CN104358663A - 一种用于皮纳卫星的液氨推进系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于皮纳卫星的液氨推进系统，包括数字信号处理电路和微推进装置；微推进装置包括储存液氮的推进系统贮罐，与推进系统贮罐连通的推力器，以及安装在推进系统贮罐和推力器间的电磁阀；数字信号处理电路包括信息监测模块、控制开关模块、接口通信模块；信息监测模块用于监测推进系统当前运行状态；控制开关模块用于控制所述的电磁阀，以启动或关闭所述的推力器；接口与通信模块用于将推进系统当前运行状态信息反馈给卫星，并接收卫星发送的遥控指令。本发明不仅体积小、重量轻、功耗低，同时还具有比冲较大、结构简单研制周期短、安全性能高、一体化多功能、空间即插即用等特点，对10公斤量级的皮纳卫星具有普遍的适用性。

Description

一种用于皮纳卫星的液氨推进系统
技术领域
本发明属于液化气微推进技术领域，具体涉及一种适用于皮纳卫星的液氨推进系统。
背景技术
皮纳卫星具有重量轻、体积小、研制周期短、成本低、功能密度大、发射灵活等特点，在通信、遥感等领域具有广泛的应用前景。微小卫星的发展，可以说是国际航天技术和空间技术的一场划时代的革命，同时也使我国航天事业面临新的机遇和挑战。小卫星分类一般是依据重量来划分，国内外在此方面有着不同的标准。国内普遍的划分原则为：公斤量级的卫星称为皮卫星，10公斤量级的卫星称为纳卫星。
单颗皮纳卫星可以完成的任务有限，随着皮纳卫星技术的发展和其应用领域的扩大，小卫星编队飞行和小卫星星座成为皮纳卫星发展的必然趋势。利用多颗卫星在轨组网可以完成许多复杂昂贵的大卫星所无法完成的工作，如组成分布式星载载波雷达、卫星三维立体成像、高辨率合成孔径对地遥感等等。要完成上述任务，就必然对卫星间相对轨道位置的保持、高精度的姿态控制提出较高的要求。因此，迫切需要发展微推进技术和微推进器。
综合国内外微小卫星推进系统的选用经验，对于总重在50kg级以下的微小卫星，基本局限于常规的冷气推进。冷气微推进技术能够实现mN级别的微推力，并且已经通过了飞行验证，技术上是成熟的。传统的冷气微推进技术采用氮气作为推进剂，比冲较低而且容易造成贮箱体积过大，对于质量体积要求更小的微纳卫星而言，传统的冷气推进系统便不再适用。为了克服传统推进剂的不足，国内外多采用液化气推进技术的方案，主要的推进剂有丁烷、丙烷和氨等，目前也得到了飞行验证。如上海微小卫星工程中心研制的第一颗伴随卫星神舟七号(SZ-7)伴随卫星利用液氨在真空中的闪蒸特性，采用了液氨推进技术。
随着空间任务日益复杂化，快速研制以满足空间任务的快速响应成为了微小卫星领域的研究重点。国内现有微推进技术大多是针对微纳卫星而言，专门针对10公斤量级的皮纳卫星却很少提及；同时，国内现有微推进技术的相关发明主要是说明微推进装置的结构特点，没有从机电一体化的角度完整地公开轨控推进系统的特点与功能等。
发明内容
本发明提供了一种能满足皮纳卫星的液氨推进系统，该推进系统不仅体积小、重量轻、功耗低，同时还具有比冲较大、结构简单研制周期短、安全性能高、一体化多功能、空间即插即用等特点，对10公斤量级的皮纳卫星具有普遍的适用性。
一种用于皮纳卫星的液氨推进系统，包括数字信号处理电路和微推进装置；所述的微推进装置包括储存液氮的推进系统贮罐，与推进系统贮罐连通的推力器，以及安装在推进系统贮罐和推力器间的电磁阀；所述数字信号处理电路包括信息监测模块、控制开关模块、接口通信模块；
所述的信息监测模块，用于监测推进系统当前运行状态；
所述的控制开关模块，用于控制所述的电磁阀，以启动或关闭所述的推力器；
所述的接口与通信模块，用于将推进系统当前运行状态信息反馈给卫星，并接收卫星发送的遥控指令。
本发明的液氨推进系统使用液氨作为推进剂，液氨的饱和蒸汽压跟温度相关，储存温度范围-30℃～50℃时，贮罐内压力为0.15～2.4MPa。
所述的信息监测模块包括：
三轴加速度计，用于监测卫星的加速度信息；
电磁阀电流反馈信息单元，用于监测液氨推进系统是否正常处于开启状态或是关闭状态；
压力传感器，用于获取推进系统贮罐内的液氨压力。
所述控制开关模块为单片机通过片内产生PWM的方式控制电磁阀的开关，从而控制推进器的开启与关闭。
接口与通信模块用于将推进系统当前运行状态信息反馈给卫星，同时也接收卫星发送的遥控指令。所述接口通信模块是单片机通过SPI总线与卫星相互通信，数字信号处理电路实现了本发明一体化多功能的特点，接口通信模块只需要通过SPI总线与卫星连接通信，即插即用，具有普遍的适用性。
所述的单片机获取电磁阀电流反馈信息单元的电磁阀电流信息，并通过片内10位ADC直接转换成数字量；
所述的压力传感器的信息和三轴加速度计信息，需先通过12位A/D芯片转成数字量，然后通过单片机片内SPI读取采样信息；单片机的采样频率为20Hz，即每秒钟需要循环采样20次。
所述的电磁阀采用NMOS管作为开关驱动电路，单片机通过产生高低电平来控制NMOS的导通与关闭，从而控制电磁阀的开关。
所述的电磁阀与推进系统贮罐之间安装有过滤器，且所述的推力器为沿轨道前进方向正负安装的两组，适应相对两个方向的推力输出。
液氨推进系统的设计满足震动适应性和温度适应性，能够保障推进系统在轨运行的可靠性和安全性。液氨推进系统贮罐不通过管路直接连接过滤器、压力传感器和加注口。过滤器依次接有电磁阀、推力器。将罐体和管路进行一体化设计，有效地减小了空间。所述的推进系统贮罐为椭圆截面的近似柱体。
为确保贮罐上各接口的密封性，所述推进系统贮罐的各接口采用双密封结构，包括采用球头外套螺母的一级密封，和以密封圈为辅助的二级密封。
与现有技术相比，本发明具有的优点是：
(1)本发明是针对皮纳卫星设计的推进系统，该推进系统结构简单，易于研制，可靠性安全性高，元器件较少，能有效地降低系统的功耗和质量。
(2)本发明所述的数字信号处理电路实现了推进系统的一体化多功能，接口通信模块采用简单的SPI总线，能够实现空间即插即用，具有普遍的适用性。
(3)本发明将罐体和管路进行一体化设计，有效地减少空间，更加适用于皮纳卫星。
附图说明
图1是本发明的液氨推进系统原理框图；
图2是本发明的液氨推进系统硬件设计框图；
图3是本发明的单片机工作流程图；
图4是本发明的微推进装置结构框图；
图5(a)是本发明中的贮罐外形及尺寸俯视图；
图5(b)是本发明中的贮罐外形及尺寸侧视图；
图中：1.推进系统贮罐，2.推力器，3.电磁阀，4.过滤器，5.工作接口，6.压力传感器接口，7.压力传感器，8.加注口，9.隔离阀，10.底板。
具体实施方式
一种用于皮纳卫星的液氨推进系统，包括数字信号处理电路和微推进装置。数字信号处理电路和微推进装置分别安装在底板两面，底板的形状跟安装液氨推进系统的卫星截面形状相同。本发明的具体实现指标为：
推力大小范围：30mN～80mN；
总冲：24m/s；
系统总漏率：≤1×10-4Pa·m3/s；
系统推力分辨率：65ug；
系统总质量：≤1kg(不含推进剂和底板)；
推进剂加注量：0.318kg；
贮罐容积：0.60升；
贮罐耐压:≥2.4MPa；
功耗：
(1)电磁阀完全打开时，系统功耗≤6W；
(2)电磁阀PWM控制时，系统功耗≤3W；
(3)电磁阀关闭时，系统功耗≤0.7W。
本发明的液氨推进系统原理框图如图1所示。数字信号处理电路由信息监测模块、控制开关模块、接口通信模块3个主要模块组成。
单片机作为推进系统处理器，3轴加速度计用于监测星体加速度信息，电磁阀电流反馈信息用于监测液氨推进系统是否正常处于开启状态或是关闭状态，压力传感器反馈信息用于获取贮罐的液氨压力，用于计算理论推力大小和判断贮箱是否发生故障。由于液氨的饱和蒸汽压只和温度相关，我们可以根据星体的当前温度和液氨压力的关系来判断贮罐是否发生泄漏等故障；液氨理论推力大小和温度与液氨压力关系可以在地面进行标定。信息监测模块用于监测推进系统当前运行状态。即单片机接收3轴加速度计的采样信息、电磁阀电流信息和压力传感器的信息。
控制开关模块是指单片机通过发送推进器开关信号来控制电磁阀的开关，从而控制推进器的开启与关闭。单片机通过片内产生PWM的方式控制电磁阀的开关，可以达到节省功耗的目的。当电磁阀打开时，液氨就会从推力器的喷嘴喷出，从而产生推力，完成轨控任务。
接口与通信模块用于将推进系统当前工作状态信息反馈给卫星综合电子系统，同时推进系统处理器也接收卫星综合电子系统发送的轨道控制信号，控制液氨推进器按照策略动作。接口通信模块是单片机通过SPI总线与卫星相互通信，因此10公斤量级的皮纳卫星只要装配有SPI总线接口，便可以实现液氨推进系统的快速集成，即插即用。
如图2所示，电磁阀采用NMOS管作为开关驱动电路，单片机通过产生高低电平来控制NMOS的导通与关闭，从而控制电磁阀的开关。为减小功耗，当单片机拉高电平打开电磁阀时，待电磁阀完全打开后，单片机可以通过片内集成的PCA模块产生PWM波形，通过PWM方式维持电磁阀的开启状态。PWM占空比为50％时，电磁阀的功耗便可以降至一半。电磁阀的电流可以通过单片机片内的10位ADC直接转换成数字量。3轴加速度计和压力传感器信号先通过12位A/D芯片转成数字量，再通过单片机片内的SPI接口传输数据信息。单片机与卫星综合电子系统通信选用模拟SPI接口，可以自定义SPI协议，具有更好的灵活性和扩展性。
如图3所示，单片机的工作流程如下：
第一步：单片机配置寄存器。单片机主要配置系统时钟频率、PWM波形的频率和占空比、片内SPI寄存器以及片内ADC子系统。本发明中单片机的系统时钟设为12M，PWM的频率为3.9K，占空比为50％，片内SPI的时钟频率为1M。
第二步：单片机采样数据。单片机依次采集电磁阀电流信息、3轴加速度计信息和压力传感器信息。单片机直接获取电磁阀电流信息，并通过片内10位ADC直接转换成数字量；压力传感器的信息和3轴加速度计信息，需先通过12位A/D芯片转成数字量，然后通过单片机片内SPI读取采样信息。单片机的采样频率为20Hz，即每秒钟需要循环采样20次。由于单片机内存受限以及实际数据需求，我们只存储最新的10组数据，并将10组最新的采样数据放在单片机的XRAM中。
第三步：单片机响应轨道控制信号。当单片机通过外部中断接收到轨道控制信号时，就会立即中断数据采样，并开始与综合电子系统通过模拟SPI方式进行通信。当单片机接收到的是数据指令，单片机就会通过SPI将最新的10组采样数据回传给综合电子系统。当单片机接受到的是控制指令，单片机首先解析控制指令。控制指令共分为2大类：打开电磁阀、关闭电磁阀。而关闭电磁阀又有3种模式：即时关机、时间关机和速度关机。单次通信中单片机只接收一种控制指令。
当单片机接收到打开电磁阀的指令时，单片机就会立即拉高相应的管脚电平，NMOS导通，电磁阀打开；当电磁阀完全打开后，单片机相应的管脚就切换成PWM工作模式，用于保持电磁阀的开启状态。当接收到关闭电磁阀的指令时，单片机首先对关机模式进行判断。即时关机时，单片机拉低相应管脚电平，NMOS关闭，电磁阀也立即关闭。时间关机时，综合电子系统会给单片机发送电磁阀的开启时长，单片机便会在电磁阀打开的同时启动定时器进行计时。到达指定的开启时长后，单片机便自动关闭电磁阀。速度关机时，综合电子系统会给单片机发送速度增量。单片机利用采集到的加速度计信息进行累积积分，得到当前速度增量，当到达指定的速度增量时，便自动关闭电磁阀。
当单片机执行完控制指令时，就会中断返回，继续采样数据。
本发明的微推进装置包括安装在底板10上的推进系统贮罐1、管路、隔离阀9、电磁阀3、过滤器4、推力器2、压力传感器7。微推进装置结构框图如图4所示。
本发明使用液氨作为推进剂。相比传统的推进剂如氮、丙烷、丁烷等，氨的比冲和密度比冲最大，那么所需体积和质量都将明显减小，更加适用于微小卫星。同时液氨还具有常温下可加压液化的特点，既具有冷气推进简单的优点，又由于推进工质的液化贮存，在不高的贮存压力下，提高了密度比冲。液氨的饱和蒸汽压跟温度相关，储存温度范围-30℃～50℃时，贮罐内压力0.15～2.4MPa。
推力器沿轨道前进方向正负安装两组，适应相对两个方向的推力输出。
如图5(a)和图5(b)所示，本发明中的液氨贮罐是椭圆截面的近似柱体，并根据比强度和比刚度数据，选用钛合金TC4作为材料。贮罐是用于储存液氨的容器，主要承受内压载荷。根据边界条件，贮罐的最大内压为2.4MPa。等壁厚的情况是应力、变形最小的方案，因此贮罐采用等壁厚的方案。贮罐容积0.61升，质量0.365kg。贮罐设计4个接口管嘴，分别是压力传感器接口、加注口和2个工作接口。罐体和管路进行一体化设计，有效地减小了空间。由于推进系统安装在卫星上后要随卫星在轨运行3年以上时间，推进系统内的液氨不能泄漏，系统的密封性必须得到保证。为确保贮罐上各接口的密封性，解决途径是在管路接头处采用双密封结构。第一级密封也是主要密封，采用球头-外套螺母的密封结构，这种密封结构可满足大多数高中低压的短期密封要求，但为了保证系统总漏率达到≤1×10-4Pa·m3/s的设计指标，设计方案中加入了二级密封结构，即密封圈辅助密封，从而，采用的两级密封满足了系统密封要求。
贮罐上的压力传感器接口6直接连接压力传感器，压力传感器用来监测贮罐里液氨的压力。加注接口8连接隔离阀，隔离阀连接地面加注系统加注液氨。贮罐的两个工作接口5均接有过滤器，过滤器依次连接电磁阀、推力器，当电磁阀打开的时候，贮罐里的液氨就会从推力器喷出，产生推力，从而对卫星进行轨道调节。
液氨推进系统的设计要满足震动适应性和温度适应性。推进系统中，各连接处是整机抗振动条件的薄弱环节，在满足密封的前提下要明确力矩要求，螺钉连接处使用减振垫圈。对于整机，在推进系统安装板处设计阻尼垫圈吸收冲击能量，同时提高系统谐振频率。
推进系统由于长期工作在温度交变的太空中，必须进行温度适应性设计。由于不同材料具有不同的温度特性，在温度变化速率较大的情况下，在不同材料的连接处就会由于温度特性的不同产生热应力。因此，在设计时，在系统各个连接处的零件尽量选用相同材料以保证温度适应性。

Claims (10)

1.一种用于皮纳卫星的液氨推进系统，包括数字信号处理电路和微推进装置；所述的微推进装置包括储存液氮的推进系统贮罐，与推进系统贮罐连通的推力器，以及安装在推进系统贮罐和推力器间的电磁阀；其特征在于，所述数字信号处理电路包括信息监测模块、控制开关模块、接口通信模块；
所述的信息监测模块，用于监测推进系统当前运行状态；
所述的控制开关模块，用于控制所述的电磁阀，以启动或关闭所述的推力器；
所述的接口与通信模块，用于将推进系统当前运行状态信息反馈给卫星，并接收卫星发送的遥控指令。
2.如权利要求1所述的用于皮纳卫星的液氨推进系统，其特征在于，所述的信息监测模块包括：
三轴加速度计，用于监测卫星的加速度信息；
电磁阀电流反馈信息单元，用于监测液氨推进系统是否正常处于开启状态或是关闭状态；
压力传感器，用于获取推进系统贮罐内的液氨压力。
3.如权利要求2所述的用于皮纳卫星的液氨推进系统，其特征在于，所述控制开关模块为单片机通过片内产生PWM的方式控制电磁阀的开关，从而控制推进器的开启与关闭。
4.如权利要求3所述的用于皮纳卫星的液氨推进系统，其特征在于，所述接口通信模块指的是所述的单片机通过SPI总线与卫星相互通信。
5.如权利要求4所述的用于皮纳卫星的液氨推进系统，其特征在于，所述的单片机获取电磁阀电流反馈信息单元的电磁阀电流信息，并通过片内10位ADC直接转换成数字量；
所述的压力传感器的信息和三轴加速度计信息，需先通过12位A/D芯片转成数字量，然后通过单片机片内SPI读取采样信息；单片机的采样频率为20Hz，即每秒钟需要循环采样20次。
6.如权利要求1所述的用于皮纳卫星的液氨推进系统，其特征在于，所述的电磁阀采用NMOS管作为开关驱动电路。
7.如权利要求1所述的用于皮纳卫星的液氨推进系统，其特征在于，所述的电磁阀与推进系统贮罐之间安装有过滤器。
8.如权利要求1所述的用于皮纳卫星的液氨推进系统，其特征在于，所述的推力器为沿轨道前进方向正负安装的两组。
9.如权利要求1所述的用于皮纳卫星的液氨推进系统，其特征在于，所述的推进系统贮罐为椭圆截面的近似柱体。
10.如权利要求9所述的用于皮纳卫星的液氨推进系统，其特征在于，所述推进系统贮罐的各接口采用双密封结构，包括采用球头外套螺母的一级密封，和以密封圈为辅助的二级密封。
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