CN102507198A - 一种固体锂推进剂管路填充装置及其填充方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种固体锂推进剂管路填充装置及其填充方法，该装置包括氩气气路分装置、冷却水控制分装置和放置在真空舱中的锂推进剂供给分装置，锂推进剂供给分装置中的锂贮箱、锂中转贮箱和推进剂管路的外壁上都设置有加热膜，锂中转贮箱与发动机之间的推进剂管路上都设置有冷却阀，氩气气路分装置为锂贮箱提供气体压力，冷却水控制分装置为冷却阀供应冷却水。所述方法通过为冷却阀通入冷却水使得锂中转贮箱下游的推进剂管路堵塞，通过加热膜将固体碱金属锂液化后挤压入锂中转贮箱。本发明具有较高的可操作性和实用性，实现了碱金属锂固体推进剂在锂中转贮箱和推进剂管路中的稳定填充，可进一步为发动机地面试验提供稳定的锂推进剂。

Description

一种固体锂推进剂管路填充装置及其填充方法

技术领域

本发明涉及一套适用于电推进发动机试验的固体推进剂管路填充装置和方法，具体涉及一种固体碱金属推进剂——锂(Lithium)的管路填充技术。

背景技术

磁等离子动力学发动机(MPDT)是一种典型的电磁式空间电推进系统，具有高比冲、大推力范围、长寿命、高控制精度、可重复启动等优点，在航天器姿轨控、深空探测和星际航行等任务中具有广阔应用前景。

磁等离子动力学发动机的推进剂可以采用氢气、锂、氖、氩、氙等，利用磁场和电流相互作用生成洛伦兹力来加速等离子体态推进剂产生推力，因此也被称为洛伦兹力加速器(Lorentz Force Accelerator)。世界范围内正在开展通过地面试验对MPDT发动机的各种性能进行研究。试验测试表明锂可以为磁等离子动力学发动机提供优秀的推进性能，是磁等离子动力学发动机推进剂的首选。锂在常温下为固体，并且具有较强的还原性，易与水发生反应，这就使得锂推进剂的有效供给变得困难；但是幸好锂的熔点仅为180.5℃，而沸点为1347℃，这样就可使通过对固体锂加热液化，使得供给有效可控。为了保证在试验中推进剂流量的稳定，在进行试验之前，要进行推进剂管路及装置的填充。鉴于锂具有较强的还原性，遇水发生剧烈反应，并且在常温下为固态，所以液体管路和气体管路的填充方法在锂推进剂管路及装置的填充时不再适用。

发明内容

本发明针对电推进发动机所采用的推进剂是固体碱金属锂，而锂具有较强还原性、易与水发生剧烈反应的特殊情况，存在碱金属锂的推进剂管路及中转装置中的填充难题，并且采用的发动机内部的管路较细，抽取真空较慢的问题，提出一种固体推进剂管路填充装置及其填充方法。

一种固体锂推进剂管路填充装置包括锂推进剂填充分装置、氩气挤压气路分装置和冷却水控制分装置，锂推进剂填充分装置放置在真空舱中。

锂推进剂填充分装置主要包括锂贮箱、锂中转贮箱、活塞、电动机、锂中转贮箱可视窗和导气管路，锂贮箱的底部通过推进剂管路连通锂中转贮箱的底部，锂中转贮箱的底部还通过推进剂管路连至发动机，在锂中转贮箱内部的上方安装有活塞，活塞的上端安装有电动机，在锂中转贮箱的壁面上嵌有锂中转贮箱可视窗，用于观察锂中转贮箱内的推进剂填充情况，在锂中转贮箱中部位置连接有导气管路，用于在抽真空时将锂中转贮箱和推进剂管路内的气体排出；在锂贮箱的外壁面、锂中转贮箱的中部以下外壁面和推进剂管路的外壁面上都布置有加热膜，在锂中转贮箱的外壁面中部位置、导气管路以及锂中转贮箱连通发动机的推进剂管路上设置有冷却阀；锂贮箱在放入固体锂后密封，布置在锂贮箱外壁面的加热膜用于将锂贮箱内的固体碱金属锂液化，布置在锂中转贮箱外壁面的加热膜用于使锂中转贮箱中的锂保持液化状态，布置在推进剂管路外壁面上的加热膜用于维持管路内的锂保持液化状态，电动机控制活塞上下运动将锂中转贮箱内的液态锂挤出填充到连接发动机的推进剂管路中。

所述的氩气挤压气路分装置包括氩气气瓶、氩气气瓶手动截止阀、氩气管路过滤器和氩气管路压力表，氩气气瓶通过氩气管路从锂贮箱的顶部的盖子连通锂贮箱，在氩气气瓶出口的氩气管路上安装有氩气气瓶手动截止阀，在氩气气瓶手动截止阀下游的氩气管路上安装有氩气管路过滤器，氩气管路压力表安装在氩气管路上。

所述的冷却水控制分装置用于为锂推进剂填充分装置中的冷却阀通入冷却水实现阀门控制的作用。

一种固体锂推进剂的填充方法，具体是：

步骤1：试验前，通过导气管路为锂中转贮箱和推进剂管路抽取真空；

步骤2：打开锂贮箱放入作为推进剂的固体碱金属锂，然后密封锂贮箱；

步骤3：氩气挤压气路分装置为锂贮箱通入氩气；

步骤4：打开加热膜，使锂贮箱中的固体碱金属锂液化，实时调控加热膜功率，保证流入推进剂管路和锂中转贮箱的锂保持液态；

步骤5：为锂推进剂填充分装置中的冷却阀通入冷却水，使冷却阀处于工作状态，锂贮箱中液化的锂通过推进剂管路进入锂中转贮箱，同时，通过可视窗观察液态锂推进剂对锂中转贮箱的填充情况，当锂中转贮箱所要求的量充满时，填充完成。

本发明的优点及功效在于：

(1)本发明的装置和方法针对电推进发动机试验的锂推进剂填充装置的特殊要求，将固体碱金属锂加热液化后用惰性气体氩挤压入锂中转贮箱，避免了锂的氧化，通过温度传感器监测锂贮箱、推进剂管路和锂中转贮箱内的温度，实时调整加热膜功率，保证推进剂锂处于液化状态，增强了供给装置的实用性和易操作性；

(2)本发明设计了导气管路和可视化窗口，实现了锂推进剂管路和中转贮箱的真空快速抽取和填充过程的可视化，有效提高了填充过程的效率和可靠性；

(3)本发明解决了电推进发动机地面试验中碱金属固体推进剂——锂管路填充具体应用难题，为进一步深化电推进技术研究与工程应用提供了保障。在电推进试验平台上，使用该套固体推进剂管路填充装置进行了等离子动力学发动机(MPDT)使用固体碱金属锂为推进剂的高空模拟试验，可实现推进剂管路及锂中转贮箱的安全、可靠的快速完全填充，顺利完成试验任务并获得有效数据，符合发动机地面试验要求。

附图说明

图1为本发明填充装置的整体结构示意图；

图2为本发明填充方法的步骤示意图。

具体标号如下：

101.氩气气瓶              102.氩气气瓶手动截止阀    103.氩气管路过滤器

104.氩气管路压力表        201.锂贮箱                202.锂贮箱温度传感器

203.锂贮箱加热膜          204.推进剂管路加热膜      205.锂中转贮箱

206.活塞                  207.电动机                208.锂中转贮箱温度传感器

209.可视窗                210.导气管路              211.锂中转贮箱加热膜

301.循环冷却水贮箱        302.冷却水管路放水阀门I   303.冷却水管路过滤器I

304.导气管路冷却阀I       305.锂中转贮箱冷却阀      306.冷却水管路回流阀门I

307.冷却水管路放水阀门II  308.冷却水管路过滤器II    309.锂推进剂管路冷却阀II

310.冷却水管路回流阀门II

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的锂推进剂填充装置及其填充方法。

本发明的填充装置包括氩气挤压气路分装置、锂推进剂填充分装置和冷却水控制分装置，下面结合图1，按照该套装置一般使用顺序进行说明，方便理解与使用。

考虑到碱金属锂的强还原性，可能会被气体或气体中的杂质氧化，因此挤压气路中的气体采用惰性气体氩气并在氩气管路上设计了过滤器。氩气挤压气路分装置包括氩气气瓶101、氩气气瓶手动截止阀102、氩气管路过滤器103和氩气管路压力表104。氩气气瓶101主要用于存放惰性气体氩气。氩气气瓶手动截止阀102安装在氩气气瓶101出口管路上，用于控制氩气管路的开关。氩气管路过滤器103位于氩气气瓶手动截止阀102的下游，用来保证氩气管路中氩气的清洁度。氩气管路压力传感器104安装在氩气管路上，用于监测氩气管路内气体的压力。当打开氩气气瓶手动截止阀102后，氩气气瓶101中的氩气经过氩气管路过滤器103到达锂贮箱201。

锂推进剂填充分装置的功能是将固体碱金属锂加热液化，并将其安全可靠地填充到推进剂管路和锂中转贮箱205中，使得在发动机工作时，推进剂能够稳定可控地供给到发动机。由于采用固体碱金属锂作为推进剂，它的装置与采用气体推进剂及液体推进剂时有很大不同。锂推进剂供给分装置包括锂贮箱201、锂贮箱温度传感器202、锂贮箱加热膜203、推进剂管路加热膜204、锂中转贮箱205、活塞206、电动机207、锂中转贮箱温度传感器208、可视窗209、导气管路210、锂中转贮箱加热膜211、导气管路冷却阀I 304、锂中转贮箱冷却阀305和锂推进剂管路冷却阀II309。锂贮箱201主要用于存放固体碱金属推进剂锂，并在其中完成固体锂加热液化的过程，锂贮箱201的顶盖上开有孔通入氩气管路，在实验前，将锂贮箱201的顶盖打开放入固体碱金属后，盖上顶盖密封。锂贮箱温度传感器202安装在锂贮箱201的外壁面，用于监测锂贮箱201的温度状况，保证锂贮箱201内的锂处于液化状态。锂贮箱加热膜203安装于锂贮箱201的外壁面，用于加热锂贮箱201和内部的固体碱金属锂，使其液化。推进剂管路加热膜204安装于推进剂管路外壁面用来保持推进剂管路的温度，使推进剂管路内的锂维持在液化状态。锂中转贮箱205用于暂时存贮液态的锂。活塞206安装于锂中转贮箱205内的上方，用于将锂中转贮箱205内的液态锂挤出。电动机207位于活塞206的上端，用于控制活塞206的上下运动，从而完成推进剂锂的流量控制。锂中转贮箱温度传感器208安装于锂中转贮箱205外壁面，用于测量锂中转贮箱205的温度。可视窗209安装于锂中转贮箱205上，用于观察锂中转贮箱205内的推进剂填充情况。导气管路210安装于锂中转贮箱205上，在抽真空时，用于锂中转贮箱205和推进剂管路内的气体排出，导气管路210是由于在通过连接发动机内的管路抽真空时速度慢，为了实现推进剂管路和锂中转贮箱205中真空的快速抽取而设计。锂中转贮箱加热膜211安装于锂中转贮箱205中部以下的外壁面，用于加热锂中转贮箱205及其内液态锂，维持锂处于液态。导气管路冷却阀I 304安装于导气管路210上，在锂中转贮箱205进行推进剂填充时起到阀门的作用。锂中转贮箱冷却阀305安装于锂中转贮箱205外壁面中部，用于防止锂中转贮箱205内的液态锂泄漏。锂推进剂管路冷却阀II309位于锂中转贮箱205的下游，用于控制推进剂管路的开关。

导气管路冷却阀I 304、锂中转贮箱冷却阀305和锂推进剂管路冷却阀II309是通过在所要设置冷却阀的位置的外表面上紧密缠绕上若干圈要通入冷却水的管子来实现的，缠绕的管子与所缠绕的位置的外表面贴合。当缠绕的管子中通入冷却水时，流经导气管路的液态锂受冷由液态转换为固体，使得推进剂管路堵塞，从而起到阀门关闭的作用，流经推进剂管路的液态锂受冷由液态转换为固体，使得推进剂管路堵塞，若有液态锂通过锂中转贮箱205的中部位置，则受冷由液态变为固态，有效防止锂中转贮箱205内的液态锂泄漏。在停止通入冷却水的时候，由于推进剂管路加热膜204的加热，固体状态的锂受热转换为液态，使得推进剂管路疏通。

冷却水控制分装置的功能是为导气管路冷却阀I 304、锂中转贮箱冷却阀305和锂推进剂管路冷却阀II309通入冷却水来实现阀门的作用，在设计中防止冷却水中杂质阻塞冷却阀，在冷却水控制分装置中加入了过滤器。如图1所示，冷却水控制分装置包括循环冷却水贮箱301、冷却水管路放水阀门I 302、冷却水管路过滤器I 303、冷却水管路回流阀门I 306、冷却水管路放水阀门II307、冷却水管路过滤器II308和冷却水管路回流阀门II310。循环冷却水贮箱301主要用于贮存循环冷却水。冷却水管路放水阀门I 302和冷却水管路放水阀门II307分别安装于循环冷却水贮箱301下游不同的冷却水管路I和冷却水管路II，分别用于控制冷却水管路I和冷却水管路II的放水。冷却水管路过滤器I 303和冷却水管路过滤器II308分别安装于冷却水管路I和冷却水管路II中冷却水管路放水阀门I 302和冷却水管路放水阀门II307的下游，分别用于过滤冷却水管路I和冷却水管路II中的循环冷却水。导气管路冷却阀I 304安装于冷却水管路I中冷却水管路过滤器I 303的下游，当进行锂中转贮箱的推进剂填充时，用于控制关闭导气管路210的作用。锂中转贮箱冷却阀305安装于冷却水管路I中导气管路冷却阀I 304的下游，用于防止锂中转贮箱205发生液态锂泄漏。锂推进剂管路冷却阀II309安装于冷却水管路II中冷却水管路过滤器II308的下游，用于控制推进剂管路的开关。冷却水管路回流阀门I 306和冷却水管路回流阀门II310分别安装于冷却水管路I和冷却水管路II中锂中转贮箱冷却阀305和锂推进剂管路冷却阀II309的下游，分别用于控制冷却水管路I和冷却水管路II的冷却水回流。

本发明装置中选用的管路为不锈钢管，材料为1Cr18Ni9Ti，材料具有良好的耐腐蚀性。

本发明装置中选用的温度传感器202、208采用热电阻PT100。

本发明装置中选用的可视窗209采用石英管，材料具有良好的耐高温性能。

本发明装置中的氩气气瓶手动截止阀102、冷却水管路放水阀门I 302、冷却水管路回流阀门I 306、冷却水管路放水阀门II307和冷却水管路回流阀门II310均采用型号为Y5708.1-91的手动截止阀，阀门接口为标准DN4、37°接头并与相应管路上球头连接。

本发明装置中的氩气管路过滤器103采用型号为25μm过滤器，冷却水管路过滤器I303和冷却水管路过滤器II308采用型号为10μm的过滤器。具体应用中可以根据使用要求自行选取。

搭建本发明装置中需要进行许多焊接工作，建议使用氩弧焊或者其他惰性气体保护焊，这样减少焊接处的氧化物，而且管路加工完毕后必须经过酸洗钝化，再进行超声波清洗、氮气吹除等操作，进而保证整个装置的清洁度。

下面对采用本发明的锂推进剂填充装置填充锂推进剂，以使得的在试验中能稳定为发动机提供锂推挤剂的方法进行说明。如图2所示，该方法具体过程如下：

(1)试验操作前，首先进行抽取真空，由于发动机内的管路可能比较细，所以中转贮箱205和推进剂管路内的气体从导气管路210排出。

(2)抽取真空达到一定的真空度时，在舱内打开锂贮箱201，把作为推进剂的固体碱金属锂放入其中，然后密封锂贮箱201。

(3)氩气挤压气路分装置中氩气气瓶101提供了一路用于在推进剂加注过程中对锂贮箱201增压的气体，气体从氩气气瓶101出来后首先通过手动截止阀102进入氩气管路过滤器103，以便将气体中可能携带的颗粒等杂质过滤掉；氩气气路压力表104用于监测向锂贮箱201提供的增压气体的压力；氩气气瓶手动截止阀102打开的时候，装置实现对锂贮箱201的放气操作。

(4)同时打开加热膜。打开锂贮箱加热膜203，使得锂贮箱201中的固体碱金属锂液化，同时打开推进剂管路加热膜204和锂中转贮箱加热膜211，通过锂贮箱温度传感器202和锂中转贮箱温度传感器208监测锂贮箱201和锂中转贮箱205，实时调控加热膜功率，保证流入推进剂管路和锂中转贮箱205的锂保持液态。

(5)给导气管路冷却阀I 304、锂中转贮箱冷却阀305和锂推进剂管路冷却阀II309通入冷却水，使导气管路冷却阀I 304、锂中转贮箱冷却阀305和锂推进剂管路冷却阀II309处于工作状态。先打开冷却水管路回流阀门I 306、冷却水管路回流阀门II310，随后打开冷却水管路放水阀门I 302和冷却水管路放水阀门II307，在冷却水管路I内，冷却水从循环冷却水贮箱301流出，流经冷却水管路放水阀门I 302、冷却水管路过滤器I 303、导气管路冷却阀I 304、锂中转贮箱冷却阀305和冷却水管路回流阀门I 306，至循环冷却水贮箱301；在冷却水管路II内，冷却水从循环冷却水贮箱301流出，流经冷却水管路放水阀门II307、冷却水管路过滤器II308、锂推进剂管路冷却阀II309和冷却水管路回流阀门II310，至循环冷却水贮箱301。使导气管路冷却阀I 304、锂中转贮箱冷却阀305和锂推进剂管路冷却阀II309处于工作状态，此时向锂贮箱201增压进行推进剂的加注时，锂贮箱201内的液态锂通过推进剂管路进入锂中转贮箱205。导气管路冷却阀I 304处于工作状态可以使得液态锂在此处冷却固化，起到控制阀的作用，关闭导气管路210；锂中转贮箱冷却阀II305处于工作状态可以防止液态锂从锂中转贮箱205的泄漏；锂推进剂管路冷却阀III309处于工作状态，可以使得液态锂在此处冷却固化，起到控制阀的作用，关闭锂中转贮箱205下游的推进剂管路。同时，通过锂中转贮箱205上的可视窗209可以观察到液态锂推进剂对锂中转贮箱205的填充情况，当锂中转贮箱205中所要求的液态锂的量充满时，填充完成。

Claims (7)

1.一种固体锂推进剂管路填充装置，其特征在于，该装置包括氩气挤压气路分装置、冷却水控制分装置和放置在真空舱中的锂推进剂填充分装置；

所述的锂推进剂填充分装置主要包括锂贮箱、锂中转贮箱、活塞、电动机、锂中转贮箱可视窗和导气管路，锂贮箱的底部通过推进剂管路连通锂中转贮箱的底部，锂中转贮箱的底部还通过推进剂管路连至发动机，在锂中转贮箱内部的上方安装有活塞，活塞的上端安装有电动机，在锂中转贮箱的壁面上装有可视窗，用于观察锂中转贮箱内的推进剂填充情况，在锂中转贮箱中部位置连接有导气管路，用于在抽真空时将锂中转贮箱和推进剂管路内的气体排出；在锂贮箱的外壁面、锂中转贮箱的中部以下外壁面和推进剂管路的外壁面上都布置有加热膜，在锂中转贮箱的外壁面中部位置、导气管路以及锂中转贮箱连通发动机的推进剂管路上设置有冷却阀；锂贮箱中放入固体锂，通过布置在锂贮箱外壁面的加热膜用于将锂贮箱内的固体碱金属锂液化，布置在锂中转贮箱外壁面的加热膜用于使锂中转贮箱中的锂保持液化状态，布置在推进剂管路外壁面上的加热膜用于维持管路内的锂保持液化状态，电动机控制活塞上下运动将锂中转贮箱内的液态锂挤出填充到连接发动机的推进剂管路中；

所述的氩气挤压气路分装置包括氩气气瓶、氩气气瓶手动截止阀、氩气管路过滤器和氩气管路压力表，氩气气瓶通过氩气管路从锂贮箱的顶部的盖子连通锂贮箱，在氩气气瓶出口的氩气管路上安装有氩气气瓶手动截止阀，在氩气气瓶手动截止阀下游的氩气管路上安装有氩气管路过滤器，氩气管路压力表安装在氩气管路上；

所述的冷却水控制分装置用于为锂推进剂填充分装置中的冷却阀通入冷却水实现阀门控制的作用。

2.根据权利要求1所述的一种固体锂推进剂管路填充装置，其特征在于，所述的锂推进剂填充分装置还包括温度传感器，温度传感器分别设置在锂贮箱的外壁面和锂中转贮箱的外壁面上。

3.根据权利要求2所述的一种固体锂推进剂管路填充装置，其特征在于，所述的温度传感器采用热电阻PT100。

4.根据权利要求1所述的一种固体锂推进剂管路填充装置，其特征在于，所述的冷却阀为要通入冷却水的管子，该管子紧密地缠绕在所要设置冷却阀的位置的外表面上，缠绕一圈以上，要通入冷却水的管子与所要缠绕的部位贴合。

5.根据权利要求1所述的一种固体锂推进剂管路填充装置，其特征在于，所述的冷却水控制分装置包括循环冷却水贮箱、冷却水管路放水阀门、冷却水管路过滤器和冷却水管路回流阀门；所述的循环冷却水贮箱用于贮存循环冷却水，具有两条循环的冷却水管路：冷却水管路I和冷却水管路II；在两条循环的冷却水管路上，按照冷却水流动的方向，均依次在放水口设置有冷却水管路放水阀门，在冷却水管路放水阀门下游设置有冷却水管路过滤器，在冷却水管路I的冷却水管路过滤器的下游依次连通设置在导气管路的冷却阀和设置在锂中转贮箱的外壁面中部的冷却阀，在冷却水管路II的冷却水管路过滤器的下游连通设置在锂中转贮箱连通发动机的推进剂管路上的冷却阀，在冷却阀的下游均设置有冷却水管路回流阀门，用于控制冷却水管路中冷却水的回流。

6.根据权利要求1或权利要求5所述的一种固体锂推进剂管路填充装置，其特征在于，所述的氩气气瓶手动截止阀和冷却水管路放水阀门、冷却水管路回流阀门均采用型号为Y5708.1-91的手动截止阀，阀门接口为标准DN4、37°接头，并与相应管路上球头连接。

7.应用权利要求1所述的固体锂推进剂管路填充装置为电推进发动机试验的管路填充锂推进剂的方法，其特征在于，具有如下步骤：

步骤1：试验前，通过导气管路为锂中转贮箱和推进剂管路抽取真空；

步骤2：打开锂贮箱放入作为推进剂的固体碱金属锂，然后密封锂贮箱；

步骤3：氩气挤压气路分装置为锂贮箱通入氩气；

步骤4：打开加热膜，使锂贮箱中的固体碱金属锂液化，实时调控加热膜功率，保证流入推进剂管路和锂中转贮箱的锂保持液态；

步骤5：为锂推进剂填充分装置中的冷却阀通入冷却水，使冷却阀处于工作状态，锂贮箱中液化的锂通过推进剂管路进入锂中转贮箱，同时，通过可视窗观察液态锂推进剂对锂中转贮箱的填充情况，当锂中转贮箱所要求的量充满时，填充完成。

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