CN104089112B - 一种电推进系统推力矢量调节机构柔性管路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电推进系统推力矢量调节机构柔性管路,该柔性管路由毛细管组成流动通道,包括两组直段、两组小直径过渡螺旋段、一组大直径螺旋段、球头和外套螺母。所述大直径螺旋段能够以小的附加力矩实现大角度柔性变形;小直径过渡螺旋段起过渡作用,使直段沿大直径螺旋段的中心轴线引出,能够减少柔性变形时的横向位移;每组管路包括三根独立的毛细管,三根毛细管之间采用“品”字形排列,并用热缩套管缩紧,保证了结构稳定,同时避免了毛细管损伤;球头与毛细管采用熔焊连接,提高了连接强度;采用本发明的柔性管路,实现了卫星推进系统管路的柔性化,显著降低了管路的变形附加力矩,能够很好地满足卫星电推进系统推力矢量调节的要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种输送流体用的柔性管路结构,尤其是一种适用于卫星电推进系统推力矢量调节的柔性管路结构。
背景技术
电推进系统的比冲远高于传统的化学推进系统,是近年来国内外大力推广的卫星推进技术,特别是在大型静止轨道卫星上,电推进系统有逐步取代化学推进系统的趋势。我国目前也正在研制使用电推进系统的新一代静止轨道卫星平台。
电推进系统要求电推力器的推力方向,即推力矢量,能够随着卫星质心的变化而不断调节。由于电推力器自身不具备推力矢量调节能力,需要将电推力器安装在可转动的机构,即矢量调节机构上,通过矢量调节机构的转动来实现推力矢量的调节。调节过程中,连接推力器和卫星推进剂贮供系统的管路必须是柔性管路,能够随着矢量调节机构的转动而柔性变形,由此带来管路变形寿命、变形力矩和空间限制等一系列难题。
由于传统的卫星化学推进系统没有推力矢量调节功能,其推进剂管路一般采用通径4mm以上的金属管,刚度很大,不适用于电推进系统推力矢量调节。经检索国内外文献,国内尚未发现卫星电推进系统推力矢量调节机构柔性管路的相关报道,国外虽有类似功能的产品应用,但详细资料未见公开,且其外形结构不能满足我国正在研制的卫星电推进系统矢量调节机构的要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足,提供一种电推进系统推力矢量调节机构柔性管路,该柔性管路结构变形力矩小、变形寿命长、实现了卫星推进系统管路的柔性化,保证了结构稳定,提高了连接强度,显著降低了管路的变形附加力矩,能够很好地满足卫星电推进系统推力矢量调节的要求。
本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的:
一种电推进系统推力矢量调节机构柔性管路,包括两组直段、两组小直径过渡螺旋段、一组大直径螺旋段、球头和外套螺母,所述直段的轴线与大直径螺旋段的轴线重合,所述大直径螺旋段的两端分别连接小直径过渡螺旋段的一端,小直径过渡螺旋段的另一端连接直段的一端,直段的另一端连接球头,外套螺母套在直段的管子上,且所述两组直段、两组小直径过渡螺旋段和一组大直径螺旋段之间为一体成型。
在上述电推进系统推力矢量调节机构柔性管路中,直段、小直径过渡螺旋段和大直径螺旋段包括三根毛细管,形成三个独立的推进剂通道,三根毛细管之间呈“品”字形排布,“品”字形外围通过热缩套管缩紧。
在上述电推进系统推力矢量调节机构柔性管路中,毛细管外径为1.5mm-2.0mm,内径为0.7mm-1.0mm。
在上述电推进系统推力矢量调节机构柔性管路中,外套螺母和球头均为六个,每端各三个,与三根毛细管相对应,外套螺母套在直段的毛细管上,球头采用氩弧焊或真空电子束焊接在直段的毛细管一端。
在上述电推进系统推力矢量调节机构柔性管路中,大直径螺旋段为圆柱螺旋,螺旋外径为37mm-42mm,螺距为10mm-15mm。
在上述电推进系统推力矢量调节机构柔性管路中,直段、小直径过渡螺旋段和大直径螺旋段的材料为不锈钢1Cr18Ni9Ti或纯钛TA1。
在上述电推进系统推力矢量调节机构柔性管路中,球头的球面直径为5.5mm-6mm。
在上述电推进系统推力矢量调节机构柔性管路中,球头和外套螺母的材料为不锈钢1Cr18Ni9Ti或钛合金TC4。
在上述电推进系统推力矢量调节机构柔性管路中,热缩套管的长度为3mm-5mm。
本发明与现有技术相比的有益效果为:
(1)、本发明的柔性管路采用由直段、小直径过渡螺旋段和大直径螺旋段组成的全新结构,其中采用毛细管绕制成的大直径螺旋结构,相对于现有的卫星推进系统管路,能够在狭小的空间内实现大柔度,试验表明当两个施力点在大直径螺旋段两端、距离210mm时,在垂直于大直径螺旋段轴线方向弯曲变形10°的附加力矩低至0.2Nm,轴向拉伸和压缩位移10mm范围内,整体刚度小于0.35N/mm;
(2)、本发明的柔性管路结构,采用整体毛细管作为流动通道,内壁平滑,易于保证洁净度;毛细管的气容量小,能够提高系统响应速度;
(3)、本发明柔性管路的三根毛细管之间,采用热缩套管缩紧,既能够保证三根毛细管的相对位置稳定,又能够避免损伤毛细管壁;热缩套管采用多个小段分布排列,可使柔性管路的整体保持较低的刚度;
(4)、本发明柔性管路的直段从大直径螺旋段的轴线上引出,能够使管路在弯曲、拉伸和压缩变形时的横向位移量最小,从而减少了柔性管路所需的安装空间;
(5)、本发明柔性管路的毛细管与球头之间采用氩弧焊或真空电子束焊接,焊接强度高,可检测性更好,能够实现100%无损探伤,提高可靠性;
(6)、本发明柔性管路的毛细管和球头零件采用不锈钢1Cr18Ni9Ti、纯钛TA1或钛合金TC4材料,与推进剂相容性好,与上下游管路接口匹配性好,能够耐受卫星发射阶段的振动载荷和在轨十五年的空间环境考验,适应能力强;
(7)、本发明对柔性管路中的直段、小直径过渡螺旋段、大直径螺旋段和球头等部件的结构形式、尺寸、材料等进行了优化设计,进一步提升了柔性管路的性能质量;本发明使得柔性管路结构变形力矩小、变形寿命长、实现了卫星推进系统管路的柔性化,保证了结构稳定,提高了连接强度,显著降低了管路的变形附加力矩,能够很好地满足卫星电推进系统推力矢量调节的要求。
附图说明
图1为本发明柔性管路的外观结构图;
图2为本发明柔性管路的毛细管“品”字形排布截面示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述:
如图1所示为本发明柔性管路的外观结构图,由图可知柔性管路由两组直段1、两组小直径过渡螺旋段2、一组大直径螺旋段3、热缩套管4、球头5和外套螺母6组成。直段1的轴线与大直径螺旋段3的轴线重合,大直径螺旋段3的两端分别连接小直径过渡螺旋段2的一端,小直径过渡螺旋段2的另一端连接直段1的一端,直段1的另一端连接球头5,外套螺母6套在直段1的管子上,且两组直段1、两组小直径过渡螺旋段2和一组大直径螺旋段3之间圆滑过渡,一体成型。本发明柔性管路的大直径螺旋段3能够以小的附加力矩实现大角度柔性变形,小直径过渡螺旋段2起过渡作用,使直段1沿大直径螺旋段3的中心轴线引出,能够减少柔性变形时的横向位移。
由图1可知,柔性管路的直段1、小直径过渡螺旋段2和大直径螺旋段3包括三根相对独立的毛细管,形成三个相对独立的推进剂通道。三根毛细管都采用一体成型,由三根直的毛细管通过工装同时成型。小直径过渡螺旋段2与大直径过渡螺旋段3和直段1之间都是圆滑过渡,保证整个柔性管路的最小弯曲半径大于8mm。直段1沿大直径螺旋段3的轴线引出。大直径螺旋段3的螺旋外径为37mm-42mm,螺距为10mm-15mm。
如图2所示为本发明柔性管路的毛细管“品”字形排布截面示意图,由图可知三根毛细管之间呈“品”字形排布,三根毛细管外围用热缩套管4缩紧(柔性管路的直段1、小直径过渡螺旋段2和大直径螺旋段3上均通过若干个热缩套管4对三根毛细管进行固定限位,图1中仅给出一部分热缩套管4的图示),保持排布的稳定,同时避免了毛细管损伤。热缩套管4的长度为3mm-5mm,在螺旋上均匀分布,每一圈螺旋上布置2-4个热缩套管4。毛细管外径为1.5mm-2.0mm,内径为0.7mm-1.0mm。
由图1可知,外套螺母6和球头5均为六个,每端各三个,与三根毛细管相对应,外套螺母6先穿过直段1的毛细管之后,毛细管的一端再与球头5焊接,焊接方法为氩弧焊或真空电子束焊,保证了焊缝强度,能够实现焊缝的100%无损探伤。其中球头5的球面直径为5.5mm-6mm。
本发明中直段1、小直径过渡螺旋段2和大直径螺旋段3的材料为不锈钢1Cr18Ni9Ti或纯钛TA1。球头5和外套螺母6的材料为不锈钢1Cr18Ni9Ti或钛合金TC4。
实施例1
大直径螺旋段3的螺旋外径为41mm,螺距为12mm,圈数为11圈,直段长度为300mm,毛细管外径为1.7mm,内径为0.7mm,热缩套管4的长度为5mm,每一圈螺旋上布置4个热缩套管4,球头5的球面直径为5.5mm,整个柔性管路的最小弯曲半径8.5mm,直段1、小直径过渡螺旋段2和大直径螺旋段3的材料为冷拉并固溶处理的不锈钢1Cr18Ni9Ti,球头5和外套螺母6的材料为冷拉不锈钢1Cr18Ni9Ti。
试验表明当两个施力点对称分布在大直径螺旋段两端、距离210mm时,在垂直于大直径螺旋段轴线方向弯曲变形10°的附加力矩低至0.2Nm,轴向拉伸和压缩位移10mm范围内,整体刚度小于0.35N/mm。经过1000次变形循环之后,柔性管路完好,经2MPa氦质谱检漏,其漏率小于1×10-4Pa·L/s。
以上所述,仅为本发明最佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (8)
1.一种电推进系统推力矢量调节机构柔性管路,其特征在于:包括两组直段(1)、两组小直径过渡螺旋段(2)、一组大直径螺旋段(3)、球头(5)和外套螺母(6),所述直段(1)的轴线与大直径螺旋段(3)的轴线重合,所述大直径螺旋段(3)的两端分别连接小直径过渡螺旋段(2)的一端,小直径过渡螺旋段(2)的另一端连接直段(1)的一端,直段(1)的另一端连接球头(5),外套螺母(6)套在直段(1)的管子上,且所述两组直段(1)、两组小直径过渡螺旋段(2)和一组大直径螺旋段(3)之间为一体成型;所述直段(1)、小直径过渡螺旋段(2)和大直径螺旋段(3)包括三根毛细管,形成三个独立的推进剂通道,三根毛细管之间呈“品”字形排布,“品”字形外围通过热缩套管(4)缩紧。
2.根据权利要求1所述的一种电推进系统推力矢量调节机构柔性管路,其特征在于:所述毛细管外径为1.5mm-2.0mm,内径为0.7mm-1.0mm。
3.根据权利要求1所述的一种电推进系统推力矢量调节机构柔性管路,其特征在于:所述外套螺母(6)和球头(5)均为六个,每端各三个,与三根毛细管相对应,外套螺母(6)套在直段(1)的毛细管上,球头(5)采用氩弧焊或真空电子束焊接在直段(1)的毛细管一端。
4.根据权利要求1所述的一种电推进系统推力矢量调节机构柔性管路,其特征在于:所述大直径螺旋段(3)为圆柱螺旋,螺旋外径为37mm-42mm,螺距为10mm-15mm。
5.根据权利要求1所述的一种电推进系统推力矢量调节机构柔性管路,其特征在于:所述直段(1)、小直径过渡螺旋段(2)和大直径螺旋段(3)的材料为不锈钢1Cr18Ni9Ti或纯钛TA1。
6.根据权利要求1所述的一种电推进系统推力矢量调节机构柔性管路,其特征在于:所述球头(5)的球面直径为5.5mm-6mm。
7.根据权利要求1或6所述的一种电推进系统推力矢量调节机构柔性管路,其特征在于:所述球头(5)和外套螺母(6)的材料为不锈钢1Cr18Ni9Ti或钛合金TC4。
8.根据权利要求1所述的一种电推进系统推力矢量调节机构柔性管路,其特征在于:所述热缩套管(4)的长度为3mm-5mm。
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