CN107514320A - 一种基于高压先导技术的微推进模块结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于高压先导技术的微推进模块结构，主阀体采用阀岛结构，将连接各阀的管路功能集成至主阀体中，通过采用功能复用技术减少阀门种类，将压力安全泄压阀与温度安全泄压阀功能统一构成泄压阀，将高压电磁阀与阀岛式阀体中的空腔结合构成电子减压系统，先导主阀既可以正向往高压气容充气，构成加注阀；也可以高压电磁阀的控制下进行反向放气，构成排放阀，从而满足大流量的排出需求；此外，通过与低压传感器一起可以构成一个闭环电子压力调节机构，从而系统中不用使用减压器，减少了部组件数量，提高了系统可靠性；大大减少了系统所需空间，有效提高容积比15％‑20％，能满足有较大总冲要求的微推进系统需求。

Description

一种基于高压先导技术的微推进模块结构

技术领域

本发明涉及一种基于高压先导技术的微推进模块结构，可用于有着高总冲、高可靠要求的微推进模块上，此外，还可以用于氢能源汽车的氢气加注排放控制模块上。

背景技术

立方体卫星或各种小卫星平台对推进系统有着严格的体积、功耗及总冲要求。现有的微推进模块结构比较复杂、集成度不高、需要的流体控制部组件较多，这些都增加了系统的复杂度、降低了可靠性。有些微推进系统对高压系统的安全性考虑不足。同时，也由于工作压力较低，通常总冲较低，不能满足有着较大总冲的应用场合。

申请号为CN201010238400.8的中国专利公开了一种适用于微纳卫星的丙烷液化气微推进装置，其技术方案要点是该发明包括加排阀、第一推进剂贮箱、第二推进剂贮箱、第一导热模块、第二导热模块、减压器、稳压罐、安全阀、推力器、压力传感器A、压力传感器B、过滤器和控制线路盒；本发明微推进装置使用丙烷为推进剂，无毒无污染。该发明的不足之处在于系统集成度不高，所需的流体部组件较多，较为复杂。

申请号为CN201410151931.1的中国专利公开了一种固体冷气微推进系统。该发明公开了一种固体冷气微推进系统。包括依次连接的储气室、电磁阀、微型电阻加热器，所述的储气室设置有压力传感器和多个氮气生成器，所述的微型电阻加热器由硅片和加热电阻构成，其中，硅片内设置通气槽和拉瓦尔形喷口，通气槽进气端与电磁阀连接，通气槽出气端与拉瓦尔形喷口连接，加热电阻设置在玻璃基底上，所述硅片与玻璃基底键合。本发明以固体氮气生成器取代高压储气罐储存氮气，大大减少了整个系统的体积和质量；在氮气从喷口喷出之前经过微型电阻加热器加热，达到一定的温度后再喷出，增加了氮气喷出后所产生的推力，提高了整个微推进系统的推进效率，且推力小，精度高。该发明的不足之处在于其推进剂贮存方法是常压，单位体积产生的气体不多，因此容积比冲较低，不能满足高比冲的应用要求。

申请号为CN201010238396.5的中国专利公开了一种采用三圆柱推进剂贮箱的氮气冷气微推进装置，包括第一推进剂贮箱、第二推进剂贮箱、第三推进剂贮箱、高压充气阀、高压传感器、高压自锁阀、高压减压器、低压减压器、过滤器、推力器与控制线路盒；上述部件均安装在安装隔板上；用于微小卫星进行姿态控制以及轨道维持与控制；该发明微推进装置使用氮气为推进剂。该发明的不足一是集成度不足，系统比较复杂；二是流体部组件种类、数量较多，降低了系统的可靠性；三是没有考虑故障模式下的高压推进剂排出。

发明内容

本发明的技术解决问题是：为克服现有技术的不足，提出一种基于高压先导技术的微推进模块结构，利用复用技术、组合功能减少了阀门种类，提高了系统的可靠性及有效容积比冲。

本发明的技术解决方案是：

一种基于高压先导技术的微推进模块结构，包括阀岛式阀体、先导主阀、高压手动截止阀、冷气推力器、高压传感器、泄压阀、高压电磁阀、加注阀、低压传感器和控制电路，

高压手动截止阀与阀岛式阀体固定连接，同时通过在阀岛式阀体上的孔与阀岛式阀体的加注阀连通，高压手动截止阀一端通过阀岛式阀体内通孔与冷气推力器入口端连通，加注推进剂时关闭高压手动截止阀；高压手动截止阀与外部通过O型圈密封；冷气推力器与阀岛式阀体上设的孔固定连接，冷气推力器入口端和阀岛式阀体上设的缓冲气容连通，出口端为外部环境；高压传感器与阀岛式阀体上设的孔固定连接，高压传感器与阀岛式阀体上的高压气容连通；泄压阀为压力温度一体化泄压阀，泄压阀与阀岛式阀体固定连接，泄压阀入口端通过在阀岛式阀体上的孔与阀岛式阀体上的高压气容连通，泄压阀出口端与外部通过O型圈密封；高压电磁阀与阀岛式阀体固定连接，高压电磁阀入口端通过在阀岛式阀体上的孔与先导主阀高压端相连，高压电磁阀出口端通过在阀岛式阀体上的孔与先导主阀低压端相连，高压电磁阀的气路流通部分与外部通过O型圈密封；加注阀与阀岛式阀体上设的孔固定连接，加注阀通过阀岛式阀体上的通道与先导主阀的低压端连接，加注阀的气路流通部分与外部通过O型圈密封；低压传感器与阀岛式阀体固定连接，低压传感器与阀岛式阀体上的缓冲气容连通；

控制电路在微推进模块加注推进剂时通过高压传感器监控阀岛式阀体中高压气容部分压力，当达到所需压力时则停止加注，控制电路还可根据压力值制定不同的加注策略，当需要往将推进剂从阀岛式阀体中高压气容排放至阀岛式阀体中低压气容时，控制电路通过低压传感器监控阀岛式阀体中低压气容部分压力，同时控制高压电磁阀快速通断从而将先导主阀打开，使得推进剂从阀岛式阀体中高压气容排放至阀岛式阀体中低压气容中，当需要给外部提供推力时，则通过驱动冷气推力器，打开相应的冷气推力器，获得所需的推力。

先导主阀、加注阀通过阀岛式阀体上的气道相连，构成加注通道；高压电磁阀、先导主阀、高压手动截止阀、低压传感器通过阀岛式阀体上的气道相连，构成电子调压系统；泄压阀通过阀岛式阀体中连通气道与阀岛式阀体中高压气容部分连通相连，构成过温度、手动安全泄气通道；冷气推力器与阀岛式阀体上的低压缓冲气容部分连通，当驱动冷气推力器时，则产生推力，将工作介质从缓冲气容部分喷出。

先导主阀既可以正向往高压气容充气，构成加注通路一部分；也可以在高压电磁阀的控制下，先导主阀从高压气容端向低压气容端放气，构成排放通路一部分，以满足10g以上大流量工作条件下的调压需求。

当需要加注推进剂时，首先将外部气源连接至加注阀入口端，同时保证高压手动截止阀处于关闭位置，由阀岛式阀体上的气道将加注阀、先导主阀和阀岛式阀体中高压气容部分相连，构成加注通道，将高压工作介质加注至高压气容部分，高压传感器在此过程中监控高压压力，将压力值传回至控制电路，控制电路根据加注情况决定加注策略；先导主阀此时起到一个单向阀的作用，只要加注端的压力大于阀岛式阀体中高压气容部分压力0.2MPa时，先导主阀就会保持开启状态，加注完成后，撤掉外部连接管路，将加注端堵死。

当需要将先导主阀中的高压部分工作介质减压输出时，首先关闭高压手动截止阀，然后开启高压电磁阀，高压电磁阀打开后，先导主阀控制端与高压手动截止阀连通，使得先导主阀的主阀芯在高压的作用下开启，从而打开先导主阀，使得工作介质从高压部分排出；

当需要停止排放时，则关闭高压电磁阀，先导主阀控制端恢复高压，在高压端压力大于低压端压力的作用下，先导主阀阀芯关闭，从而实现关闭。

将此工作过程与低压传感器、先导主阀中缓冲气容联合使用，形成电子减压系统，当缓冲气容的压力低于其设计所需的压力时，则脉冲式开启高压电磁阀，给缓冲气容充气；阀岛式阀体中低压气容压力值可调范围小于阀岛式阀体中高压气容压力值，当缓冲气容的压力高于其设计所需的压力时，则停止脉冲式充气。

泄压阀一端通过阀岛式阀体中通气孔与高压工作介质部分直接相连，当外部温度过高超过泄压阀设定温度时，泄压阀动作，使得阀岛式阀体中高压气容与外部连通，高压工作介质则通过此气路排放至系统设置的安全区域；当阀岛式阀体中高压气容的压力超过其所设安全压力时，自动顶开泄压阀，将气体排出。

当先导主阀、高压电磁阀都不能正常工作，而此时阀岛式阀体中高压气容中存有一定高压气体时，将泄压阀是用螺纹件连接在阀岛式阀体上，通过旋转螺纹件，将泄压阀阀芯提起，将高压工作介质从阀岛式阀体中放出。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明主阀体采用阀岛结构，将连接各阀的管路功能集成至主阀体中，通过采用功能复用技术减少阀门种类，将压力安全泄压阀与温度安全泄压阀功能统一构成泄压阀，将高压电磁阀与阀岛式阀体中的空腔结合构成电子减压系统，先导主阀和高压电磁阀构成先导阀结构，先导主阀既是充气通道，又是放气通道；先导主阀既可以正向往高压气容充气，构成加注阀；也可以高压电磁阀的控制下进行反向放气，构成排放阀，从而满足大流量的排出需求；此外，通过与低压传感器一起可以构成一个闭环电子压力调节机构，从而系统中不用使用减压器，减少了部组件数量，提高了系统可靠性；大大减少了系统所需空间，有效提高容积比冲15％-20％，能满足有较大总冲要求的微推进系统需求；

(2)本发明充分考虑了各种故障模式需要，包括；可以在高压电磁阀、先导主阀等阀门失效的情况下进行手动排放高压工作介质后故障诊断；还可以在周围温度达到一定值时自动将工作介质排放出模块，并通过主阀体阀岛上外部接口将工作介质排放至指定区域，提高了系统可靠性；

(3)本发明是一种集成式的微推进模块，可以通过3D打印技术构造其内部流道结构，不需要管路连接，也使得整个模块集成度极其高，同样减少了微推进系统的体积，提高了有效容积比冲。

附图说明

图1为本发明模块功能示意图；

图2为本发明模块立体示意图；

图3为本发明爆炸图示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

本发明微推进模块是一种高压条件下使用，有效提高有效容积比冲的发明，可用于有着高总冲、高可靠要求的微推进模块。

具体基于高压先导技术的微推进模块结构如图2所示。阀岛式阀体1中设有空腔、孔、内部流道及螺纹接口，用于连接及连通其余各个组件，本发明阀岛式阀体1采用3D打印技术构造其内部流道结构，c包括阀岛式阀体1、先导主阀2、高压手动截止阀3、冷气推力器4、高压传感器5、泄压阀6、高压电磁阀7、加注阀8、低压传感器9和控制电路10。安装时，先导主阀2安装在阀岛式阀体1内，位置在阀岛式阀体1的一侧，最后用螺母将先导主阀压紧在阀岛式阀体1里，通过O型圈密封的方式保证气密性；高压手动截止阀3与阀岛式阀体1通过螺纹固定连接，高压手动截止阀3通过在阀岛式阀体1上的孔与阀岛式阀体1的加注阀8连通，一端通过阀体内通孔与冷气推力器4入口端连接，用于保证在加注时关闭。高压手动截止阀3与外部通过O型圈密封的方式保证气密性；冷气推力器4与阀岛式阀体1上设的孔通过螺纹或焊接方式固定连接。入口端和阀岛式阀体1上设的缓冲气容连通。出口端为外部环境；高压传感器5与阀岛式阀体1上设的孔通过螺纹或焊接方式固定连接。高压传感器5与阀岛式阀体1上的高压气容部分连通；泄压阀6与阀岛式阀体1通过螺纹固定连接，其入口端通过在阀岛式阀体1上的孔与阀岛式阀体1上的高压气容部分连通，其与外部通过O型圈密封的方式保证气密性；高压电磁阀7与阀岛式阀体1通过螺纹或焊接固定连接，其入口端通过在阀岛式阀体1上的孔与先导主阀2上游高压端相连，其出口端通过在阀岛式阀体1上的孔与先导主阀2下游低压端相连。当采用螺纹固定连接方式时，与外部通过O型圈密封的方式保证气密性；加注阀8与阀岛式阀体1上设的孔通过螺纹或焊接方式固定连接。其通过阀岛式阀体1上的通道与先导主阀2的低压端连接。当采用螺纹固定连接方式时，与外部通过O型圈密封的方式保证气密性；低压传感器9与阀岛式阀体1上设的孔通过螺纹或焊接方式固定连接。低压传感器9与阀岛式阀体1上的缓冲气容部分连通。

如图1所示，控制电路10在微推进模块加注推进剂时通过高压传感器5监控阀岛式阀体1中高压气容部分压力，当达到所需压力时则停止加注。控制电路10还可根据压力值制定不同的加注策略；当需要往将推进剂从阀岛式阀体1中高压气容排放至阀岛式阀体1中低压气容时，控制电路通过低压传感器9监控阀岛式阀体1中低压气容部分压力，同时控制高压电磁阀7快速通断从而将先导主阀2打开，使得推进剂从阀岛式阀体1中高压气容排放至阀岛式阀体1中低压气容中。当需要给外部提供推力时，则通过驱动冷气推力器4，打开相应的冷气推力器4，获得所需的推力。

所述的种基于高压先导技术的微推进模块结构还包括：所述阀岛式阀体1为金属；所述先导主阀2、高压手动截止阀3、冷气推力器4、高压传感器5、泄压阀6、高压电磁阀7、加注阀8、低压传感器9中阀体结构材料使用的为金属，密封材料为橡胶O型圈。

如图3为所示，先导主阀2、高压传感器5安装在同一侧；高压手动截止阀3、泄压阀6、高压电磁阀7、低压传感器9安装在同一侧；加注阀8安装在一侧。冷气推力器4安装在阀岛式阀体1底部对称的四个方向，相邻两个推力器之间角度为90度。

本发明的工作过程如下：

当需要加注推进剂时，首先将外部气源连接至加注阀8入口端；同时保证高压手动截止阀6处于关闭位置；由阀岛式阀体1上的气道将加注阀8、先导主阀2和阀岛式阀体1中高压气容部分相连，构成加注通道，将高压工作介质加注至高压气容部分，高压传感器5在此过程中监控高压压力，将压力值传回至控制电路10。控制电路10根据加注情况决定加注策略。先导主阀2此时起到一个单向阀的作用，只要加注端的压力大于阀岛式阀体1中高压气容部分压力0.2MPa时，先导主阀2就会保持开启状态。加注完成后，撤掉外部连接管路，并用堵头将加注端堵死。

当需要将先导主阀2中的高压部分工作介质减压输出时，首先关闭高压手动截止阀3，然后加电开启高压电磁阀7，气路上，高压电磁阀7一端与先导主阀2控制端连接，一端与先导主阀2下游连接。高压电磁阀7打开后，先导主阀2控制端与低压端连通后，使得先导主阀2的主阀芯在高压的作用下开启，从而打开先导主阀，使得工作从高压部分排出。当需要停止排放时，则停止给高压电磁阀7供电，此时高压电磁阀7关闭，先导主阀2控制端恢复高压，在上游压力大于下游压力的作用下，先导主阀2阀芯关闭，从而实现关闭。同时，将此工作过程与低压传感器9、先导主阀2中缓冲气容联合使用，形成电子减压系统，当压力低于所需的压力时，则脉冲式开启高压电磁阀7，给缓冲气容充气；当压力高于所需的压力时，则停止脉冲式充气。

泄压阀6一端通过阀岛式阀体1中通气孔与高压工作介质部分直接相连。当外部温度过高超过泄压阀6设定温度如90℃时，泄压阀6动作，使得阀岛式阀体1中高压气容与外部连通，高压工作介质则可以通过此气路排放至系统设置的安全区域，如远端或者大容器端。当压力超过所设安全压力时，一般为高压压力的1.25倍，也可以自动顶开泄压阀6，将气体排出。

当由于某些原因导致先导主阀2、高压电磁阀7都不能正常工作，而此时阀岛式阀体1中高压气容中又存有一定高压气体，需要将气体排出从而进行故障诊断时，泄压阀6是用螺纹连接在阀岛式阀体1上，通过旋转螺纹，可以将泄压阀6阀芯提起，将高压工作介质从阀岛式阀体1中放出。

以上仅为本发明的技术方案的一个实施例，可以根据实际需要，改变模块中阀门的细节结构，实现阀门功能的升级换代。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种基于高压先导技术的微推进模块结构，其特征在于，包括阀岛式阀体(1)、先导主阀(2)、高压手动截止阀(3)、冷气推力器(4)、高压传感器(5)、泄压阀(6)、高压电磁阀(7)、加注阀(8)、低压传感器(9)和控制电路(10)，

高压手动截止阀(3)与阀岛式阀体(1)固定连接，同时通过在阀岛式阀体(1)上的孔与阀岛式阀体(1)的加注阀(8)连通，高压手动截止阀(3)一端通过阀岛式阀体(1)内通孔与冷气推力器(4)入口端连通，加注推进剂时关闭高压手动截止阀(3)；高压手动截止阀(3)与外部通过O型圈密封；冷气推力器(4)与阀岛式阀体(1)上设的孔固定连接，冷气推力器(4)入口端和阀岛式阀体(1)上设的缓冲气容连通，出口端为外部环境；高压传感器(5)与阀岛式阀体(1)上设的孔固定连接，高压传感器(5)与阀岛式阀体(1)上的高压气容连通；泄压阀(6)为压力温度一体化泄压阀，泄压阀(6)与阀岛式阀体(1)固定连接，泄压阀(6)入口端通过在阀岛式阀体(1)上的孔与阀岛式阀体(1)上的高压气容连通，泄压阀(6)出口端与外部通过O型圈密封；高压电磁阀(7)与阀岛式阀体(1)固定连接，高压电磁阀(7)入口端通过在阀岛式阀体(1)上的孔与先导主阀(2)高压端相连，高压电磁阀(7)出口端通过在阀岛式阀体(1)上的孔与先导主阀(2)低压端相连，高压电磁阀(7)的气路流通部分与外部通过O型圈密封；加注阀(8)与阀岛式阀体(1)上设的孔固定连接，加注阀(8)通过阀岛式阀体(1)上的通道与先导主阀(2)的低压端连接，加注阀(8)的气路流通部分与外部通过O型圈密封；低压传感器(9)与阀岛式阀体(1)固定连接，低压传感器(9)与阀岛式阀体(1)上的缓冲气容连通；

控制电路(10)在微推进模块加注推进剂时通过高压传感器(5)监控阀岛式阀体(1)中高压气容部分压力，当达到所需压力时则停止加注，控制电路(10)还可根据压力值制定不同的加注策略，当需要往将推进剂从阀岛式阀体(1)中高压气容排放至阀岛式阀体(1)中低压气容时，控制电路通过低压传感器(9)监控阀岛式阀体(1)中低压气容部分压力，同时控制高压电磁阀(7)快速通断从而将先导主阀(2)打开，使得推进剂从阀岛式阀体(1)中高压气容排放至阀岛式阀体(1)中低压气容中，当需要给外部提供推力时，则通过驱动冷气推力器(4)，打开相应的冷气推力器(4)，获得所需的推力。

2.如权利要求1所述的一种基于高压先导技术的微推进模块结构，其特征在于，先导主阀(2)、加注阀(8)通过阀岛式阀体(1)上的气道相连，构成加注通道；高压电磁阀(7)、先导主阀(2)、高压手动截止阀(3)、低压传感器(9)通过阀岛式阀体(1)上的气道相连，构成电子调压系统；泄压阀(6)通过阀岛式阀体(1)中连通气道与阀岛式阀体(1)中高压气容部分连通相连，构成过温度、手动安全泄气通道；冷气推力器(4)与阀岛式阀体(1)上的低压缓冲气容部分连通，当驱动冷气推力器(4)时，则产生推力，将工作介质从缓冲气容部分喷出。

3.如权利要求1所述的一种基于高压先导技术的微推进模块结构，其特征在于，先导主阀(2)既可以正向往高压气容充气，构成加注通路一部分；也可以在高压电磁阀(2)的控制下，先导主阀(2)从高压气容端向低压气容端放气，构成排放通路一部分，以满足10g以上大流量工作条件下的调压需求。

4.如权利要求1所述的一种基于高压先导技术的微推进模块结构，其特征在于，当需要加注推进剂时，首先将外部气源连接至加注阀(8)入口端，同时保证高压手动截止阀(6)处于关闭位置，由阀岛式阀体(1)上的气道将加注阀(8)、先导主阀(2)和阀岛式阀体(1)中高压气容部分相连，构成加注通道，将高压工作介质加注至高压气容部分，高压传感器(5)在此过程中监控高压压力，将压力值传回至控制电路(10)，控制电路(10)根据加注情况决定加注策略；先导主阀(2)此时起到一个单向阀的作用，只要加注端的压力大于阀岛式阀体(1)中高压气容部分压力0.2MPa时，先导主阀(2)就会保持开启状态，加注完成后，撤掉外部连接管路，将加注端堵死。

5.如权利要求1所述的一种基于高压先导技术的微推进模块结构，其特征在于，当需要将先导主阀(2)中的高压部分工作介质减压输出时，首先关闭高压手动截止阀(3)，然后开启高压电磁阀(7)，高压电磁阀(7)打开后，先导主阀(2)控制端与高压手动截止阀(3)连通，使得先导主阀(2)的主阀芯在高压的作用下开启，从而打开先导主阀，使得工作介质从高压部分排出；

当需要停止排放时，则关闭高压电磁阀(7)，先导主阀(2)控制端恢复高压，在高压端压力大于低压端压力的作用下，先导主阀(2)阀芯关闭，从而实现关闭。

6.如权利要求5所述的一种基于高压先导技术的微推进模块结构，其特征在于，将此工作过程与低压传感器(9)、先导主阀(2)中缓冲气容联合使用，形成电子减压系统，当缓冲气容的压力低于其设计所需的压力时，则脉冲式开启高压电磁阀(7)，给缓冲气容充气；阀岛式阀体(1)中低压气容压力值可调范围小于阀岛式阀体(1)中高压气容压力值，当缓冲气容的压力高于其设计所需的压力时，则停止脉冲式充气。

7.如权利要求1所述的一种基于高压先导技术的微推进模块结构，其特征在于，泄压阀(6)一端通过阀岛式阀体(1)中通气孔与高压工作介质部分直接相连，当外部温度过高超过泄压阀(6)设定温度时，泄压阀(6)动作，使得阀岛式阀体(1)中高压气容与外部连通，高压工作介质则通过此气路排放至系统设置的安全区域；当阀岛式阀体(1)中高压气容的压力超过其所设安全压力时，自动顶开泄压阀(6)，将气体排出。

8.如权利要求1所述的一种基于高压先导技术的微推进模块结构，其特征在于，当先导主阀(2)、高压电磁阀(7)都不能正常工作，而此时阀岛式阀体(1)中高压气容中存有一定高压气体时，将泄压阀(6)是用螺纹件连接在阀岛式阀体(1)上，通过旋转螺纹件，将泄压阀(6)阀芯提起，将高压工作介质从阀岛式阀体(1)中放出。