伸入分解室中轴线位置，热电偶与接管嘴间通过球头及锥面配合进行线密封；压力传感器接到另一接管嘴上，采用锥面密封。催化剂颗粒紧密装填于分解室内部，通过安装于催化分解室前后两端卡槽中的前后孔板进行固定，形成催化床。推进剂前导管及喷管与分解室通过螺纹连接，分别从分解室前后两端旋入，对前后孔板起到固定作用。分解室前后两端靠近出口处的内壁面均为锥面，前导管及喷管与分解室接触的外壁面均为球面，球面与锥面相接触并通过螺纹紧固形成线密封。推进剂前导管的内腔道中前端为通孔，出口端为扩张型锥面，便于气体扩散；喷管内腔道为锥形“收敛-扩张”喷管。铠装式电热丝紧密缠绕于催化分解室外表面作为加热器。绝热包覆层包裹于整个分解室及喷管外表面，包覆层里层为耐高温玻璃布，最外层为铝箔。

3.根据权利要求1所述的一种氧化亚氮单组元推力器原理样机的使用方法，可以在限定推力器推力量级的前提下寻找较优的催化床结构与催化剂进行搭配，确保推力器装置的使用性能。该寻优方法的基本操作步骤如下：

第一步：根据推力量级要求预测所需推进剂流量；

第二步：利用正交试验法开展催化床结构寻优试验；

第三步：开展性能对比试验，选择最优催化床方案。

Images