CN110282156A - 一种一体化的冷气推进系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微小卫星推进系统控制技术领域，具体涉及一种一体化的冷气推进系统及其控制方法。其包括：贮箱、推进剂管理装置和推进装置，推进剂管理装置和推进装置均采用内置式设计，封装于贮箱内部，推进剂管理装置用于控制腔室内的推进剂由液态转换为气态，并将气态的推进剂输出到腔室的输出端，省掉各装置之间的连接管路，使结构更加紧凑，缩小了占用空间的同时使连接更加稳定可靠。此外，该系统减少了对外安装接口，通过螺钉孔与卫星连接，方便快捷。

Description

一种一体化的冷气推进系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及微小卫星推进系统控制技术领域，具体涉及一种一体化的冷气推进系统及其控制方法。

背景技术

推进系统主要用于卫星控制系统，具有调整卫星姿态、调整卫星轨道等功能，在微小卫星控制系统中，使用的推进系统主要有冷气推进系统、化学推进系统、电推进系统。现有的冷气推进系统主要有氮气、液氨、丁烷等推进剂，使用导管将各部件进行连接，需要现场连接管路并进行协调，各部件相互分离且各部件需要各自与卫星固定，导致系统的稳定性不好、占用空间大、安装效率低、密闭性不足、容易发生阀门泄漏问题。

鉴于此，克服以上现有技术中的缺陷，提供一种新的一体化的冷气推进系统及其控制方法成为本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的上述缺陷，提供一种一体化的冷气推进系统及其控制方法。

本发明的目的可通过以下的技术措施来实现：

本发明的一个方面提供了一种一体化的冷气推进系统，该系统包括：

贮箱，内部设置有中空的腔室，所述腔室的底端设置有输出端；

推进剂，储存在所述腔室内；

推进剂管理装置，设于所述腔室内，用于控制所述腔室内的推进剂由液态转换为气态，并将气态的推进剂输出到所述腔室的输出端；

推进装置，设于所述贮箱内，与所述腔室的输出端连接，用于将所述腔室的输出端输出的气态的推进剂喷出，提供卫星所需的推力和冲量。

优选地，所述腔室包括自上而下依次设置的液腔和气腔，所述推进剂管理装置设于所述液腔和所述气腔之间并连接所述液腔和所述气腔。

优选地，所述液腔和所述气腔之间设有隔板，所述隔板用于将所述液腔和所述气腔隔离，并固定所述推进剂管理装置。

优选地，所述推进剂管理装置包括：阀座和弹簧座，所述阀座位于所述弹簧座的上端，所述弹簧座与所述阀座螺接，将所述阀座固定在所述弹簧座上；所述阀座内设有阀芯、调整垫片和弹簧，所述阀芯的上端端头与所述阀座接触形成阀门，所述调整垫片设于所述阀芯与所述弹簧之间，用于调节所述阀门的打开压力，所述弹簧的一端与所述调整垫片连接，所述弹簧的另一端与所述弹簧座连接；所述推进剂管理装置两侧的压差小于预设压差阈值时，所述弹簧自由伸缩带动所述阀芯运动至所述阀芯的上端端头与所述阀座接触，所述推进剂管理装置停止将推进剂由液态转换为气态，所述推进剂管理装置两侧的压差大于预设压差阈值时，所述阀芯受不平衡压力，挤压所述弹簧，使所述阀芯的上端端头与所述阀座分离，所述推进剂管理装置使推进剂由液态转换为气态。

优选地，所述阀芯上设有两个对称的通孔，用于在所述阀芯下端面运动至与所述弹簧座抵接时，连通所述推进剂管理装置的两侧。

优选地，所述推进剂管理装置设有位于上方的液态推进剂进口和位于下方的气态推进剂出口，所述液态推进剂进口用于输入液态的推进剂，所述气态的推进剂出口用于输出气态推进剂。

优选地，所述推进装置包括电磁阀和冷气推进面板，所述电磁阀与所述腔室的输出端连接，所述冷气推进面板与所述电磁阀的输出端可拆卸连接，所述电磁阀控制所述气态的推进剂喷出到所述冷气推进面板，由所述冷气推进面板将所述气态的推进剂喷出。

优选地，该系统还包括加排装置，所述加排装置设于所述腔室的顶端，用于加注和排出液态的推进剂。

优选地，所述贮箱上设有多个螺钉孔，用于与卫星进行连接。

本发明的另一个方面提供了一种一体化的冷气推进系统的控制方法，应用于上述一体化的冷气推进系统，该控制方法包括：

在需求冲量小于预设冲量阈值时，推进剂管理装置控制停止将推进剂由液态转换为气态，推进装置进行周期性工作，推进装置喷出气态的推进剂时处于脉冲式推进模式；

在需求冲量大于预设冲量阈值时，推进剂管理装置控制推进剂由液态转换为气态并输出到腔室的输出端，推进装置进行连续性工作，推进装置喷出气态的推进剂时处于连续式推进模式。

本发明的一体化的冷气推进系统及其控制方法，相比于现有的冷气推进系统，推进剂管理装置、推进装置均采用内置式设计，封装于贮箱内部，推进剂管理装置用于控制腔室内的推进剂由液态转换为气态，并将气态的推进剂输出到腔室的输出端，省掉各装置之间的连接管路，使结构更加紧凑，缩小了占用空间的同时使连接更加稳定可靠。

附图说明

图1是本发明的一体化的冷气推进系统的第一种实施例的结构示意图。

图2是本发明的一体化的冷气推进系统的第二种实施例的结构示意图。

图3是本发明的推进剂管理装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了使本揭示内容的叙述更加详尽与完备，下文针对本发明的实施方式与具体实施例提出了说明性的描述；但这并非实施或运用本发明具体实施例的唯一形式。实施方式中涵盖了多个具体实施例的特征以及用以建构与操作这些具体实施例的方法步骤与其顺序。然而，亦可利用其它具体实施例来达成相同或均等的功能与步骤顺序。

本发明的实施例公开了一种一体化的冷气推进系统及其控制方法，相比于现有的冷气推进系统，推进剂管理装置、推进装置和加排装置均采用内置式设计，封装于贮箱内部，省掉各装置之间的连接管路，使结构更加紧凑，缩小了占用空间的同时，使连接更加稳定可靠。此外，该系统减少了对外安装接口，通过螺钉孔与卫星连接，方便快捷，在卫星姿态调整、轨道调整中达到精确的控制。

图1示出了一种一体化的冷气推进系统，请参见图1，该系统包括：贮箱10、推进剂管理装置50和推进装置60。其中，贮箱10内部设置有中空的腔室100，腔室100的底端设置有输出端1000；推进剂管理装置50设于腔室100内，用于控制腔室100内的推进剂由液态转换为气态，并将气态的推进剂输出到腔室100的输出端1000；推进装置60设于贮箱10内，与腔室100的输出端1000连接，用于将输出端1000输出的气态的推进剂喷出，提供卫星所需的推力和冲量。

如图1所示，本实施例中的腔室100是一体设置的，推进剂管理装置50的一侧存储有液态的推进剂，另一侧存储有气态的推进剂，推进剂管理装置50两侧的压差小于预设压差阈值时，推进剂管理装置50停止将腔室100内的推进剂由液态转换为气态，推进剂管理装置50两侧的压差大于预设压差阈值时，推进剂管理装置50控制腔室100内的推进剂由液态转换为气态，并将气态的推进剂输出到腔室100的输出端1000。

另一个优选地实施例中，如图2所示，腔室100是分体设置的，包括相互分离的上腔室101和下腔室102，上腔室101与下腔室102之间通过螺接固定，推进装置60设于上腔室101和下腔室102的连接处，上腔室101与下腔室102螺接并将推进装置60固定。上腔室101设有液腔20，下腔室102设有气腔30，输出端1000设于气腔30中。推进剂管理装置50设于液腔20与气腔30之间，使液腔20与气腔30隔离或连通。

进一步地，液腔20用于存储液态推进剂，气腔30用于存储气态推进剂；液腔20和气腔30之间的压差小于预设压差阈值时，推进剂管理装置50使液腔20和气腔30隔离，液腔20和气腔30之间的压差大于预设压差阈值时，推进剂管理装置50使液腔20和气腔30连通，将液腔20内的推进剂汽化并输出到气腔30中。

上述实施例省掉各部分之间的连接管路，使结构更加紧凑，缩小了占用空间的同时，使连接更加稳定可靠。

进一步地，请参见图2，下腔室102中设有隔板40、隔板40位于液腔20和气腔30之间，将液腔20和气腔30隔离，用于固定推进剂管理装置50。

在上述实施例的基础上，进一步地，请参见图3，推进剂管理装置50包括：阀座501和弹簧座502，阀座501位于弹簧座502的上端，阀座501与弹簧座502螺接，将阀座501固定在弹簧座502上。阀座501与弹簧座502之间采用螺接的方式，便于安装和拆卸，方便维护，推进剂管理装置50采用内置式封装于贮箱10内部，连接气腔30与液腔20，通过阀座501和弹簧座502实现液腔20和气腔30之间的隔离与连通，替代传统的导管式连接，减少安装接口，节省占用空间使结构更加紧凑，同时可以有效防止推进剂泄漏，避免损失推进剂功率，保证气腔30内的推进剂为纯气态，实现更高推进效率。

进一步地，请参见图3，阀座501内设有阀芯5010、调整垫片5011和弹簧5012，阀芯5010的上端端头与阀座501接触形成阀门，调整垫片5011设于阀芯5010与弹簧5012之间，用于调节阀门的打开压力，弹簧5012的一端与调整垫片5011连接，弹簧5012的另一端与弹簧座502连接；液腔20和气腔30之间的压差小于预设压差阈值时，弹簧5012自由伸缩运动至阀芯5010的上端端头与阀座501接触，推进剂管理装置50将气腔30与液腔20隔离，液腔20和气腔30之间的压差大于预设压差阈值时，阀芯5010受不平衡压力，挤压弹簧5012，使阀芯5010的上端端头与阀座501分离，推进剂管理装置50将液腔20内的推进剂汽化并输出到气腔30中。

具体地，推进剂管理装置50在压差小于预设压差阈值时，推进剂管理装置50将气腔30与液腔20隔离，推进剂管理装置50束缚液态推进剂于液腔20中。在气腔30气体消耗过程中，气腔30压强下降，气腔30与液腔20的压差强度逐渐增大，在压差强度增大到使弹簧5012发生变形时，液态推进剂进入推进剂管理装置50，利用液化气闪蒸原理，实现液态推进剂汽化，并将形成的气态推进剂束缚于气腔30，在此过程中，压差强度逐渐减弱，此强度减弱到小于预设压差阈值后，推进剂管理装置50再次使气腔30与液腔20隔离，此时，气腔30气体充足。本实施例中的预设压差阈值可以通过调整垫片5011的厚度进行调整，调整垫片5011越厚，则弹簧5012压缩量越大，所控制的液腔20和气腔30之间的压差越大。

该系统中，气腔30保证充足的气液转换，保证了气腔30内推进剂为纯气态，实现更高推进效率。

进一步地，请参见图3，阀芯5010上设有两个对称的通孔5013，用于在阀芯5010下端面运动至与弹簧座502抵接时，连通液腔20与气腔30，避免了阀芯5010下端面与弹簧座502形成密封，导致液腔20中的液态推进剂进不了气腔30中。

进一步地，请参见图1和图2，弹簧座502的内侧设有第一螺接块5020，阀座501通过第一螺接块5020与弹簧座502螺接，将阀座501固定在弹簧座502上；请参见图2和图3，弹簧座502的外侧设有第二螺接块5021，隔板40通过第二螺接块5021与弹簧座502螺接，将推进剂管理装置50固定在隔板40上，推进剂管理装置50与隔板40之间采用螺接的方式，便于安装和拆卸，方便维护。

具体地，请参见图2和图3，隔板40具有与弹簧座502螺接的螺接部401和与弹簧座502抵接的抵接部402，抵接部402上设有密封圈4020，通过密封圈4020将液腔20和气腔30相互隔离，避免阀芯5010打开前，液态推进剂从液腔20中通过第二螺接块5021泄漏至气腔30中。

进一步地，请参见图3，推进剂管理装置50设有位于上方的液态推进剂进口503和位于下方的气态推进剂出口504，请参见图2，液态推进剂进口503与液腔20连通，气态推进剂出口504与气腔30连通。

进一步地，请参见图3，弹簧座502与阀座501之间设有密封垫片505。

进一步地，请参见图1和图2，推进装置60包括电磁阀601和冷气推进面板(图中未示出)，电磁阀601与输出端1000连接，冷气推进面板与电磁阀601的输出端可拆卸连接，电磁阀601控制气态推进剂喷出到冷气推进面板，由冷气推进面板将气态推进剂喷出。

进一步地，请参见图1和图2，输出端1000设有多个气腔通路300，电磁阀601通过气腔通路300与输出端1000连接。

具体地，一个冷气推进面板可以连接一个或多个电磁阀601，一个电磁阀601具有多个进气口，每一个进气口均通过气腔通路300与输出端1000连接，推进装置60根据完成卫星各个阶段姿态控制以及轨道维持和控制的要求来确定在冷气推进面板上连接的电磁阀601的数量，并确定各个电磁阀601在系统中的位置布局。冷气推进面板设有喷嘴602，电磁阀601设有与进气口连接的喷管，喷嘴602与喷管配合连接，可以根据需求冲量的大小替换喷嘴602孔径不同的冷气推进面板，气态推进剂从输出端1000输出至电磁阀601的喷管，由冷气推进面板的喷嘴602将气态推进剂喷出，提供卫星所需的推力和冲量。

在该系统运行的过程中，在卫星的控制系统控制的一个或多个电磁阀601中，在需求冲量较小时，电磁阀601呈周期性开合，并喷出气态推进剂，系统处于脉冲式推进模式，在卫星的控制系统控制的一个或多个电磁阀601中，在需求冲量较大时，电磁阀601常开，并喷出气态推进剂，系统处于连续式推进模式。该模式下，各个电磁阀601喷射的气流冲量受卫星上的控制系统实时控制。

在上述实施例的基础上，进一步地，请参见图1和图2，该系统还包括加排装置200，，用于加注和排出液态的推进剂，如图1所示，加排装置200设于腔室100的顶端，如图2所示，加排装置200设于液腔20的顶端。

进一步地，贮箱10上设有多个螺钉孔70，用于与卫星进行连接。该设置方式不需要系统中各部件各自与卫星进行固定，减少该系统与卫星之间的安装接口，对接方便快捷，提高连接稳定性。

进一步地，该系统还可以根据需要设置外围元件(图中未示出)，例如：压力传感器和温度传感器等。

在上述实施例的基础上，本实施例中，上述推进剂优选采用R134a(1,1,1,2-四氟乙烷)单组元推进剂，该推进剂具有如下优点：

a.绿色无毒、安全环保：不易燃、不易爆、无刺激性、无腐蚀性，不破坏臭氧层；

b.常温下稳定性好，容易管理：易液化(常温下20℃时饱和蒸汽压为0.57MPa)，该系统的体积较小，冷气存量不多，在有限的体积下将推进剂压缩为液态存储，便于推进剂存储在有限体积的贮箱10内；易汽化(101.3kPa下沸点为-26.1℃)，加热功率需求低，能保证气腔30内的推进剂为纯气态，实现更高推进效率；

c.成本低，易获得；

d.该推进剂在本系统中的比冲大，在常温下产生较大的推力，由于相对于氮气、丁烷和液氨，该推进剂的气体分子量大，汽化后在喷嘴602喷射的速度大，提高了整个冷气推进系统的推进效率。

该冷气推进系统控制精度高、系统可靠性高，可自增压实现推进剂挤压输送。

本发明的另一实施例提供了一种应用于上述系统的控制方法，该控制方法包括：

在需求冲量小于预设冲量阈值时，推进剂管理装置控制停止将推进剂由液态转换为气态，推进装置进行周期性工作，推进装置喷出气态推进剂时处于脉冲式推进模式；

此时，推进剂管理装置束缚液态推进剂于液腔中，气腔内积蓄及蒸发产生的气态推进剂供给电磁阀，电磁阀呈周期性开合，电磁阀喷射气态推进剂处于脉冲式推进模式。

在需求冲量大于预设冲量阈值时，推进剂管理装置控制推进剂由液态转换为气态并输出到腔室的输出端，推进装置进行连续性工作，推进装置喷出气态推进剂时处于连续式推进模式。

由于在气态推进剂损耗过程中，气腔压力下降，液态推进剂漫过推进剂管理装置并将液态推进剂进行汽化形成气态推进剂，气态推进剂消耗至气腔与液腔的预设压差阈值时，液态推进剂漫过推进剂管理装置并将液态推进剂进行汽化形成气态推进剂，电磁阀常开，电磁阀喷射气态推进剂处于连续式推进模式。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种一体化的冷气推进系统，其特征在于，该系统包括：

贮箱，内部设置有中空的腔室，所述腔室的底端设置有输出端；

推进剂，储存在所述腔室内；

推进剂管理装置，设于所述腔室内，用于控制所述腔室内的推进剂由液态转换为气态，并将气态的推进剂输出到所述腔室的输出端；

推进装置，设于所述贮箱内，与所述腔室的输出端连接，用于将所述腔室的输出端输出的气态的推进剂喷出，提供卫星所需的推力和冲量。

2.根据权利要求1所述的一体化的冷气推进系统，其特征在于，所述腔室包括自上而下依次设置的液腔和气腔，所述推进剂管理装置设于所述液腔和所述气腔之间并连接所述液腔和所述气腔。

3.根据权利要求2所述的一体化的冷气推进系统，其特征在于，所述液腔和所述气腔之间设有隔板，所述隔板用于将所述液腔和所述气腔隔离，并固定所述推进剂管理装置。

4.根据权利要求1或2所述的一体化的冷气推进系统，其特征在于，所述推进剂管理装置包括：阀座和弹簧座，所述阀座位于所述弹簧座的上端，所述弹簧座与所述阀座螺接，将所述阀座固定在所述弹簧座上；所述阀座内设有阀芯、调整垫片和弹簧，所述阀芯的上端端头与所述阀座接触形成阀门，所述调整垫片设于所述阀芯与所述弹簧之间，用于调节所述阀门的打开压力，所述弹簧的一端与所述调整垫片连接，所述弹簧的另一端与所述弹簧座连接；所述推进剂管理装置两侧的压差小于预设压差阈值时，所述弹簧自由伸缩带动所述阀芯运动至所述阀芯的上端端头与所述阀座接触，所述推进剂管理装置停止将推进剂由液态转换为气态，所述推进剂管理装置两侧的压差大于预设压差阈值时，所述阀芯受不平衡压力，挤压所述弹簧，使所述阀芯的上端端头与所述阀座分离，所述推进剂管理装置使推进剂由液态转换为气态。

5.根据权利要求4所述的一体化的冷气推进系统，其特征在于，所述阀芯上设有两个对称的通孔，用于在所述阀芯下端面运动至与所述弹簧座抵接时，连通所述推进剂管理装置的两侧。

6.根据权利要求4所述的一体化的冷气推进系统，其特征在于，所述推进剂管理装置设有位于上方的液态推进剂进口和位于下方的气态推进剂出口，所述液态推进剂进口用于输入液态的推进剂，所述气态推进剂出口用于输出气态的推进剂。

7.根据权利要求1所述的一体化的冷气推进系统，其特征在于，所述推进装置包括电磁阀和冷气推进面板，所述电磁阀与所述腔室的输出端连接，所述冷气推进面板与所述电磁阀的输出端可拆卸连接，所述电磁阀控制所述气态的推进剂喷出到所述冷气推进面板，由所述冷气推进面板将所述气态的推进剂喷出。

8.根据权利要求1所述的一体化的冷气推进系统，其特征在于，该系统还包括加排装置，所述加排装置设于所述腔室的顶端，用于加注和排出液态的推进剂。

9.根据权利要求1所述的一体化的冷气推进系统，其特征在于，所述贮箱上设有多个螺钉孔，用于与卫星进行连接。

10.一种一体化的冷气推进系统的控制方法，应用于权利要求1至9任意一项所述的一体化的冷气推进系统，其特征在于，该控制方法包括：

在需求冲量小于预设冲量阈值时，推进剂管理装置控制停止将推进剂由液态转换为气态，推进装置进行周期性工作，推进装置喷出气态的推进剂时处于脉冲式推进模式；

在需求冲量大于预设冲量阈值时，推进剂管理装置控制推进剂由液态转换为气态并输出到腔室的输出端，推进装置进行连续性工作，推进装置喷出气态的推进剂时处于连续式推进模式。