CN108051220B - 电推进航天器点火试验用圆柱筒体型氙泵、冷板及抽气系统 - Google Patents

电推进航天器点火试验用圆柱筒体型氙泵、冷板及抽气系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电推进航天器系统级点火试验用氙泵冷板，其圆柱筒体底部中心开设有供连接冷头的连接孔，圆柱筒侧壁厚度渐变式处理，使导热截面积渐进式增大；本发明还公开了一种具有上述氙泵冷板的氙泵。本发明适合于以电推力器为动力的航天器点火试验，抽除工质氙气，保障容器压力要求。

Description

电推进航天器点火试验用圆柱筒体型氙泵、冷板及抽气系统
技术领域
本发明属于真空获得设备技术领域，具体而言，本发明通过氦气压缩机与冷头配合工作来制冷冷板，冷板依靠低温冷凝吸附氙气，适用于电推进点火试验。电推力器试验过程中会喷出工质氙气，使真空容器压力上升，而电推力器正常工作需要容器压力低于4×10-3Pa，为满足试验要求，会安装专门用来抽除氙气的抽气系统，本发明的冷板结构，根据使用场合、现场条件可组成新型氙气抽气系统。
背景技术
推进技术在当前的太空活动中扮演越来越重要的角色，是具有战略意义的未来航天关键技术之一。特别是近年来，电推进正逐步代替传统的化学推进技术，受到越来越多的研究关注和应用。目前，世界各国的研究机构开发研制了多种用于姿态控制和航天器推进的电推进系统，广泛应用于地球同步轨道卫星南北位置保持和深空探测等任务。
由于姿态控制发动机及推进器工作在高空环境，其工作环境和参数的特殊性，给其性能和可靠性测试带来了极大难度，所以研究电推进技术的关键技术之一就是研究其地面环境试验技术。通过大量的环境试验了解在不同环境状态下推进系统的性能参数和使用情况，识别和消除潜在的风险，提高其有效性和可靠性。
电推进测试试验通常在空间环境模拟器内进行。电推进试验过程中，发动机会向容器内喷出大量的工质，多为氙气。高真空系统需要将喷出的氙气及时抽走，保证容器真空度优于4×10-3Pa，一旦容器的真空度变坏，劣于4×10-3Pa后发动机将无法正常工作，因此对真空系统抽速提出了较高的要求。相比于9.3～186m3/s的抽速，现有的高真空获得设备明显存在不足。分子泵抽速太小，造价高昂；扩散泵对氙气有良好的抽速，但是存在返油污染，对卫星及离子推进器不利。目前国内外大型空间环境模拟器高真空抽气系统均配置一定数量的具有大抽速(通常单台泵对氮气的名义抽速不小于5×104L/s)的低温泵作为主抽气系统，此类低温泵安装在容器壁上，由插板阀将其与容器内部隔开，在需要低温泵抽气时将插板阀打开，不需要时关闭，此类低温泵后文称为传统低温泵。传统低温泵对氮气的抽速很大，但是对氙气的抽速受泵口障板、热沉及氙气分子量较大等因素的影响，其对氙气的抽速只有对氮气抽速的十分之一左右，有效抽速较小，因此需要研制专门的氙气抽气系统，满足电推进点火试验过程中的氙气抽气要求。其中，冷板是抽气系统中最为关键的部件，目前市场销售的氙泵冷板结构为圆盘型和翼型圆盘结构，如图1所示，该氙泵冷板结构抽速受容器壁面影响十分大。翼型圆盘较圆盘结构的变化在于使圆盘产生了一定的折角，其目的是增大圆盘背面进气量，降低容器壁面对冷板抽速的影响，但作用有限。圆盘型和翼型圆盘结构在容器壁面的影响下抽速降低30％以上，抽速下降十分明显，
发明内容
基于此，本发明的发明之一是提供一种电推进航天器系统级点火试验用电推进航天器系统级点火试验用的氙泵冷板结构，通过圆柱筒体型冷板的设计，使得抽速不受容器壁面影响，氙泵有效抽速增大。
本发明的另一目的在于提供一种电推进航天器系统级点火试验用的氙泵，氙泵为用于抽除氙气的低温泵，需要冷板温度低于50K。
此外，本发明还提供了一种电推进航天器系统级点火试验用的氙气抽气系统，该系统根据冷板结构类型以及使用要求，针对性地进行氙泵的排布，实现点火试验的试验要求。
本发明采用了如下的技术方案。
本发明的电推进航天器系统级点火试验用氙泵冷板，其圆柱筒体体底部中心开设有供连接冷头的连接孔，圆柱筒体体底部部分厚度10mm-20mm，圆柱筒体侧壁厚度渐变式处理，使导热截面积渐进式增大，其中，边缘6mm厚，底部10mm。
进一步地，冷板正反两面镀镍，镀镍层的厚度为0.1～0.3mm。一方面抗离子轰击溅射；一方面提高表面光洁度，降低表面辐射换热系数，降低冷板与外界的辐射换热。
具有电推进航天器系统级点火试验用氙泵冷板的氙泵，包括冷头、具有圆柱筒体体的氙泵冷板、氦气压缩机及控制装置，冷板通过其圆柱筒体体底部中心的连接孔与冷头一端连接固定且两者之间放置铟片加强导热，冷头一端穿过容器法兰延伸，冷头另一端通过高低压氦管与氦气压缩机的氦气源连通，冷头通过通讯线与氦气压缩机控制输出端子连接，外部远程控制柜与氦气压缩机通讯并供电，其中，外部远程控制柜为氦气压缩机供电，并通过控制线给氦气压缩机启动信号；氦气压缩机接收到启动信号后压缩机启动，并为冷头内部的电机通过通讯线提供运转信号；冷头电机接收到运转信号后电机旋转带动冷头内部活塞动作；氦气压缩机提供的高压氦气在冷头活塞腔室内膨胀制冷变为低压氦气后返回氦气压缩机，冷头通过膨胀的氦气获得冷量制冷，并将冷量传输给冷板，使冷板温度维持在50K以下，其中，圆柱筒体体底部部分厚度10mm-20mm，圆柱筒体侧壁厚度渐变式处理，使导热截面积渐进式增大，其中，边缘6mm厚，底部10mm。
其中，氙泵冷板材质选用无氧铜。
其中，冷头可根据需要移动变换位置，即氙泵为移动式。
氙气抽气系统，由多台氙泵并联组成，通过多台氙泵同时工作抽除氙气。
本发明的圆柱筒体型冷板结构，应用在氙气抽气系统中，单台氙泵有效抽速可达16000L/s以上；而普通的圆盘或翼型圆盘结构，应用在氙气抽气系统中，单台氙泵有效抽速约10000L/s。
附图说明
图1为现有技术中的圆盘和翼型圆盘冷板的三维结构示意图。
图2为本发明一具体实施方式的圆柱筒体型冷板的三维结构示意图。
图3为本发明的圆柱筒体型冷板与冷头的连接三维示意图。
图4为本发明的具有圆柱筒体型冷板的氙泵与容器法兰连接结构示意图。
图5为本发明的具有圆柱筒体型冷板容器内部分布的三维装配示意图。
图6为本发明的氙泵各部件连接示意图。
图7为本发明的具有氙泵的氙气抽气系统整体示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的电推进航天器系统级点火试验的冷板结构、氙泵和抽气系统作进一步的说明。
图1显示了目前市场在售现有技术中的圆盘和翼型圆盘冷板的三维结构示意图。
图2显示了本发明一具体实施方式的圆柱筒体型冷板的三维结构示意图。本发明的圆柱筒体型冷板，中心开设有供连接冷头的连接孔；冷板正反两面镀镍，一方面抗离子轰击，一方面提高表面光洁度降低辐射换热。为了尽量减小温度梯度，在冷头受力允许的情况下冷板设计尽量厚些。由于冷量由冷头而来，越靠近冷头，单位截面积热流量越大，本发明采用圆柱筒体厚度渐变式处理，圆柱筒体体底部部分厚度10mm-20mm，圆柱筒体侧壁厚度渐变式处理，使导热截面积渐进式增大，其中，边缘6mm厚，底部10mm，使导热截面积渐进式增大，该设计既可以降低冷板自身重量对冷头的力矩影响，又可以随着热流量的增大加大热流截面积以降低温度梯度。圆柱筒体型冷板其外表面冷凝Xe，内表面受限于分子入射面积小故抽速较小，主要的抽气面是圆柱外表面。圆柱筒体结构其周围无阻挡，周围压力均匀分布，圆柱面法向受容器壁面影响较小，可以认为抽速无损失。由于是单面抽气，在同等壁厚的情况下其质量较大；由于是悬臂结构，对冷头产生的力矩也较大，可采用根部壁厚边缘壁薄的方式为其减重，降低冷头受力的同时不会使温度梯度有较大的跃升。圆柱壳内表面的辐射换热依然正对于内表面，而内表面的温度梯度较小，故圆柱壳内表面辐射换热量很小，圆柱口处会有小部分的辐射漏热；圆柱壳外表面正对于室温空间，辐射换热量较大，是主要的换热源。
为了避免流导损失，不设障板和防辐射屏，冷板及冷头直接置于大气环境温度下，冷头安装在容器法兰上，冷板通过螺钉与冷头连接，冷板与冷头间使用铟片增强导热，具体连接示意参见图3、4所示。冷头与容器法兰通过0型密封圈密封连接且冷头的一端延伸穿过容器法兰。本发明的氙气抽气系统应用于电推进航天器系统级点火试验，容器内部存在模拟空间冷黑环境的热沉，热沉与法兰对应位置处需要开孔，一方面避免热沉与冷板干涉，另一方面开孔可避免冷板的抽速损失。
容器分布多台氙泵组成氙气抽气系统，根据具体的安装环境和结构特点优化选择排布，参见图5。
氙泵其原理与传统低温泵相同。氙泵采用氦气压缩机制冷冷头，冷板与冷头连接，通过维持冷板较低的温度，低温冷凝气体，保证容器压力要求；与传统低温泵不同的是冷头工作目标温度，试验测试表明，冷板温度低于50K，其抽速基本恒定为5.44L/s·cm2。
根据设计的冷板稳态目标温度值查询冷头制冷功率曲线图即可得知冷头在该温度下的制冷功率。
辐射换热公式见式(1)，单位面积换热公式见式(2)。
Q＝εσF(T1 4-T2 4) (1)
E＝εσ(T1 4-T2 4) (2)
式中σ＝5.67×10-12Wcm-2K-4，为波尔兹曼常数，ε为材料表面辐射换热系数，T1为冷头所处环境温度，T2为冷板温度。带入数据可得冷板单位面积辐射换热量。
冷头制冷功率大于等于冷板辐射换热量，结合冷头制冷功率可计算得出冷板面积，根据冷板面积设计圆柱筒体型冷板具体的结构尺寸；圆柱筒体结构根部厚，边缘薄，厚度渐变处理。
在容器上选定法兰位置，将冷头安装在容器法兰上，冷头与法兰间通过O型密封圈密封；冷头与冷板接触面位置处贴覆铟片，冷板与冷头通过螺钉进行紧固连接；冷板孔位上安装Si二极管测温传感器；连接冷头与氦气压缩机间的通讯电源线、高低压氦管；连接氦气压缩机与集成控制系统间的电源线与通讯线；连接氦气压缩机进出水管路，系统即搭建完成，参见图6、7。
尽管上文对本发明专利的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明专利的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明专利的保护范围之内。

Claims (5)

1.具有电推进航天器系统级点火试验用氙泵冷板的氙泵，包括冷头、具有圆柱筒体的氙泵冷板、氦气压缩机及控制装置，氙泵冷板通过其圆柱筒体底部中心的连接孔与冷头一端连接固定且两者之间放置铟片加强导热，冷头一端穿过容器法兰延伸，冷头另一端通过高低压氦管与氦气压缩机的氦气源连通，冷头通过通讯线与氦气压缩机控制输出端子连接，外部远程控制柜与氦气压缩机通讯并供电，其中，外部远程控制柜为氦气压缩机供电，并通过控制线给氦气压缩机启动信号；氦气压缩机接收到启动信号后氦气压缩机启动，并为冷头内部的电机通过通讯线提供运转信号；冷头内部的电机接收到运转信号后电机旋转带动冷头内部活塞动作；氦气压缩机提供的高压氦气在冷头内部活塞腔室内膨胀制冷变为低压氦气后返回氦气压缩机，冷头通过膨胀的氦气获得冷量制冷，并将冷量传输给氙泵冷板，使氙泵冷板温度维持在50K以下，其中，圆柱筒体底部部分厚度10mm -20mm，圆柱筒体侧壁厚度渐变式处理，使导热截面积渐进式增大，其中，边缘6mm厚，底部10mm；氙泵冷板孔位上安装Si二极管测温传感器；连接冷头与氦气压缩机间的通讯电源线、高低压氦管；连接氦气压缩机与集成控制系统间的电源线与通讯线；连接氦气压缩机进出水管路。
2.如权利要求1所述的氙泵，其中，所述冷板正反两面镀镍，镀镍层的厚度为0.1~0.3mm。
3.如权利要求1所述的氙泵，其中，氙泵冷板材质选用无氧铜。
4.如权利要求1所述的氙泵，其中，冷头一端固定在容器法兰上并延伸穿过容器法兰，冷头能根据需要移动变换位置，即氙泵为移动式。
5.氙气抽气系统，由多台权利要求1-4任一项所述的氙泵并联组成，其中，通过多台氙泵同时工作抽除氙气。
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