CN109441748A - 一种用于小型霍尔推力器的推力集成系统 - Google Patents

Abstract

本专利是一个基于电推进的推进集成系统，能够有效的将空心阴极、质量流量计等等各个元器件以及管路集成到推力框架里。本推进集成系统是由单向阀、储箱、过滤器、电磁阀、压力传感器、缓冲罐、质量流量计、阴极以及小型霍尔组成。采用了双阴极备用的方案，这样可以增加整个系统的使用寿命，更好的完成卫星任务。同时，也简化了卫星上其他位置的使用空间，可以更好地使卫星完成其载荷布局。

Description

一种用于小型霍尔推力器的推力集成系统

一、技术领域

本专利是应用在电推进领域，卫星的电推进发动机之上。用于卫星的姿轨控等的推进。

二、背景

随着科学技术的进步和航天技术的迅速发展，人类在空间领域的活动越来越频繁。地球同步轨道卫星的迅速发展、空间探测任务的急剧增加和微小型航天器的日益兴盛，使得电推进系统在航天器上的应用将更加广泛。同时，满足未来航天器任务要求的新型高性能、长寿命电推进技术的研究也日益受到各国的重视，美国、俄罗斯、欧空局、日本和中国等都在加强电推进技术的研究。

化学推进是主要通过推进工质的化学反应释放能量并将工质喷出产生反推力。与化学推进不同的是，电推进是利用电能加热或者电离推进剂加速喷射而产生推力的一种反作用式推力器。电推进相比于传统的化学推进，有着比冲高、推力小、可多次点火的优点。所以发展电推进已经成为了未来的发展趋势，我国也将在以后的卫星上应用全电推进。

此文主要是根据自行设计的微型霍尔推力器，设计了一种基于电推进的推进集成系统，将微型霍尔、微型空心阴极、电磁阀、压力传感器、质量流量计、缓冲罐、电磁减压阀、储箱以及管路等等集成，使其能够直接与卫星上的连接设备相连接，从而进行相关的太空探测行动。

三、集成系统介绍

3.1推进集成系统介绍

此推进集成系统主要是由单向阀、储箱、过滤器、电磁阀、压力传感器、电磁减压阀、缓冲罐、质量流量计、电磁阀、阴极以及小型霍尔组成。此集成系统的原理图如图1所示，其中1为“小型空心阴极-主”；2为“小型空心阴极- 副”；3为“电磁阀-副”；4为“电磁阀-主”；5为“质量流量计-阴极”；6 为“质量流量计-推力器”；7为“微型霍尔推力器”；8为“缓冲罐”；9为“阀后压力传感器”；10为“电磁减压阀”；11为“阀前压力传感器”；12为“电磁阀”； 13为“过滤器”；14为“储箱”；15为“单向阀”。每个器件的功能如下：

单向阀15：用于防止推进剂在管路中回流，污染上游的氙气纯度。同时，防止下游储箱中的氙气回流至卫星上的氙气储存装置中。

储箱14：用于储存卫星上氙气储存装置中的氙气，以便于多次重新启动推力器，节省推进剂。

过滤器13：为了提高阴极以及霍尔的使用寿命，防止因为管路中的杂质而使霍尔和阴极收到污染。

电磁阀12：用于控制整个管路中推进剂供给的通断。这里使用的是二位二通常断电磁阀，在未使用推力器进行推进时，管路处于断开状态。

阀前压力传感器11：用于测量电磁减压阀前的管路压强，随时监测管路是否处于正常状态。

阀后压力传感器9：用于检测管路推进剂经过减压阀之后，压强的实时大小，用可以来检测减压阀之后管路是否处于正常状态。

电磁减压阀10：用于将来自于储箱中的氙气推进剂的压强降低至推力器以及阴极能够使用范围内的压强大小。减压阀之后的压强大概为0.3MPa左右。

缓冲罐8：为了以防打开阀门或者是关闭阀门时压强的波动变化影响推力器和阴极的性能，所以，通过缓冲罐将管路中的压强的波动降到最低。

微型霍尔推力器7：此处使用的是自行设计研制的微型霍尔推力器，使用氙气作为推进剂，产生微牛级别的推力，以此来控制卫星的姿态。

质量流量计5、6：分别控制阴极和霍尔支路管路中氙气推进剂的流量大小，使管路中的推进剂能够维持在霍尔和阴极的点火以及持续电离的流量范围内。

电磁阀3、4：分别控制阴极-主、阴极-副两个阴极管路的通断，通常情况下，这两个电磁阀并不同时处于接通状态。同样的，这两个电磁阀也是使用的二位二通常断电磁阀。

阴极1:、2：都是使用的自行设计的小型空心阴极，这两个空心阴极，一个为主阴极，一个为副阴极，为了能够提高这个推进系统的寿命，使整个系统能够有着更长的使用寿命。

在附图中，图1是推力系统集成的原理图，图2是推力系统的上层排布图，图3是推力系统的下层排布图，图4是霍尔-阴极位置安装图，图5是推力系统的主视图

3.2推进集成系统优点

本推力集成系统是有着以下优点：

1.本集成系统可以产生微牛、毫牛级别的推力，精确产生卫星调整姿态所需要的推力大小。

2.本推力集成系统由于有着两个空心阴极(其中一个为备用)，所以本推力集成系统有着很长的寿命，满足卫星上长寿命的要求。

3.本推力集成系统可以在地面上精确的控制各个管路的阀门调节以及每一个元器件的控制。

4.本推力集成系统通过集成，使每一个部分都能合理的分布在整个装置系统的每一个位置，同时有着良好的稳定性。

3.3推力集成系统集成布局

本推力集成系统的整体布局图如图2～5所示，整体为一个长260mm，宽 260mm，整个系统的高达400mm，分为两层分布整个系统的各个元器件以及管路。

(1)集成系统上层分布器件：

如图2所示：

1.电磁阀1,、2、3，分别控制阴极-主、阴极-副以及整个管路的通断。

2.缓冲罐4，用来稳定管路的压强变化。

3.压力传感器6、7，用来测量电磁减压阀上下游压强变化。

4.电磁减压阀5，用来将来自储箱中的推进剂的压强控制在工作范围内。

5.单向阀8，用来防止推进剂回流。

6.过滤器9，用来防止管路中的杂质损坏推力器以及阴极。

(2)集成系统下层

如图3所示：

1.储箱1，用来储存推进剂。

2.控制箱2，用来控制各个电磁阀，质量流量计等等，并于卫星系统相互传递信号。

3.质量流量计3、4，分别用来控制阴极或者推力器的流量大小。

整个系统的各个底板以及连接板使用的是铝合金材料以及碳纤维复合材料制成。可以极大的减轻质量以及耐高温耐腐蚀。

四、集成系统的使用推进集成系统使用方法：

1.首先打开单向阀，将储箱内储存足够多的氙气推进剂。待储箱内储存慢氙气以后，关闭单向阀。

2.通过控制箱打开电磁阀12，使推进剂通过管路流经下面的管路。并观察阀前压力传感器的示数，使其保证在一个较高的压强范围内。

3.通过控制箱，打开电磁减压阀10的开关，视同观察阀后压力传感器的示数，是否属于正常。

4.打开质量流量计5，将其流量调成4sccm。

5.然后，通过卫星上的各个电源，对阴极进行加热、点火。

6.打开质量流量计6，将其流量调节成5sccm，并对霍尔推力器进行相关的点火操作。

Claims (4)

1.本专利是一种基于电推进的推进集成系统。推进集成系统主要是由单向阀、储箱、过滤器、电磁阀、压力传感器、电磁减压阀、缓冲罐、质量流量计、电磁阀、阴极以及小型霍尔组成。主要用于卫星上的姿态控制等方面。

本推进集成系统由单向阀、储箱、过滤器、电磁减压阀、压力传感器、二位二通常断电磁阀、缓冲罐、质量流量计、小型空心阴极以及小型霍尔组成：

单向阀：用于防止推进剂在管路中回流，污染上游的氙气纯度。同时，防止下储箱中的氙气回流至卫星上的氙气储存装置中。

储箱：用于储存卫星上氙气储存装置中的氙气，以便于多次重新启动推力器，节省推进剂。

过滤器：为了提高阴极以及霍尔的使用寿命，防止因为管路中的杂质而使霍尔和阴极收到污染。

电磁阀：用于控制整个管路中推进剂供给的通断。这里使用的是二位二通常断电磁阀，在未使用推力器进行推进时，管路处于断开状态。

阀前压力传感器：用于测量电磁减压阀前的管路压强，随时监测管路是否处于正常状态。

阀后压力传感器：用于检测管路推进剂经过减压阀之后，压强的实时大小，用可以来检测减压阀之后管路是否处于正常状态。

电磁减压阀：用于将来自于储箱中的氙气推进剂的压强降低至推力器以及阴极能够使用范围内的压强大小。减压阀之后的压强大概为0.3MPa左右。缓冲罐：为了以防打开阀门或者是关闭阀门时压强的波动变化影响推力器和阴极的性能，所以，通过缓冲罐将管路中的压强的波动降到最低。

微型霍尔推力器：此处使用的是自行设计研制的微型霍尔推力器，使用氙气作为推进剂，产生微牛级别的推力，以此来控制卫星的姿态。

质量流量计：分别控制阴极和霍尔支路管路中氙气推进剂的流量大小，使管路中的推进剂能够维持在霍尔和阴极的点火以及持续电离的流量范围内。

电磁阀：分别控制阴极-主、阴极-副两个阴极管路的通断，通常情况下，这两个电磁阀并不同时处于接通状态。同样的，这两个电磁阀也是使用的二位二通常断电磁阀。

阴极：都是使用的自行设计的小型空心阴极，这两个空心阴极，一个为主阴极，一个为副阴极，为了能够提高这个推进系统的寿命，使整个系统能够有着更长的使用寿命。

本推力集成系统是有着以下优点：

(1)本集成系统可以产生微牛、毫牛级别的推力，精确产生卫星调整姿态所需要的推力大小。

(2)本推力集成系统由于有着两个空心阴极(其中一个为备用)，所以本推力集成系统有着很长的寿命，满足卫星上长寿命的要求。

(3)本推力集成系统可以在地面上精确的控制各个管路的阀门调节以及每一个元器件的控制。

(4)本推力集成系统通过集成，使每一个部分都能合理的分布在整个装置系统的每一个位置，同时有着良好的稳定性。

推进集成系统使用方法：

(1)首先打开单向阀，将储箱内储存足够多的氙气推进剂。待储箱内储存慢氙气以后，关闭单向阀。

(2)通过控制箱打开电磁阀12，使推进剂通过管路流经下面的管路。并观察阀前压力传感器的示数，使其保证在一个较高的压强范围内。

(3)通过控制箱，打开电磁减压阀10的开关，视同观察阀后压力传感器的示数，是否属于正常。

(4)打开质量流量计5，将其流量调成4sccm。

(5)然后，通过卫星上的各个电源，对阴极进行加热、点火。

(6)打开质量流量计6，将其流量调节成5sccm，并对霍尔推力器进行相关的点火操作。

2.根据权利要求1所述的一种用于小型霍尔推力器集成系统，其特征在于：使用两支空心阴极对小型霍尔推力器进行点火，另一只空心阴极用作备用空心阴极。

3.根据权利要求1所述的一种用于小型霍尔推力器集成系统，其特征在于：能够产生微牛级别的推力，精确调整卫星姿态。

4.根据权利要求1所述的一种用于小型霍尔推力器集成系统，其特征在于：在极小的空间中，将储箱、阀门、流量控制计等等集成在其中。