CN105736270A - 一种用于推进器的微小流量供气纯度控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于推进器的微小流量供气纯度控制系统，过快卸接头和截止阀门接入置换气体，对系统全部管道中的空气分段进行排空置换，以降低管道中的空气含量，在完成空气置换后，降低空气含量的基础上，再用推进剂气体进行二次置换，以保证向推力器供给的推进剂纯度；本发明的供气系统可满足两台推力器同时或分别在线工作，尽可能的兼容其他电推力器，另外，供气系统还预留了与电推进分系统贮供单元进行联试的气路接口。

Description

一种用于推进器的微小流量供气纯度控制系统

技术领域

本发明涉及推进器技术领域，尤其涉及一种用于推进器的微小流量供气纯度控制系统。

背景技术

向推力器供给的推进剂，应是高纯度的，其中对推力器，特别是阴极有害的气体，如空气、水分等杂质气体含量，应满足使用要求。一般要求对推力器输入的推进剂纯度应大于等于99.995％，即杂质气体总含量应低于50ppm，其中：氧气小于等于2ppm，水小于等于2ppm。接入的推进剂是推进级纯度的Xe，纯度大于等于99.9955％，其中的氧气、水分含量均可满足要求。因此，在系统泄漏满足要求的条件下，影响推进剂气体纯度的杂质是来自于管道中初始存在的空气。为保证供给推力器的其它纯度，必须排除管道中的空气。经估算，为保证管道中杂质的含量在ppm量级以下，高压段抽真空必须达到由于pa量级，低压段抽真空必须达到由于0.1pa量级。由于所需流量很小，同时存在安装空间限制，因此在系统设计上采用的管道通径较小，长度也较长，因此流导也较小，要达到满足要求的真空度需要很长时间，甚至根本达不到要求的真空度。因此，需要，只依靠系统的排空是达不到供给推进剂要求的纯度的。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种用于推进器的微小流量供气纯度控制系统，可以保证推进剂气体的纯度要求。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

本发明的一种用于推进器的微小流量供气纯度控制系统，为推进器XIT1和推进器XIT2供气，该系统包括推进剂Xe气瓶B1、推进剂Xe气瓶B2、置换Ar气瓶、快卸接头、过滤器、截止阀门、压力表、减压阀PR、质量流量计以及缓冲罐T；

所述推进剂Xe气瓶B1的出气口依次串接快卸接头C1、过滤器F1以及截止阀门V1,推进剂Xe气瓶B2的出气口依次串接快卸接头C2、过滤器F2以及截止阀门V2；截止阀门V1的自由端和截止阀门V2的自由端并接后依次串接压力表M1、减压阀PR1、压力表M2、减压阀PR2、缓冲罐T以及压力表M3的一端；M3的另一端分出6条支路，每条支路依次串接一个截止阀、一个质量流量计和一个快卸接头；六条支路中的六个快卸接头分别通过管道接到真空系统负舱内的两个推进器的推进剂供气通道上；所述六个快卸接头中的三个连接推进器XIT1的三条推进剂供气通道，另外的三个快卸接头连接推进器XIT2的三条推进剂供气通道。

置换Ar气瓶的出气口依次串接快卸接头C4、过滤器F4以及截止阀门V4以及减压阀PR3后分成两路，其中一路依次串接截止阀门V5和截止阀门V7，另一路依次串接截止阀门V6和截止阀门V8；其中，减压阀PR3与截止阀门V6之间的管路上接压力表M10；所述截止阀门V6和截止阀门V8之间的管路与过滤器F2和截止阀门V2之间管路联通；所述截止阀门V5截止阀门V7的管路与过滤器F1截止阀门V1间管路联通；截止阀门V7和截止阀门V8的自由端并接后分成三路，其中第一路串接截止阀门V9和单向阀V34后与大气联通；第二路串接截止阀V11-1、快卸接头C5以及截止阀门V11-2后接干泵的工作口；第三路依次串接截止阀门V10和快卸接头C6；截止缓冲罐T串接截止阀门V12后接在截止阀门V9和截止阀门V10之间的管路上。

较佳的，推进器XIT1和推进器XIT2的推进剂供气管路的每一路均通过法兰将真空系统副舱与外部建立连接；所述每条推进剂供气管路上位于真空系统副舱内部的部分包括串接的两个快卸接头，推进剂供气管路上位于真空系统副舱外部的部分包括串接的截止阀门和快卸接头，外部的快卸接头与所述六条支路中的快卸接头通过管路连接。

本发明具有如下有益效果：

(1)本发明通过快卸接头和截止阀门接入置换气体，对系统全部管道中的空气分段进行排空置换，以降低管道中的空气含量，在完成空气置换后，降低空气含量的基础上，再用推进剂气体进行二次置换，以保证向推力器供给的推进剂纯度；本发明的供气系统可满足两台推力器同时或分别在线工作，尽可能的兼容其他电推力器，另外，供气系统还预留了与电推进分系统贮供单元进行联试的气路接口。

附图说明

图1为本发明的微小流量供气系统的原理图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如图1所示，本发明的控制方法基于微小流量供气系统，为推进器XIT1和推进器XIT2供气。该系统包括推进剂Xe气瓶B1和B2，置换Ar气瓶，多个快卸接头C，多个过滤器F，多个截止阀门V，多个压力表，多个减压阀PR、多个质量流量计以及缓冲罐T。推进剂Xe气瓶B1的出气口依次串接快卸接头C1、过滤器F1以及截止阀门V1,推进剂Xe气瓶B2的出气口依次串接快卸接头C2、过滤器F2以及截止阀门V2；截止阀门V1的自由端和截止阀门V2的自由端并接后依次串接压力表M1、减压阀PR1、压力表M2、减压阀PR2、缓冲罐T以及压力表M3的一端；M3的另一端分出6条支路，每条支路依次串接一个截止阀、一个质量流量计和一个快卸接头；六条支路中的六个快卸接头分别通过管道接到真空系统负舱内的两个推进器的推进剂供气通道上；所述六个快卸接头中的三个连接推进器XIT1的三条推进剂供气通道，另外的三个快卸接头连接推进器XIT2的三条推进剂供气通道。

置换Ar气瓶的出气口依次串接快卸接头C4、过滤器F4以及截止阀门V4以及减压阀PR3后分成两路，其中一路依次串接截止阀门V5和截止阀门V7，另一路依次串接截止阀门V6和截止阀门V8；其中，减压阀PR3与截止阀门V6之间的管路上接压力表M10；所述截止阀门V6和截止阀门V8之间的管路与过滤器F2和截止阀门V2之间管路联通；所述截止阀门V5截止阀门V7的管路与过滤器F1截止阀门V1间管路联通；截止阀门V7和截止阀门V8的自由端并接后分成三路，其中第一路串接截止阀门V9和单向阀V34后与大气联通；第二路串接截止阀V11-1、快卸接头C5以及截止阀门V11-2后接干泵的工作口；第三路依次串接截止阀门V10和快卸接头C6；截止缓冲罐T串接截止阀门V12后接在截止阀门V9和截止阀门V10之间的管路上。

其中，推进器XIT1和推进器XIT2的推进剂供气管路的每一路均通过法兰将真空系统副舱与外部建立连接；所述每条推进剂供气管路上位于真空系统副舱内部的部分包括串接的两个快卸接头，推进剂供气管路上位于真空系统副舱外部的部分包括串接的截止阀门和快卸接头，外部的快卸接头与所述六条支路中的快卸接头通过管路连接。

基于上述供气系统，本发明的控制方法包括以下步骤：

向推力器供给的推进剂，应是高纯度的，其中对推力器，特别是阴极有害的气体，如空气、水份等杂质气体含量，应满足使用要求。

要求对推力器输入的推进剂纯度应≥99.995％，即杂质气体总含量应低于50ppm，其中：氧气≤2ppm，水≤2ppm。

接入的推进剂是推进级纯度的Xe，纯度≥99.9955％，其中的氧气、水份含量均可满足要求。

由于供给流量很小，同时存在安装空间限制，因此在系统设计上采用的管道通径较小，长度也较长，所以其流导也较小，要达到满足要求的真空度需要很长时间，甚至根本达不到要求的真空度，因此，只依靠系统的排空(抽真空)，是达不到供给推进剂要求的纯度的。

因此，通过接口C4、V4接入置换气体如高纯氩气，对系统全部管道中的空气分段进行排空、置换，以降低管道中的空气(主要是氧气和水份)的含量，在完成空气置换，降低了空气含量的基础上，再用工作推进剂对置换气体进行二次置换，以保证向推力器供给的推进剂纯度。

置换气体的最高压力为氙气瓶供给的最高压力，如置换气体气瓶的压力过高，将通过PR3减压获得，压力通过M10压力传感器检测。

步骤一、置换前，打开管道上缠绕的加热带，管道加热最高不超过60℃，同时打开全部阀门(截止阀门，包括电动阀门打开，减压阀丝杆顶进，各质量流量计MFC设置为相应最大流量供给)，通过干泵对管道抽真空约10h，以解吸管道上吸附的空气、水份。

步骤二、对残余空气的置换，即为一次置换，包括对系统前段和系统中段的一次置换，其中，系统前段指的是截止阀门V1和截止阀门V2分别至推进剂Xe气瓶B1和B2之间的管路；具体为：

系统前段(V1、V2前)高压段，以5.0N高纯Ar充压至≥3MPa，向大气泄放至约0.15MPa，(注：不低于当地大气压约85kPa，压力为绝压，泄放压力由单向阀设定)。置换通道为V4→PR3→(V5、V6)→(V7、V8)→V9→V34→大气，充放循环次数为8次，置换至高压管道内的空气含量低于0.5ppm(估算值)。

置换流程如下：

本流程前提是已对C1、C2至气瓶处各接口检漏合格，C1、C2所接气瓶阀门保持关闭，并对管道已进行了加热抽空处理，堵头堵住C3或连接检漏气瓶He，气瓶阀门关闭。

a)保持截止阀门V1、V2、V3、V9、V10、V11-1、V12、V13～V18关闭；

b)打开截止阀门V4，调节减压阀PR3至压力表M10显示的数值，约6MPa；

c)打开截止阀门V5、V6、V7、V8；

d)保持2min；

e)关闭截止阀门V4；

f)打开截止阀门V9，经截止阀门V9和单向阀V34向大气排出残余空气；

g)关闭截止阀门V9；

h)重复步骤b)～g)8次；

i)关闭截止阀门V9；

j)关闭截止阀门V7、V8；

k)关闭截止阀门V5、V6；

此时，管道前段内为纯度5.0N、压力为约0.15MPa的Ar，压力由压力表M10检测；

系统中段指的是截止阀门V1和V2之后至压力表M3之前的管路。

在系统前段置换后，对系统中段(V1/V2后、M3前)以高纯Ar充压至二级减压器PR2设定输出压力，即约0.3MPa，并向真空泄放至约5kPa(由真空系统提供)，置换通道为PR1→PR2→T1→V12→V9→V34→大气及V11→C5→排空泵，充放循环8次，置换至低压管道内的空气含量低于0.5ppm(估算值)。

具体置换流程如下：

本流程前提是接续系统前段(V1、V2前)置换流程。

a)保持截止阀门V1～V18关闭；

b)打开截止阀门V4，调节减压阀PR3至压力表M10显示的示数，约6MPa；

c)打开截止阀门V5和V6中的一个；

d)当步骤c)中打开截止阀门V5时，本步骤打开截止阀门V1；当步骤c)中打开截止阀门V6时，本步骤打开截止阀门V2；此时压力表M1显示与M10显示相当；

e)调节减压阀PR1，至压力表M2显示的示数，约0.6MPa；

f)调节减压阀PR2，至压力表M3显示的示数，约0.3MPa；

g)打开截止阀门V12；

h)保持5min；

i)关闭截止阀门V4；

j)打开截止阀门V9，经截止阀门V9和单向阀V34向大气排出残余空气；

k)关闭截止阀门V9；

l)打开截止阀门V11-1及其后段阀门，通过排空泵对管道抽真空，至压力表M3显示的示数，不高于5kPa；

m)关闭截止阀门V10及其后段阀门；

n)关闭截止阀门V12；

o)关闭截止阀门V1和V2中未关闭的一个；

p)关闭截止阀门V5和V6中未关闭的一个；

q)将减压阀PR1和PR2退回初始位置；

r)重复执行b)～q)步骤8次；

s)执行b)～k)步骤，以保持管道内为正压状态；

t)确认关闭截止阀门V1～V18。

此时，管道内为已置换完成后，压力为充氩约0.2MPa的正压状态。

置换过程中充压、泄放压力可由M3检测。

步骤三、残余Ar气的置换，即二次置换，包括对系统前段和系统中段的二次置换，具体为：

系统前段(V1、V2前)为高压段，以高纯Xe充压至≥3MPa，向大气泄放至约0.15MPa(注：不低于当地大气压约85kPa，压力为绝压，泄放压力由单向阀设定)。充放循环5次，置换至高压管道内的Ar含量低于10ppm(估算值)，置换通道与残余空气置换通道相同。此时，管道内为纯度99.995％的、压力为约0.15MPa的Xe。

置换流程如下：

本流程前提是已完成残余空气置换，管道内为高纯正压氩气，堵头堵住C4或连接置换气瓶Ar，气瓶阀门关闭。

a)保持截止阀门V1～V18关闭；

b)控制减压阀PR1、PR2工作(顶进)；

c)打开截止阀门V7、V8；

d)打开截止阀门V11及其后段阀门，通过干泵对管道抽真空；

e)关闭截止阀门V1～V18；

f)打开快卸接头C1所接Xe气瓶B1阀门；

g)打开截止阀门V7；

h)保持2min；

i)关闭快卸接头C1所接Xe气瓶阀门；

j)打开截止阀门V9，经截止阀门V9和单向阀V34向大气排出残余Ar；

k)重复h)～j)5次；

l)打开快卸接头C2所接Xe气瓶阀门；

m)打开截止阀门V8；

n)保持2min；

o)关闭快卸接头C2所接Xe气瓶阀门；

p)打开截止阀门V9，经截止阀门V9和单向阀V34向大气排出残余Ar；

q)重复l)～p)5次；

此时，管道前段内为纯度5.0N、压力为约0.15MPa的Xe。

系统中段(V1/V2后、M3前)置换流程，具体为：

系统低压段(高压后、M3前)，在系统前段置换后，以高纯Xe充压至二级减压器设定输出压力，即0.3MPa，向排空泵泄放至5kPa，循环5次，置换至低压管道内的Ar含量低于10ppm(估算值)，置换通道同空气置换通道。

置换流程如下：

本流程前提是接续系统前段(V1、V2前)置换流程。

a)保持截止阀门V1～V18关闭；

b)选定两个推进剂气瓶中的一个，并打开其后连接的快卸接头及截止阀门，即C1气瓶阀门及截止阀门V1(或C2气瓶阀门及V2)；

c)调节减压阀PR1，至压力表M2显示约0.6MPa；

d)调节减压阀PR2，至压力表M3显示约0.3MPa；

e)打开截止阀门V12；

f)保持5min；

g)关闭截止阀门V1(或V2)；

h)打开截止阀门V9，经截止阀门V9、V34向大气排出残余Ar；

i)关闭截止阀门V9；

j)打开截止阀门V11-1及其后段阀门，通过干泵对管道抽真空，至压力表M3显示的示数，不高于5kPa；

k)关闭截止阀门V10及其后段阀门；

l)关闭截止阀门V12；

m)关闭截止阀门V1和V2中未关闭的一个；

n)将减压阀PR1、PR2退回初始位置；

o)重复执行步骤b)～n)5次；

p)执行步骤b)～i)，以保持管道内为正压状态；

q)确认关闭截止阀门V1～V18。

此时，管道内为已置换完成后，压力为充氙约0.2MPa的正压状态。

置换过程中充压、泄放压力可由M3检测。

步骤四、LIPS200离子电推力器的流量供给，具体为：

供气系统需要为2台离子推力器同时或单独工作供给推进剂，因此系统配置了两套质量流量控制器MFC，每套由3台MFC构成，其中M4、M5、M6为一套，分别向1#推力器的阴极、阳极、中和器提供流量控制；M7、M8、M9为另一套，分别向2#推力器的阴极、阳极、中和器提供流量控制。

通过截止阀门V13～V18的开闭，可以控制向推力器的推进剂是否供给；通过质量流量控制器M4～M9的调节，可以控制向推力器供给的推进剂流量。

正式工作前应对质量流量控制器MFC后级管道进行排空处理，具体要求为：关闭各MFC及对应的电磁阀，打开FLA上相应的手动阀门，通过真空仓对负压管道进行抽真空处理，至少应处理4h。

流量供给流程如下：

确认全部阀门关闭；

控制计算机上各质量流量控制器MFC设置为工作所需的流量；

打开快卸接头C1气瓶阀门及截止阀门V1(或C2气瓶阀门及V2)；

调节减压阀PR1至压力表M2显示的数值，为0.3+10％MPa；

调节减压阀PR2至压力表M3的数值显示0.3±10％MPa；

手动打开截止阀门V13～V18后级对应手动阀门V19～V24；

控制计算机上打开V13～V18阀门；

工作过程中，可随时按要求设置各MFC供给流量，设置为0流量时，并不能保证该支路完全没有流量，此时供给的流量为该MFC的最小流量。

为确保该支路流量完全为0，应关闭该支路对应的电磁阀；如长期不使用该支路，则同时应关闭该支路对应的手动截止阀(FLA上的V19～V24)。

扩展推力器的流量供给：

因为设计不同量程范围的MFC入口压力是相同的，因此，当需要为已超出LIPS200离子电推力器设计量程/精度的其他推力器供给流量时，可更换符合要求量程/精度的MFC，在无需更改其他部分的情况下，扩展系统的流量使用范围。由于主要试验对象LIPS-200离子电推力器的单路流量为14(1+10％)sccm，1个试验周期500h需要推进剂约0.46m3(标况)，常用Xe气瓶填充量为约1m3(标况)，2台推力器同时工作时，在考虑了清洗、置换用量后，为保证1个试验周期不间断工作需要的足够推进剂量，所以同时接入2个气瓶B1和B2。这样，在1个试验周期的试验过程中不需要更换气瓶，以保证试验的连续性，并降低因更换气瓶造成的推进剂被污染的风险。

推进剂气瓶B1和B2通过快卸接口C1、C2，分别接入供气系统，分别经截止阀V1、V2向其后级供气。当工作中的气瓶压力低于0.25MPa(Xe供应商要求空瓶压力应高于当地大气压)时，关闭该气瓶阀门及相应支路供给阀门(V1或V2)，打开另一个气瓶的阀门及相应支路供给阀门(V1或V2)，使推进剂保持连续供给。当有一个气瓶为空瓶时，为保持推进剂保持连续供给，应进行气瓶替换。替换后，应对该支路进行检漏、置换。

贮供系统产品的流量供给：

当需要为仓内系统贮供产品提供推进剂时，可通过FLB向产品供给高压或低压推进剂。

在对真空系统的连接法兰FLB上，由供气分系统的快卸接头C6，经阀门V10，或直接接气瓶，向产品XFS供给高压推进剂，在仓内采用高压金属软管与产品XFS的入口相连；

如需要向舱内的电推进分系统贮供产品供给低压推进剂，则可调节系统上的减压阀PR1、PR2，经截止阀门V12、V10供给。

法兰FLB上的其他气接口为C38～C42/V25～V29/C43～C47；

法兰FLB上，设计有1个电接口X5，供副仓内产品XFS的电信号出仓，必要时可以借用FLA上的X4，X3、X4均为CX-92穿仓插座，与CX-92插头配套使用。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种用于推进器的微小流量供气纯度控制系统，其特征在于，为推进器XIT1和推进器XIT2供气，该系统包括推进剂Xe气瓶B1、推进剂Xe气瓶B2、置换Ar气瓶、快卸接头、过滤器、截止阀门、压力表、减压阀PR、质量流量计以及缓冲罐T；

所述推进剂Xe气瓶B1的出气口依次串接快卸接头C1、过滤器F1以及截止阀门V1,推进剂Xe气瓶B2的出气口依次串接快卸接头C2、过滤器F2以及截止阀门V2；截止阀门V1的自由端和截止阀门V2的自由端并接后依次串接压力表M1、减压阀PR1、压力表M2、减压阀PR2、缓冲罐T以及压力表M3的一端；M3的另一端分出6条支路，每条支路依次串接一个截止阀、一个质量流量计和一个快卸接头；六条支路中的六个快卸接头分别通过管道接到真空系统负舱内的两个推进器的推进剂供气通道上；所述六个快卸接头中的三个连接推进器XIT1的三条推进剂供气通道，另外的三个快卸接头连接推进器XIT2的三条推进剂供气通道。

置换Ar气瓶的出气口依次串接快卸接头C4、过滤器F4以及截止阀门V4以及减压阀PR3后分成两路，其中一路依次串接截止阀门V5和截止阀门V7，另一路依次串接截止阀门V6和截止阀门V8；其中，减压阀PR3与截止阀门V6之间的管路上接压力表M10；所述截止阀门V6和截止阀门V8之间的管路与过滤器F2和截止阀门V2之间管路联通；所述截止阀门V5截止阀门V7的管路与过滤器F1截止阀门V1间管路联通；截止阀门V7和截止阀门V8的自由端并接后分成三路，其中第一路串接截止阀门V9和单向阀V34后与大气联通；第二路串接截止阀V11-1、快卸接头C5以及截止阀门V11-2后接干泵的工作口；第三路依次串接截止阀门V10和快卸接头C6；截止缓冲罐T串接截止阀门V12后接在截止阀门V9和截止阀门V10之间的管路上。

2.如权利要求1所述的一种用于推进器的微小流量供气纯度控制系统，其特征在于，其中，推进器XIT1和推进器XIT2的推进剂供气管路的每一路均通过法兰将真空系统副舱与外部建立连接；所述每条推进剂供气管路上位于真空系统副舱内部的部分包括串接的两个快卸接头，推进剂供气管路上位于真空系统副舱外部的部分包括串接的截止阀门和快卸接头，外部的快卸接头与所述六条支路中的快卸接头通过管路连接。