CN106184823B - 一种自主汽化管理方法及液氨微推进系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自主汽化管理方法及液氨微推进系统，该方法是由贮罐、截止阀与汽化器依次连接构成汽化装置，对汽化器进行加热使其中的液氨推进剂完全汽化，实现恒压或增压汽化。本发明的系统是将上述方法应用于推进系统内，在系统内部布置将液氨推进剂完全汽化的汽化器，使推进剂最终完全以气态的形式通过推力器以达到较高的比冲输出；利用加热调节推力前压力，实现对输出推力大小的控制。本发明的微推进系统可实现对推力的精确、稳定控制，此外，还利用液体的比热特性，复用贮罐加热和采温、采压装置，解决了液化气推进系统推进剂余量难以精确测定的问题。本发明系统可以提高微纳卫星的在轨机动能力，对于拓展微纳卫星的空间应用具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及微纳卫星轨道控制技术领域，尤其涉及一种基于微纳卫星的自主汽化管理方法及液氨微推进系统。
背景技术
微纳卫星的在轨机动能力是决定其任务功能的一个重要因素，而微推进系统是实施轨道机动的核心执行机构。微纳卫星的整星资源有限，其推进系统的结构、体积、功耗、推进工质等都受到较高的制约，相比于常规卫星而言劣势明显。因此，常规推进系统的性能难以满足微纳卫星需要，成为微纳卫星拓展在轨应用的主要限制条件。
液化气推进技术作为成熟的微推进技术之一得到了广泛应用。部分推进系统直接利用液化气的过热闪蒸特性产生推力，该方法会使推进剂喷流夹杂液滴，推力不够稳定且比冲较低；自带汽化加热装置的推进系统，通常在汽化过程中采用落压式设计，落压比通常较高，推力大小也不易控制。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于微纳卫星的自主汽化管理方法及液氨微推进系统，该方法及系统可实现恒压式汽化或增压汽化，有利于提高输出比冲，并可通过调节推力前压力控制输出推力的大小。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明的自主汽化管理方法，是由盛装液氨推进剂的贮罐、截止阀与汽化器依次连接构成汽化装置，对汽化器进行加热使其中的液氨推进剂完全汽化，从而实现恒压或增压汽化。
本发明的自主汽化管理液氨微推进系统包括：MCU控制器、加排隔离阀、用于盛装液氨推进剂的贮罐、截止阀、汽化器、缓冲器、+X面推力器、-X面推力器、贮罐加热片、截止阀加热片、汽化器加热片、贮罐温度传感器、贮罐压力传感器、截止阀温度传感器、缓冲器压力传感器；加排隔离阀、贮罐、截止阀、汽化器、缓冲器顺次相连，缓冲器与+X面推力器和-X面推力器分别相连；MCU控制器分别与截止阀、+X面推力器、-X面推力器、贮罐加热片、截止阀加热片、汽化器加热片相连；贮罐温度传感器、贮罐压力传感器、截止阀温度传感器、缓冲器压力传感器分别与MCU控制器相连，将各传感器检测的信息传输至MCU控制器。
上述技术方案中，所述的汽化器通常设计为筛型汽化器，是在汽化器内开有两条导槽和若干平行筛孔，所述筛孔设于两条导槽之间并将两条导槽导通，其中一条导槽一端开有液氨流入口，另一条导槽的另一端开有氨气流出口，两导槽的其余两端皆封闭，即：两条导槽错开一个孔位，通过错位导槽的结构，形成一条液氨流入通道和一条氨气流出通道，液氨从液氨流入口流入汽化器，流经筛孔，加热后完全汽化，再从氨气流出通道流出至汽化器末端的氨气流出口。采用筛型汽化器的设计提高了推进剂与汽化器的接触面积，也同时提高了汽化器的热容，更有利于液氨推进剂的完全汽化，从而进一步提高气态推进剂的内能，提高输出比冲。
所述的缓冲器还可与筛型汽化器设计为一体化结构，缓冲器的腔体与筛型汽化器的末端固连，氨气流出口直接与该腔体连通，即：液氨经汽化器完全汽化后从氨气流出口单侧导入缓冲器腔体内。通过汽化器加热片对一体化的缓冲器及汽化器进行加热可以更好地控制输出推力的大小。
上述微推进系统的布局方式如下：
所述的贮罐布置在整个微推进系统的几何中心，汽化器为弧形弯曲的包带式结构，包裹在贮罐表面，使汽化器质心与贮罐的中心重合，贮罐质心与推进系统质心以及整星质心重合，+X面推力器和-X面推力器对称布置于贮罐两侧且推力线通过贮罐质心，汽化器与贮罐留有间隙，贮罐加热片、汽化器加热片位于间隙处分别贴装于贮罐及汽化器表面，间隙内设有多层隔温材料，其他部件布置在贮罐周围。采用上述布局方式，可使得贮罐、汽化器这两个系统主要组成和重量构成部分质心重合，位于推力线中心，同时也是整星的质心。这种设计使推进系统在工作过程中质心始终不变，无需姿态控制系统考虑推进剂消耗带来的整星质心偏移。此外，汽化加热装置的弧形弯曲设计，最大程度地提高了系统的空间利用率。
本发明与现有技术相比具有的有益效果：
1)本发明的自主汽化管理方法弥补了传统汽化装置存在较大的压力损失的缺陷，同时保证液化气推进剂得到完全汽化；
2)本发明的自主汽化管理液氨微推进系统，可以提供大小可精确调节的毫牛量级推力，且输出较高比冲；
3)本发明的液氨微推进系统还可对贮罐内液氨推进剂余量进行精确测量，并且仅利用系统已有的功能部件实现，最大程度地降低了系统的复杂程度。
附图说明
图1是本发明的自主汽化管理液氨微推进系统的结构示意图；
图2是液化气自主汽化的过程和原理示意图；
图3是微推进系统结构及布局的模拟装配图；
图4是筛型汽化器的结构示意图；
图5是筛型汽化器与缓冲器一体化设计的结构示意图。
具体实施方式
微纳卫星的在轨机动能力是决定其任务功能的一个重要因素，而微推进系统是实施轨道机动的核心执行机构。微纳卫星的整星资源有限，其推进系统的结构、体积、功耗、推进工质等都受到较高的制约，相比于常规卫星而言劣势明显。因此，常规推进系统的性能难以满足微纳卫星需要，成为微纳卫星拓展在轨应用的主要限制条件。
参照图1-5，本发明的自主汽化管理液氨微推进系统，包括MCU控制器1、加排隔离阀2、用于盛装液氨推进剂的贮罐3、截止阀4、筛型汽化器5、缓冲器6、+X面推力器7、-X面推力器8、贮罐加热片9、截止阀加热片10、汽化器加热片11、贮罐温度传感器12、贮罐压力传感器13、截止阀温度传感器14、缓冲器压力传感器15；贮罐3布置在整个微推进系统的几何中心(如图3所示)，筛型汽化器5为弧形弯曲的包带式结构，包裹在贮罐表面，使汽化器质心与贮罐的中心重合，贮罐质心与推进系统质心以及整星质心重合，+X面推力器7和-X面推力器8对称布置于贮罐两侧且推力线通过贮罐质心，筛型汽化器5与贮罐3留有间隙，贮罐加热片9、汽化器加热片11位于间隙处分别贴装于贮罐及汽化器表面，间隙内设有多层隔温材料起到绝热的作用，其他部件布置在贮罐3周围。
所述的加排隔离阀2、贮罐3、截止阀4、筛型汽化器5、缓冲器6顺次相连，缓冲器6与+X面推力器7和-X面推力器8分别相连；MCU控制器1分别与截止阀4、+X面推力器7、-X面推力器8、贮罐加热片9、截止阀加热片10、汽化器加热片11相连；贮罐温度传感器12、贮罐压力传感器13、截止阀温度传感器14、缓冲器压力传感器15分别与MCU控制器1相连。
筛型汽化器的结构是在汽化器内开有两条导槽和若干平行筛孔，所述筛孔设于两条导槽之间并将两条导槽导通(如图4所示，为加工方便，可以先在汽化器上开设若干平行筛孔再通过在筛孔两端分别设置扣板，形成两条导槽)，其中一条导槽一端开有液氨流入口，另一条导槽的另一端开有氨气流出口，两导槽的其余两端皆封闭。将汽化器设计为平行的筛孔型结构，可使进入汽化器的液氨受热均匀以达到良好的汽化效果，同时提高了汽化装置的热容。缓冲器6与筛型汽化器5可以设计为一体，缓冲器的腔体与筛型汽化器5的末端固连，氨气流出口直接与该腔体连通(如图5)，缓冲器通过管路直接与+X面推力器、-X面推力器相连接，并布置缓冲器压力传感器，用于检测推力前压力。
本发明提出的自主汽化管理液氨微推进系统采用截止阀代替传统的减压阀，由贮罐、截止阀及汽化器构成汽化装置，使推进剂汽化完全在下级的筛型汽化器中发生，实现恒压式或增压式完全汽化，可尽可能提高系统的输出比冲，避免了现有落压式设计的缺陷。截止阀的开关控制贮罐中的液氨推进剂流入筛型汽化器的量，汽化器加热片加热筛型汽化器使其筛孔中的液氨推进剂完全汽化并控制输出推力的大小。如图2所示，其工作过程及原理如下：
每个工作周期开始，液氨从贮罐流出，可以先经过过滤器过滤再流入由截止阀和筛型汽化器组成的单向节流蒸发器，汽化后的气态氨通过小型缓冲器整流后可以再次过滤，最终通过推力器产生推力，一个工作周期内输出的冲量与流入汽化器的推进剂质量相关。
筛型汽化器的容积与截止阀的开启时间有关，换言之，与轨道控制方案对推进系统每个工作周期内提供冲量的要求有关。液氨的在截止阀中的质量流率与阀门开启时间的乘积可以得到一个工作周期内进入汽化器的推进剂质量，汽化器容积应不小于这些氨在等温度、压力为饱和蒸汽压的条件下转化为气态氨的体积。若截止阀内液氨的质量流率为Q，截止阀的开启时间记为tv，在1atm和常温条件(认为推进系统在整星热控条件下工作在常温)下的氨气密度为ρg，汽化器内压(设计时认为是该温度下的饱和蒸气压)与大气压比值的倒数为k，则筛型汽化器的最小容积V为：
根据整星的对推进系统的设计约束以及截止阀的开启时间约束，可以得到合理的汽化器容积。除提供汽化所需热量以外，汽化器还可以对汽化后的推进剂持续加热，调节推力器推力前压力，从而控制推力大小。当推力器的结构确定，其推力性能也确定，推力系数Cf为固定值。若推力器喷管喉部面积为At，汽化器控制的推力前压力为Pc，则可根据下式调节输出的推力值：
F＝Cf·Pc·At
另一方面，汽化加热器对推进剂持续加热，还可以提高推进剂的内能，从而进一步提高系统的比冲。根据实测结果，在系统内部将推进剂完全汽化后，比冲将提高为原来的两倍以上。
除汽化器以外，贮罐也设置主动热控单元。贮罐表面贴装加热片，并贴装高精度温度传感器；贮罐的一个出口布置高精度压力传感器。贮罐加热片给贮罐中的推进剂加热，可以控制贮罐内压，调节截止阀流速。此外，由于贮罐加热片的加热可以使贮罐内的推进剂升温：
Q＝CmΔT
式中C为液氨比热容，m贮罐内为推进剂余量，ΔT为升温值。若加热片的加热功率为P，加热效率为η，开启时间为th，则推进剂吸收的热量Q：
Q＝Pηth
综上，可得：
因此，只需开启一段时间贮罐加热片，用温度传感器精确测定推进剂的温度变化，即可求算出推进剂的余量。但由于加热可能存在不均匀的情况，温度传感器测量值不能完全等同于推进剂的实际温度变化，因此设置贮罐高精度压力传感器，将测量推进剂的温度变化转变为测量对应的饱和蒸气压变化，可以精确反算推进剂余量。
需要指出的是，该实施例中虽然只列出了一种毫牛级自主汽化管理微推进系统的实施方法，但不仅限于文中所述的组成、结构、布局等，例如不同的整星约束、轨道控制需求，或作为姿态控制执行机构，都可以应用上述系统或方法。在本实施例的基础上，采用不同的加热恒压式汽化器结构、不同的系统结构布局，对本领域普通技术人员来说是显而易见的，也就是说，在本实施例的基础上作出的上述改动，都应该落入本发明相应的权利要求保护范围内。
Claims (2)
1.一种自主汽化管理液氨微推进系统，其特征在于，包括MCU控制器（1）、加排隔离阀（2）、用于盛装液氨推进剂的贮罐（3）、截止阀（4）、汽化器（5）、缓冲器（6）、+X面推力器（7）、-X面推力器（8）、贮罐加热片（9）、截止阀加热片（10）、汽化器加热片（11）、贮罐温度传感器（12）、贮罐压力传感器（13）、截止阀温度传感器（14）、缓冲器压力传感器（15）；
所述的加排隔离阀（2）、贮罐（3）、截止阀（4）、汽化器（5）、缓冲器（6）顺次相连，缓冲器（6）与+X面推力器（7）和-X面推力器（8）分别相连；MCU控制器（1）分别与截止阀（4）、+X面推力器（7）、-X面推力器（8）、贮罐加热片（9）、截止阀加热片（10）、汽化器加热片（11）相连；贮罐温度传感器（12）、贮罐压力传感器（13）、截止阀温度传感器（14）、缓冲器压力传感器（15）分别与MCU控制器（1）相连；
所述的汽化器（5）为筛型汽化器，是在汽化器上开设若干平行筛孔，并在筛孔两端分别设置扣板，形成两条导槽，所述筛孔设于两条导槽之间并将两条导槽导通，其中一条导槽一端开有液氨流入口，另一条导槽的另一端开有氨气流出口，两导槽的其余两端皆封闭；
所述的贮罐（3）布置在整个微推进系统的几何中心，汽化器（5）为弧形弯曲的包带式结构，包裹在贮罐表面，使汽化器质心与贮罐的中心重合，贮罐质心与推进系统质心以及整星质心重合，+X面推力器（7）和-X面推力器（8）对称布置于贮罐两侧且推力线通过贮罐质心，汽化器（5）与贮罐（3）留有间隙，贮罐加热片（9）、汽化器加热片（11）位于间隙处分别贴装于贮罐及汽化器表面，间隙内设有多层隔温材料，其他部件布置在贮罐（3）周围。
2.根据权利要求1所述的自主汽化管理液氨微推进系统，其特征在于，所述的缓冲器（6）与筛型汽化器（5）设计为一体，缓冲器的腔体与筛型汽化器（5）的末端固连，氨气流出口直接与该腔体连通。
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