CN107271189A - 一种用于电推进发动机长时间试验的推进剂持续供给系统 - Google Patents

Abstract

本发明基于电推进发动机长时间试验任务需求，设计了一套用于电推进发动机长时间试验的推进剂持续供给系统。本发明主要由气源、吹除管路、调压、质量流量调节和推进剂管路内压强监测五部分组成。采用了双气源搭配吹除系统的方案，避免了因为更换气源造成的实验中止和杂质气体对电推进发动机自身的损害。质量流量调节设有多路备份，用于长时间试验过程中对流量计的重新标定校准，通过在流量计前后分别加装阀门将真空舱、推进剂管路与流量计独立起来，不影响真空环境的条件下拆装流量计等等。本发明能够满足电推进发动机长时间试验对推进剂供给系统在流量、压强、可靠性等方面的要求。

Description

一种用于电推进发动机长时间试验的推进剂持续供给系统

技术领域：

本发明属于电推进技术领域，涉及一种用于电推力器长时间试验的推进剂持续供给系统。

背景技术：

电推进是一种将电能转化为推进剂的动能，以获得反作用推力的先进推进方式，相对于传统化学推进方式而言，电推进具有比冲高、控制精度高、寿命长等优点。经过六十年的发展，国际上电推进技术已经日趋成熟。

随着国内航天任务需求的多样化，电推进的地面试验也逐渐变得复杂。推进剂供给系统是电推进地面试验系统中至关重要的一部分，控制着推进剂的流量、压力、状态等物性参数，每个参数都会对推力器的性能产生很大的影响。

国内目前有各种各样的电推进实验平台，但是普通的推进剂供给系统并不能够满足电推进发动机长时间试验的性能需求，因此需要从长时间试验的需求出发，设计一套对应的推进剂持续供给装置。

发明内容：

本发明基于电推进发动机长时间试验任务需求，设计并建造一套满足长时间试验对推进剂供给系统性能要求的推进剂供给系统。该推进剂供给系统需要满足以下功能：

1)能为电推进发动机长时间试验提供稳定可调压强和流量的气体推进剂；

2)装有流量计的支路必须有备份，以便替换标定流量计，保证流量精度；

3)能够进行长时间不间断供给推进剂，长时间试验过程中不能因为更换气瓶而停止实验；

4)能够实时监测推进剂消耗量，及时更换高压气源；

本发明的技术方案如下：这套推进剂持续供给系统主要包括电子秤、高压气瓶、瓶后过滤器、单向阀、高压手阀、减压器以及配套压力表、低压手阀、质量流量计、舱前压力表、舱内压力传感器和连接各个元器件的不锈钢洁净管，以及质量流量计控制系统等组成。真空舱、发动机以及系统中用到的各种元器件的研发不属于本发明内容，元器件均按照相应的要求采购成品。

电子秤用于实时监测高压气瓶内推进剂气体的消耗情况，结合减压器前压力表13，确定更换气源的时机；

用高压气瓶作为整套系统的高压气源；

瓶后过滤器用于过滤更换气瓶引入管道内的杂质，保证管路内推进剂洁净；

单向阀用于两个不同内压的高压气瓶同时打开时防止推进剂气体回流；

高压手阀9和10控制推进剂吹除管路的开启和关闭；高压手阀11和12控制两路气源的通断；

减压器14及配套压力表13和14将气源提供的高压气体调节到质量流量计正常工作需要的压力范围，并维持稳定；

减压阀后过滤器用于流量计上游气体的过滤，净化管路内气体，确保质量流量计精度；

低压手阀17-22和30-36用于控制流量计支路的通断控制，同时在流量计需要标定拆装的时候，能够方便地密封管路，保证真空舱和管路内的气体环境；

质量流量计23-24和显示及控制系统45控制各支路气体的质量流率，按照电推进发动机推进剂流量的要求，提供精确、稳定、可调的推进剂供给；

舱前压力表37-39以及舱内压强传感器41-43用于实时监测推进剂管路内部的压强变化，并且压力表和传感器之间相互对比，保证正确性；

各个管路接头采用英制1/4VCR密封接头，拆装方便密封可靠，管路通过过舱法兰进入真空舱，真空舱为电推进发动机稳定工作提供高真空模拟环境；

本发明的优点：

1)本发明高压气源设计为双气源，同时设计了吹除管路，用于更换气瓶后对进入管道内的杂质气体进行吹除，吹除管路上的质量流量计用于控制吹除速度，减小对舱内真空的影响；

2)更换气源过程不需要关闭发动机；

3)本发明里对推进剂质量流量控制部分作出备份，用于长时间试验过程中，流量计轮流标定时不影响电推进发动机正常工作；

4)本发明在舱内外分别设有舱前压力表和舱内压力传感器，可以实时对比电推进发动机推进剂管路内压强变化；

附图说明

附图为本发明所述的一种用于电推进发动机长时间试验的推进剂持续供给系统的原理图。

图中：

1.电子秤-主； 2.电子秤-副； 3.高压气源-副；

4.高压气源-主； 5.气瓶后过滤器-主； 6.气瓶后过滤器-副；

7.单向阀-副； 8.单向阀-主； 9.吹除管路高压手阀-主；

10.吹除管路高压手阀-副； 11.高压手阀-副； 12.高压手阀-主；

13.阀前压力表； 14.减压阀； 15.阀后压力表；

16.阀后过滤器； 17/30.低压手阀-C副； 18/31.低压手阀-C主；

19/32.低压手阀-B副； 20/33.低压手阀-B主； 21/34.低压手阀-A副；

22/35.低压手阀-A主； 23.吹除管路质量流量计； 24.质量流量计A主；

25.质量流量计A副； 26.质量流量计B主； 27.质量流量计B副；

28.质量流量计C主； 29.质量流量计C副； 36.吹除管路低压手阀；

37.舱前压力表A； 38.舱前压力表B； 39.舱前压力表C；

40.真空舱； 41.压力传感器C； 42.压力传感器B；

43.压力传感器A； 44.电推进发动机； 45.流量计显示及控制系统；

注：不锈钢管和VCR接头这里不再一一列举，

具体实施方式

气源部分：气源部分由主气源和副气源组成，主要包括电子秤1/2、高压气源3/4、气瓶后过滤器5/6、单向阀7/8、高压手阀11/12以及不锈钢洁净管和VCR接头。以主气源为例，高压气瓶-主4与不锈钢管路之间通过CGA580接头连接；气瓶后过滤器-主5两端跟不锈钢管路焊接；单向阀-主8两端跟不锈钢管路焊接密封，高压手阀-主12通过VCR接头与不锈钢管路连接；

正常情况下，主气源或者副气源单独工作，独立给电推进发动机供气。切换气源程序如下(以主气源耗尽为例)：

1)确认更换气源条件。当阀前压力13表示数降至0Psi，阀后压力表15示数小于0.3MPa，且电推进发动机放电电流振荡变大，羽流出现喘息现象，此时需要更换气源；

2)打开高压气源-副3瓶身阀门，缓慢打开高压手阀-副11，由于有单向阀-主8的存在，高压气源-副3内的高压气体不会流进高压气源-主4，待阀前压力稳定后，关闭高压手阀-主12，缓慢调节减压阀14，使阀后压力表15稳定在0.3MPa，由主气源切换至副气源，副气源为试验供给推进剂；

吹除管路：吹除管路包括吹除管路高压手阀9/10、吹除管路质量流量计23，吹除管路低压手阀36以及不锈钢洁净管和VCR接头。吹除管路上游连接至主/副气源管路上的单向阀8/7和高压手阀12/11之间，用于吹除更换气源过程中管路内进入的杂质气体。更换气源及吹除流程如下(以更换高压气源-主4为例)：

1)确保高压手阀9/12处于关闭状态。

2)将高压气源-主4与不锈钢管路的CGA580接头松开，将消耗完的高压气源-主4更换为新的气源，CGA580接头拧紧密封。

3)打开吹除管路低压手阀36，使用真空舱的抽空能力把吹除管路质量流量计23下游管道内的气体抽空；随后打开吹除管路质量流量计23至阀控状态，逐渐增大流量，将吹除管路高压手阀9与吹除管路质量流量计23之间管路内的气体抽空；将流量调至最小，打开吹除管路高压手阀9，逐渐增大吹除流量，将新的高压气源-主4与高压手阀-主12之间因更换气瓶引入的杂质抽空；抽空后关闭高压手阀9/12、吹除管路质量流量计23和吹除管路低压手阀36，新的主气源更换完成，备用；

4)注意第三步的操作应该时刻关注舱内的真空环境，在不影响电推进发动机正常工作的条件下进行吹除。

调压部分：调压部分主要包括阀前压力表13、减压阀14、阀后压力表15以及不锈钢洁净管和VCR接头，两个压力表均通过三通接头接入推进剂管道，减压阀通过VCR接头与推进剂管道相连接。可以根据下游质量流量计的工况要求进行阀后压力调节，供应压力稳定的推进剂气流。

质量流量调节部分：考虑到长时间试验过程中对质量流量计标定的需求，本发明对质量流量调节部分做了备份，质量流量计24/26/28分别在电推进发动机主推进剂管路A/B/C上，通过外置显示及控制系统45进行流量的调节；质量流量计25/27/29分别是质量流量计24/26/28的备份。每一个质量流量计前后均有手动阀门，用来封闭管路和真空舱内的气体环境，方便拆装质量流量计；相连部件之间通过VCR接头相连。

推进剂管路内压强监测部分：舱前压力表37/38/39均通过三通接头接入管路，经过过舱法兰进入真空舱，过舱法兰的设计采用了在法兰上打孔后焊接不锈钢直管，法兰两侧的不锈钢管上均焊接VCR接头的设计方案，方便拆装；舱内压力传感器41/42/43通过三通接头接入推进剂管路，监测电推进发动机推进剂管路内压强变化，与舱前压力表39/38/37对比。

Claims (6)

1.一种用于电推进发动机长时间试验的推进剂持续供给系统，其特征在于：本发明由气源、吹除管路、调压、质量流量调节和推进剂管路内压强监测五部分组成；

气源部分由主气源和副气源组成，主要包括电子秤1/2、高压气源3/4、气瓶后过滤器5/6、单向阀7/8、高压手阀11/12以及不锈钢洁净管和VCR接头。以主气源为例，高压气瓶-主4与不锈钢管路之间通过CGA580接头连接；气瓶后过滤器-主5两端跟不锈钢管路焊接；单向阀-主8两端跟不锈钢管路焊接密封，高压手阀-主12通过VCR接头与不锈钢管路连接；正常情况下，主气源或者副气源单独工作，独立给电推进发动机供气；

吹除管路包括吹除管路高压手阀9/10、吹除管路质量流量计23，吹除管路低压手阀36以及不锈钢洁净管和VCR接头。吹除管路上游连接至主/副气源管路上的单向阀8/7和高压手阀12/11之间，用于吹除更换气源过程中管路内进入的杂质气体；

调压部分主要包括阀前压力表13、减压阀14、阀后压力表15以及不锈钢洁净管和VCR接头，两个压力表均通过三通接头接入推进剂管道，减压阀通过VCR接头与推进剂管道相连接。可以根据下游质量流量计的工况要求进行阀后压力调节，供应压力稳定的推进剂气流；

质量流量调节部分，考虑到长时间试验过程中对质量流量计标定的需求，本发明对质量流量调节部分做了备份，质量流量计24/26/28分别在电推进发动机主推进剂管路A/B/C上，通过外置显示及控制系统45进行流量的调节；质量流量计25/27/29分别是质量流量计24/26/28的备份；每一个质量流量计前后均有手动阀门，用来封闭管路和真空舱内的气体环境，方便拆装质量流量计；相连部件之间通过VCR接头相连；

推进剂管路内压强监测部分，舱前压力表37/38/39均通过三通接头接入管路，经过过舱法兰进入真空舱，过舱法兰的设计采用了在法兰上打孔后焊接不锈钢直管，法兰两侧的不锈钢管上均焊接VCR接头的设计方案，方便拆装；舱内压力传感器41/42/43通过三通接头接入推进剂管路，监测电推进发动机推进剂管路内压强变化，与舱前压力表39/38/37对比。

2.根据权利要求1所述的一种用于电推进发动机长时间试验的推进剂持续供给系统，其特征在于切换气源流程(以主气源耗尽为例)：

1)确认更换气源条件，当阀前压力13表示数降至0Psi，阀后压力表15示数小于0.3MPa，且电推进发动机放电电流振荡变大，羽流出现喘息现象，此时需要更换气源；

2)打开高压气源-副3瓶身阀门，缓慢打开高压手阀-副11，由于有单向阀-主8的存在，高压气源-副3内的高压气体不会流进高压气源-主4，待阀前压力稳定后，关闭高压手阀-主12，缓慢调节减压阀14，使阀后压力表15稳定在0.3MPa，由主气源切换至副气源，副气源为试验供给推进剂。

3.根据权利要求1所述的一种用于电推进发动机长时间试验的推进剂持续供给系统，其特征在于更换气源及吹除流程如下(以更换高压气源-主4为例)：

1)确保高压手阀9/12处于关闭状态；

2)将高压气源-主4与不锈钢管路的CGA580接头松开，将消耗完的高压气源-主4更换为新的气源，CGA580接头拧紧密封；

3)打开吹除管路低压手阀36，使用真空舱的抽空能力把吹除管路质量流量计23下游管道内的气体抽空；随后打开吹除管路质量流量计23至阀控状态，逐渐增大流量，将吹除管路高压手阀9与吹除管路质量流量计23之间管路内的气体抽空；将流量调至最小，打开吹除管路高压手阀9，逐渐增大吹除流量，将新的高压气源-主4与高压手阀-主12之间因更换气瓶引入的杂质抽空；抽空后关闭高压手阀9/12、吹除管路质量流量计23和吹除管路低压手阀36，新的主气源更换完成。

4.根据权利要求1所述的一种用于电推进发动机长时间试验的推进剂持续供给系统，其特征在于阀前压力表13量程为0～3000psi；减压阀入口范围0～10MPa，出口范围0～0.6MPa；阀后压力表量程为-0.1～1.1MPa；工作状态将阀后压力调节至0.3MPa。

5.根据权利要求1所述的一种用于电推进发动机长时间试验的推进剂持续供给系统，其特征在于质量流量计24/25量程为0～100sccm；质量流量计26/27量程为0～10sccm；质量流量计28/29量程为0～10sccm。

6.根据权利要求1所述的一种用于电推进发动机长时间试验的推进剂持续供给系统，其特征在于舱前压力表37/38/39量程为0～0.1MPa；舱内压力传感器量程为13.33～1.33x10⁵Pa。