CN105402596B - 一种用于卫星电推进系统氙气加注的中转装置 - Google Patents

一种用于卫星电推进系统氙气加注的中转装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于卫星电推进系统氙气加注的中转装置，包括直筒、法兰、液氮管路、装置出口、电加热管、上封头、保温层、温度传感器、下封头和装置进口，所述直筒为上、下两端开口的中空圆柱型结构，其上端与上封头连接，下端与下封头连接；法兰与上封头固连并密封连接，用于防止装置中的氙气泄漏。本发明能够实现卫星电推进系统大加注量的氙气加注任务，解决了加注过程中的关键问题，通过对氙气降温、升温实现加注过程，为静态加注方法，加注过程中不会产生多余物。

Description

一种用于卫星电推进系统氙气加注的中转装置
技术领域
本发明涉及一种用于卫星电推进系统氙气加注的中转装置，属于卫星电推进系统的高纯氙气加注试验技术领域，适用于所有采用高纯氙气作为工质的电推进系统的加注。
背景技术
以氙气作为工质的霍尔电推进系统和离子电推进系统在卫星发射前需进行氙气加注，采用氙气作为工质的电推进系统，其性能直接受氙气纯度的影响，对加注后的氙气纯度有着苛刻的要求：要求加注到推进系统的氙气纯度高于99.995％，水和氧的含量不超过2ppm，而氙气源的纯度仅为99.9995％。所以如何在大容量氙气加注过程中确保氙气纯度以及系统压力、温度、加注量等满足要求，保证加注过程中氙处于气态或超临界态，是电推进系统、尤其是长寿命电推进系统实现工程化应用的一大难题。
国外从上世纪90年代后期就开始了对高纯氙气加注技术的研究，投入了巨大的人力和物力，进行了大量的验证试验，通过多年的技术积累，在高纯氙气加注以及中转装置的研制方面已具备了较强的技术能力。国内由于高纯氙气加注技术尚处空白，在中转装置研制方面没有文献可以参考。
卫星电推进系统氙气加注中转装置是在电推进系统逐步实现工程化应用的过程中摸索和总结的成果，国内没有相关的文献和资料可以借鉴，国外也极少公开纰漏类似装置的设计方法。
发明内容
本发明的技术解决问题：为了克服现有技术的不足，提供一种用于卫星电推进系统氙气加注的中转装置，解决了氙气加注的关键问题，能够有效用于卫星电推进系统的氙气加注任务。
本发明的技术解决方案是：
一种用于卫星电推进系统氙气加注的中转装置，包括直筒、法兰、液氮管路、装置出口、电加热管、上封头、保温层、温度传感器、下封头和装置进口，所述直筒为上、下两端开口的中空圆柱型结构，其上端与上封头连接，下端与下封头连接，法兰与上封头之间固定并密封连接，形成封闭腔体，用于防止装置中的氙气泄漏；
下封头上设置有装置进口，法兰上设置有装置出口，置于封闭腔体内的液氮管路为盘管结构，液氮管路的两个端口穿出法兰；置于封闭腔体内的电加热管为U型结构，电加热管的两个端口穿出法兰；温度传感器置于直筒外表面，以监测装置散热情况；封闭腔体外部包裹有保温层，以防止工作过程中热量外散。
所述保温层材质为深冷三聚酯泡沫，层数至少三层，每层厚度为4mm～6mm。
所述下封头为半球形结构。
所述法兰与上封头之间通过金属密封圈进行密封连接，密封圈、法兰及上封头相互接触部位粗糙度不大于0.8。
所述液氮管路为环形盘管结构，其直径为直筒内径的一半。
所述液氮管路的盘管相邻两圈间距为2mm～5mm。
U型电加热管置于液氮管路围绕的空间中，二者径向间距为5mm～10mm。
直筒与上封头和下封头间通过Ⅰ级焊缝焊接，法兰与上封头进行螺接。
封闭腔体在温度为-196℃～100℃、压强为15MPa范围内可完成对电推进系统氙气加注。
封闭腔体需确保液氮管路及电加热管至少实现50次循环工作，使得加注到推进系统的氙气纯度高于99.995％，水和氧的含量不超过2ppm。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
(1)本发明能够实现卫星电推进系统大加注量的氙气加注任务，解决了加注过程中的关键问题，通过对氙气降温、升温实现加注过程，为静态加注方法，加注过程中不会产生多余物，同时噪音低。
(2)本发明采用装置内部直接加热、降温的方法，可显著提高工作效率，大大减少氙气加注的工作时间。
(3)本发明在氙气源的纯度为99.9995％情况下，要求加注到推进系统的氙气纯度高于99.995％，水和氧的含量不超过2ppm，以使在大容量氙气加注过程中确保氙气纯度以及系统压力、温度、加注量等满足要求。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明加注系统示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细地描述。
现有技术中，采用外部加热、降温的方法实现气体加注，一般采用高低温箱等温控装置实现加热、降温，但该方法工作效率低，经试验验证，加注1kg氙气大约需要1小时，所以一般只用于加注量非常小的工况，而内部直接加热、降温的方法对氙气纯度要求很高，要高于99.995％，同时对中转装置的承温、承压以及为达到吨级加注量而反复加注的使用次数都提出苛刻的要求。
为此，设计一种用于卫星电推进系统氙气加注的中转装置，包括直筒1、法兰2、密封圈5、液氮管路6、装置出口7、电加热管8、上封头9、保温层10、温度传感器11、下封头12和装置进口13，所述直筒1为上、下两端开口的中空圆柱型结构，其上端与上封头9连接，下端与下封头12连接；法兰2与上封头9固连，密封圈5置于法兰2与上封头9之间，密封圈5选择金属材料，为节约成本，可选择不锈钢材料，同时保证密封圈5、法兰2及上封头9相互接触部位粗糙度不大于0.8，用于防止装置中的氙气泄漏；直筒1与上封头9和下封头12间通过Ⅰ级焊缝焊接，法兰2与上封头9进行螺接，形成封闭腔体。
下封头12设计成圆弧形，优选为半球形，以利于抗压要求，在中间位置设置有装置进口13，法兰2中间位置设置有装置出口7，置于装置腔体内的液氮管路6为环形盘管结构，其盘管相邻两圈间距为2mm～5mm，其直径设计成直筒1内径的一半，液氮管路6下边缘距下封头12内壁最小距离为4mm，以使封闭腔体冷却均匀，同时对直筒1不发生任何破坏性影响，以提高加注的效率。
液氮管路6的两个端口穿出法兰2；置于装置腔体内的电加热管8为U型结构，U型电加热管8置于液氮管路6围绕的空间中，二者径向间距为5mm～10mm，U型电加热管8距下封头12最小距离为2mm,使在不影响液氮管路6的情况下，实现加热效率最优，电加热管8的两个端口穿出法兰2；温度传感器11置于直筒1外表面，以监测装置散热情况；装置外部包裹有保温层10，材质选择深冷深冷三聚酯泡沫，层数至少三层，每层厚度为4mm～6mm，以防止工作过程中热量外散。
本发明装置所有与氙气接触的部件均统一采用不锈钢材质，在低温环境下材料的力学性能能够满足工作要求；在冷热交变的工况下，上述部件的收缩、膨胀情况保持一致，保证了装置良好的密封性。
本发明的工作模式如下：
具体如图2所示，装置进口13通过外接加注管路与地面氙气储罐14连接；装置出口7通过外接加注管路与卫星氙气瓶15连接。加注过程中，首先将地面氙气储罐14中的氙气采用落压填充的方式经中转装置填充至卫星氙气瓶15，当地面氙气储罐、中转装置和卫星氙气瓶三者间压力平衡后填充过程结束；液氮管路6中通入液氮，液氮流经装置腔体中的液氮管路6并排到室外，使腔体内温度持续降低，腔体内氙气的压力随温度降低而降低，之后氙气会达到饱和态，气态会变为气液混合态；若继续降温，则氙会沿着饱和蒸汽压曲线向下、逐渐靠近三相点；在这个过程中，装置腔体内的气态氙会逐渐转化为液态，腔体内氙气的压力也会逐渐降低，低于地面氙气储罐压力，此时在压差的作用下，储罐中的氙气会不断流入中转装置；之后启动电加热管8使中转装置腔体内的氙升温，与降温过程相反，腔体内的液态和固态氙会逐渐转化为气态，之后气态氙的压力逐渐升高，直至压力高于卫星氙气瓶压力，此时在压差的作用下，中转装置中的氙会不断流入卫星氙气瓶，由于充入卫星氙气瓶中的氙气量很大，因此需要经过多次进行充入，这个过程需要控制氙气纯度高于99.995％，同时对中转装置的承温、承压以及为达到吨级加注量而反复加注的使用次数都提出苛刻的要求，需要封闭腔体在温度为-196℃～100℃、压强为15MPa范围内，液氮管路及电加热管至少实现50次循环工作。
本发明装置可以用于较大氙气加注量的加注任务，也可通过增加装置数量或增大装置腔体容积，来满足更大加注量的加注任务要求；本装置的成功研制，解决了氙气加注过程中的关键难题，有效推动了高纯氙气在卫星电推进系统中的应用。
本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (3)

1.一种用于卫星电推进系统氙气加注的中转装置，其特征在于，包括直筒(1)、法兰(2)、液氮管路(6)、装置出口(7)、电加热管(8)、上封头(9)、保温层(10)、温度传感器(11)、下封头(12)和装置进口(13)，所述直筒(1)为上、下两端开口的中空圆柱型结构，其上端与上封头(9)连接，下端与下封头(12)连接，法兰(2)与上封头(9)之间固定并密封连接，形成封闭腔体，防止封闭腔体中的氙气泄漏；
下封头(12)上设置有装置进口(13)，法兰(2)上设置有装置出口(7)，置于封闭腔体内的液氮管路(6)为盘管结构，液氮管路(6)的两个端口穿出法兰(2)；置于封闭腔体内的电加热管(8)为U型结构，电加热管(8)的两个端口穿出法兰(2)；温度传感器(11)置于直筒(1)外表面，以监测装置散热情况；封闭腔体外部包裹有保温层(10)，以防止工作过程中热量外散；
液氮管路(6)直径设计成直筒(1)内径的一半，下边缘距下封头(12)内壁最小距离为4mm；
U型电加热管(8)距下封头(12)最小距离为2mm；
加注过程中，首先将地面氙气储罐(14)中的氙气采用落压填充的方式经中转装置填充至卫星氙气瓶(15)中，之后通过中转装置完成后续加注过程；
所述保温层(10)材质为深冷三聚酯泡沫，层数至少三层，每层厚度为4mm～6mm；法兰(2)与上封头(9)之间通过金属密封圈(5)进行密封连接，密封圈(5)、法兰(2)及上封头(9)相互接触部位粗糙度不大于0.8；
所述下封头(12)为半球形结构；液氮管路(6)的盘管相邻两圈间距为2mm～5mm；U型电加热管(8)置于液氮管路(6)围绕的空间中，二者径向间距为5mm～10mm；直筒(1)与上封头(9)和下封头(12)间通过Ⅰ级焊缝焊接，法兰(2)与上封头(9)进行螺接。
2.如权利要求1所述的一种用于卫星电推进系统氙气加注的中转装置，其特征在于：封闭腔体在温度为-196℃～100℃、压强为15MPa范围内可完成对电推进系统氙气加注。
3.如权利要求2所述的一种用于卫星电推进系统氙气加注的中转装置，其特征在于：封闭腔体需确保液氮管路(6)及电加热管(8)至少实现50次循环工作，使得加注到推进系统的氙气纯度高于99.995％，水和氧的含量不超过2ppm。
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