CN109611301B - 一种抑制压力大幅波动的肼电弧推力器点火系统 - Google Patents

Abstract

一种抑制压力大幅波动的肼电弧推力器点火系统，包括隔膜贮箱(1)、推进剂过滤器(2)、推进剂节流孔板(3)、燃气发生器(4)、电弧推力器(5)，该系统解决了由于推进剂中气泡析出导致燃气发生器燃压频繁大幅波动以及起弧前后由于热阻变化导致燃压大幅波动的问题，能够大幅缩减燃气发生器燃压波动的次数和幅度，避免电弧推力器点火过程中电弧贴附模式的变化，从而减少对电极的损害，延长推力器寿命。

Description

一种抑制压力大幅波动的肼电弧推力器点火系统

技术领域

本发明涉及一种抑制压力大幅波动的肼电弧推力器点火系统，属于电推进点火系统领域。

背景技术

肼电弧推力器是一种具有良好发展前景的电热式电推进技术，可以和星上成熟应用的单组元推进系统兼容，共用一套贮供系统，而且肼电弧推力器比冲远高于单组元推力器，可以大幅降低推进剂的消耗量和携带量。因此，肼电弧推力器作为地球同步轨道卫星南北位置保持的推进动力系统具有非常明显的优势。由于地球同步轨道卫星对寿命要求高，为了满足任务需求，一般需对肼电弧推力器进行累计1000小时以上的寿命点火验证。

常规的点火系统一般包括贮箱、燃气发生器、电弧推力器。贮箱一般为表面张力贮箱，用于存储液态肼，在高压氦气挤压作用下，液态肼流向燃气发生器。燃气发生器一般包含电磁阀、喷注器、催化床等结构。电磁阀前段包含过滤网，用于过滤液态肼中的杂质；电磁阀是流动控制开关，开启时液态肼经过电磁阀进入喷注器；喷注器具有毛细管，是流动的节流装置，经过毛细管后液态肼雾化，喷到催化床上；肼与催化剂接触后，分解反应产生的热量把大量液态肼加热到汽化温度，当肼蒸汽上升到分解温度时肼分解为氮和氨，放出大量热量，同时氨又吸收部分热量分解成氮和氢；高温燃气(氮气和氢气)通过导管进入电弧推力器。高温燃气通过阴极和阳极之间的电弧，进一步被加热达到部分电离状态，从喷管膨胀加速喷出，产生推力。

然而在常规电弧推力器点火系统中，经常出现压力大幅波动，压力的波动一般有两种情况：其中一种表现为：点火过程中压力突然下降，随后又回升的波动过程，压力波动幅度超过60％，可俗称为“掉坑”过程。整个过程的时间尺度约为10秒量级。压力大幅波动会造成电弧推力器阳极电弧贴附模式的改变，推力器喉部易产生烧蚀，对推力器性能和寿命有消极影响，无法满足空间任务的需求。从物理机理上分析，燃压这种大幅波动的现象与推进剂输送过程中气泡的产生、团聚、输运过程有关。气泡的来源是推进剂中溶解的氦气。从贮箱至燃气发生器催化床内，液态肼落压较大，同时推进剂温度上升明显。且由于毛细管的质量流量限制，推进剂整体流动速度较为缓慢。在压力降低过程和温度上升过程的影响下，推进剂内的溶解气体发生析出，随推进剂输运至催化床。气泡与推进剂夹杂，产生两相流动，如果两相流动过程中某一时刻流体空泡率较高，导致流经毛细管的推进剂质量流量明显下降，就会造成燃气发生器的燃压“掉坑”波动现象。

此外，除了由于气泡导致的燃压波动，常规点火系统还有一种由于电弧推力器的热阻变化导致的燃压波动。电弧推力器起弧后，流动热阻大幅增加，造成起弧前后点火系统部件的压降重新分配，也会导致起弧前后燃气发生器的燃压大幅波动。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对目前现有技术中，肼电弧点火系统频繁出现由于气泡导致的压力大幅波动以及起弧前后由于热阻变化导致的燃压波动，严重影响电弧推力器的寿命和空间任务的应用，提出一种抑制压力大幅波动的肼电弧推力器点火系统，大幅降低了寿命点火中燃压大幅波动的次数和幅度，从而提高电弧推力器的使用寿命，以满足空间任务的需求。

本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：

一种抑制压力大幅波动的肼电弧推力器点火系统，包括隔膜贮箱、推进剂过滤器、推进剂节流孔板、燃气发生器、电弧推力器，推进剂存储于所述隔膜贮箱内，隔膜贮箱输出管路与推进剂过滤器输入管路连通，推进剂由隔膜贮箱流入推进剂过滤器并进行过滤，再通过与推进剂过滤器输出管路连通的推进剂节流孔板进行节流，所述推进剂节流孔板包含孔板外壳及核心阻尼，所述核心阻尼嵌装于孔板外壳内，推进剂流经核心阻尼内设流体通道流动耗散压力能实现流量控制，节流后推进剂流经与推进剂节流孔板连通的燃气发生器并转化为燃气，燃气发生器的输出管路与电弧推力器连通，推进剂于电弧推力器内部阴、阳极间被加热电离并由电弧推力器阳极喷管喷出产生推力。

所述核心阻尼为不锈钢组件，内部设有限制推进剂流动的迷宫型流道。

所述推进剂节流孔板在1MPa压差条件下限制推进剂流量为40mg/s～50mg/s。

所述推进剂节流孔板的设置有30μm过滤器。

所述燃气发生器内部设置有不含过滤网的电磁阀。

所述燃气发生器内部设置有毛细管，所述毛细管两端为直管，中间为弧形，弧形半径为50mm。

所述燃气发生器内部的毛细管根部钎焊有扇形的铜散热片。

所述铜散热片形状为扇形，扇形角度为120°，半径为20mm。

所述隔膜贮箱内工作压力为1.2MPa～1.8MPa。

所述隔膜贮箱壳体采用两个钛合金半球体并通过电子束焊接而成，所述隔膜贮箱的内部隔膜材料为乙丙橡胶。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明提供的一种抑制压力大幅波动的肼电弧推力器点火系统，针对推进剂输送过程中容易产生气泡团聚，传统肼电弧点火系统中的燃气发生器燃压容易频繁产生大幅波动问题，提出了利用隔膜贮箱代替传统张力贮箱，减少高压氦气在推进剂中的溶解，并通过改变燃气发生器中毛细管的规格、加入节流孔板对推进剂进行节流，使压降主要发生在节流孔板上而不是燃气发生器的毛细管上，避免压降和高温同时出现在毛细管区域，减少气泡析出的概率，同时去除电磁阀内部的过滤网，防止节流孔板下游析出的气体出现挂网、聚集形成大气泡；

(2)本发明中节流孔板的加入，还降低了起弧前后燃压的波动。在没有节流孔板时，起弧前燃气发生器毛细管是系统管路压降最大的部位，但起弧后电弧推力器喉道中热阻大幅增大，电弧推力器分配的压降与燃气发生器毛细管相当，造成了起弧前后燃压的大幅变化；采用本发明的节流孔板后，节流孔板成了整个系统管路的最主要压降部位，压降远大于其它部件，即使起弧后节流孔板仍是系统中最主要的压降部位，抑制了起弧前后各部位的压降变化，即抑制了起弧前后燃压的大幅变化；

(3)本发明在毛细管根部钎焊铜片辐射散热以降低的温度，减少气体的析出；毛细管具有弧形结构，有利于应力释放，避免毛细管和铜散热片之间的钎焊出现裂缝。

附图说明

图1为发明提供的电弧推力器点火系统结构示意图；

图2为发明提供的推进剂节流孔板示意图；

图3为发明提供的燃气发生器示意图；

图4为发明提供的电弧推力器示意图；

具体实施方式

一种抑制压力大幅波动的肼电弧推力器点火系统，如图1所示，包括隔膜贮箱1、推进剂过滤器2、推进剂节流孔板3、燃气发生器4、电弧推力器5。所述的以上部件之间均用金属管进行螺纹连接。推进剂存储于所述隔膜贮箱1内，隔膜贮箱1输出管路与推进剂过滤器2输入管路连通，推进剂通过推进剂过滤器2进行过滤后，在通过与推进剂过滤器2输出管路连通的推进剂节流孔板3进行节流，所述推进剂节流孔板3将节流后推进剂注入与推进剂节流孔板3连通的燃气发生器4，并通过燃气发生器4将推进剂转化为高温燃气，高温燃气流进与燃气发生器4的输出管路连通的电弧推力器5，并在电弧推力器5内部阴、阳极之间被电弧加热电离，由电弧推力器5阳极喷管喷出产生推力。

所述的隔膜贮箱1，隔膜贮箱1壳体采用两个钛合金半球体电子束焊接而成，内部隔膜材料为乙丙橡胶。高压氦气通过一端进入贮箱，挤压液态肼，液态肼从另一端接口供给到点火系统。贮箱内利用隔膜将增压气体与液体推进剂隔开，使得液态肼中溶解的气体量大幅下降，箱内气体工作压力为1.2～1.8MPa。

所述的推进剂过滤器2，为30微米过滤器，能阻挡颗粒大小在30微米以上液态肼中的杂质。

所述的推进剂节流孔板3，如图2所示，包含外壳301和核心阻尼302，核心阻尼302通过安装工具嵌到外壳301里面。核心阻尼302通过推进剂在复杂流体通道内的流动耗散压力能，从而实现较大流通面积下的小流量控制。在1MPa压差条件下限制推进剂流量为40mg/s～50mg/s。节流孔板3是系统中主要的限流部件，限流作用抑制了起弧前后燃压的大幅波动。

所述燃气发生器4结构如图3所示，采用北京控制工程研究所研制的燃气发生器，作用是将液态肼催化分解为包括氮气、氢气的高温燃气，为推力器提供气态推进剂。燃气发生器主要由电磁阀401、喷注器402、热控装置403、催化床404、毛细管405、铜散热片406等部件组成。电磁阀401与喷注器402通过螺钉紧固在一起，毛细管405与喷注器402、毛细管405与铜散热片406、喷注器402与催化床404、热控装置403与催化床404之间均采用钎焊固定。电磁阀401不含过滤网，防止经过推进剂节流孔板3压降后析出的气体挂网、聚集而形成大气泡导致压力大幅下降。在阀开启前，先通过热控装置403把催化床404加热到170℃以上。当电磁阀401接收到电信号后，阀口开启，肼推进剂从电磁阀流入喷注器的毛细管405。毛细管405根部添加铜散热片406，通过热辐射的方式，将燃气发生器点火过程中向上游的导热耗散掉，抑制毛细管温度的上升。辐射散热量的大小由斯特藩-玻耳兹曼定律决定，与散热片的表面积成正比。但是，表面积过大，会对燃气发生器散热片的强度、安装过程造成影响，因此通过数值仿真的方法，确定辐射片半径为20mm。推进剂从毛细管405出来后雾化，然后喷入催化床404。液态肼与催化剂接触后，分解反应产生的热量把大量液态肼加热到汽化温度，当肼蒸汽上升到分解温度时肼分解为氮和氨，放出大量热量，同时氨又吸收部分热量分解成氮气和氢气。

所述的电弧推力器5，如图4所示，采用北京控制工程研究所研制的电弧推力器，额定工作功率为2kW，额定比冲600s，阳极502为钨铼合金材料，阴极501为钍钨合金。

本装置的工作流程如下：

点火系统安装完成后，根据工作要求向隔膜贮箱1中充入氦气作为挤压气体，同时开启热控装置403对催化床404进行加热，待催化床404到达170℃后，关闭热控装置403，并开启电磁阀401，此时燃气发生器4开始工作并产生高温燃气，当燃气流量趋于平稳后，启动电弧推力器5，推进剂从电弧推力器5高速喷出，产生推力，当点火达到预定时间后，关闭电弧推力器5，确认电弧推力器5关闭后再关闭电磁阀401，燃气发生器4停止工作，点火结束。

Claims (10)

1.一种抑制压力大幅波动的肼电弧推力器点火系统，其特征在于：包括隔膜贮箱(1)、推进剂过滤器(2)、推进剂节流孔板(3)、燃气发生器(4)、电弧推力器(5)，推进剂存储于所述隔膜贮箱(1)内，隔膜贮箱(1)输出管路与推进剂过滤器(2)输入管路连通，推进剂由隔膜贮箱(1)流入推进剂过滤器(2)并进行过滤，再通过与推进剂过滤器(2)输出管路连通的推进剂节流孔板(3)进行节流，所述推进剂节流孔板(3)包含孔板外壳(301)及核心阻尼(302)，所述核心阻尼(302)嵌装于孔板外壳(301)内，推进剂流经核心阻尼(302)内设流体通道流动耗散压力能实现流量控制，节流后推进剂流经与推进剂节流孔板(3)连通的燃气发生器(4)并转化为燃气，燃气发生器(4)的输出管路与电弧推力器(5)连通，推进剂于电弧推力器(5)内部阴、阳极间被加热电离并由电弧推力器(5)阳极喷管喷出产生推力。

2.根据权利要求1所述的一种抑制压力大幅波动的肼电弧推力器点火系统，其特征在于：所述核心阻尼(302)为不锈钢组件，内部设有限制推进剂流动的迷宫型流道。

3.根据权利要求1所述的一种抑制压力大幅波动的肼电弧推力器点火系统，其特征在于：所述推进剂节流孔板(3)在1MPa压差条件下限制推进剂流量为40mg/s～50mg/s。

4.根据权利要求3所述的一种抑制压力大幅波动的肼电弧推力器点火系统，其特征在于：所述推进剂节流孔板(3)的设置有30μm过滤器。

5.根据权利要求1所述的一种抑制压力大幅波动的肼电弧推力器点火系统，其特征在于：所述燃气发生器(4)内部设置有不含过滤网的电磁阀。

6.根据权利要求5所述的一种抑制压力大幅波动的肼电弧推力器点火系统，其特征在于：所述燃气发生器(4)内部设置有毛细管，所述毛细管两端为直管，中间为弧形，弧形半径为50mm。

7.根据权利要求6所述的一种抑制压力大幅波动的肼电弧推力器点火系统，其特征在于：所述燃气发生器(4)内部的毛细管根部钎焊有扇形的铜散热片。

8.根据权利要求7所述的一种抑制压力大幅波动的肼电弧推力器点火系统，其特征在于：所述铜散热片形状为扇形，扇形角度为120°，半径为20mm。

9.根据权利要求1所述的一种抑制压力大幅波动的肼电弧推力器点火系统，其特征在于：所述隔膜贮箱(1)内工作压力为1.2MPa～1.8MPa。

10.根据权利要求9所述的一种抑制压力大幅波动的肼电弧推力器点火系统，其特征在于：所述隔膜贮箱(1)壳体采用两个钛合金半球体并通过电子束焊接而成，所述隔膜贮箱(1)的内部隔膜材料为乙丙橡胶。

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