CN110395410A - 姿轨控一体化微型冷气推进系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种姿轨控一体化微型冷气推进系统，包括储气箱、缓压箱、压力传感器、隔离阀、进气阀、出气管接头、五个电磁阀、控制单元、顶部喷口、四个侧向喷口；储气箱上设有进气阀和出气管接头；出气管接头通过隔离阀与缓压箱相连；缓压箱固定在储气箱上；缓压箱上设有压力传感器；缓压箱上设有六个管接头，分别与隔离阀、五个电磁阀相连；五个电磁阀分别与顶部喷口和四个侧向喷口相连；顶部喷口、四个侧向喷口分别设置在储气箱顶部和四侧；顶部喷口喷射方向向上，四个侧向喷口喷向向下，且四个侧向喷口喷向与顶部喷口喷向夹角均为75°；压力传感器、隔离阀、五个电磁阀均与控制单元电连接；本发明可实现卫星姿轨控制。
Description
技术领域
本发明属于航天器推进技术领域，特别是一种姿轨控一体化微型冷气推进系统。
背景技术
推进系统作为执行机构，可以为卫星提供控制力矩，配合控制分系统完成卫星姿态和轨道控制任务。推进系统对卫星的工作寿命、可靠性、轨道与姿态控制、机动、位置保持等各项功能和性能都有直接的影响，因而是卫星的重要组成部分。目前大多数立方体卫星缺乏一个主动推进系统，限制其轨道寿命和可操作性。为了使微纳卫星变得更加灵活和机动，来完成相关的大型任务，因此微型推进系统对于微纳卫星是必不可少的。
国外大多采用8喷口实现微纳卫星六轴姿态控制，或者10喷口来实现微纳卫星姿态轨道一体化控制，过多的喷口使得供给管路和控制系统极其复杂，而且管路过长会引起的沿程压力损失很大，这是对于推进剂储存能量的一种不必要的浪费。例如，萨里大学研发的STRaND-2推进系统采用10喷口工作模式，其中侧向8个喷口用于姿态控制，端部2个喷口用于轨道控制，10个喷口分为两组，每组5个，两组喷口分别位于微纳卫星上下端面，这样导致供给管路必须穿过整个卫星才能达到更一组喷口。
目前大多数推进系统没有采取缓压工作模式，推进剂从储箱直接通过阀门供给到喷口，随着储存推进剂的减少，推进剂供给压力降低，推力也随之降低，这不利于微纳卫星精确的姿轨控制。
因此为了实现推进系统的姿态轨道一体化控制，提高控制精度，推进剂采取缓压反馈调节工作模式是至关重要的。同时为了提高推进系统的可靠性、减少推进系统的体积占比并延长推进系统的使用寿命、最大化推进剂使用效率，能够实现姿轨控一体化的前提下合理的减少喷口数量、降低推进系统的复杂度是未来推进系统的发展方向之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种姿轨控一体化微型冷气推进系统，以实现微纳卫星姿态轨道一体化控制，通过采取推进剂缓压反馈调节的工作模式可长时间输出稳态推力，提高了推力控制精度，；通过采用侧向4喷口+顶部1喷口设计模式并且通过不同喷口组合模式来实现微纳卫星的六轴姿态控制和双向轨道控制，达到了和传统10喷口控制模式一样的效果，极大地减少推进系统的体积占比并延长推进系统的使用寿命的可靠性、极大地提高了推进剂使用效率，并且提高了系统的可靠性。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种姿轨控一体化微型冷气推进系统，包括储气箱、缓压箱、压力传感器、隔离阀、进气阀、出气管接头、五个电磁阀、控制单元、顶部喷口、四个侧向喷口；
所述储气箱上设有进气阀；所述储气箱上还设有出气管接头；所述出气管接头与隔离阀相连；所述隔离阀与缓压箱相连；所述缓压箱固定在储气箱上；所述缓压箱上设有压力传感器，用于检测缓压箱内的压力；所述缓压箱上设有六个管接头，分别与隔离阀、五个电磁阀相连；所述五个电磁阀固定在储气箱上，五个电磁阀分别与顶部喷口和四个侧向喷口相连；所述顶部喷口设置在储气箱顶部，所述四个侧向喷口分别设置在储气箱四侧；所述顶部喷口喷射方向向上，四个侧向喷口喷向向下，且四个侧向喷口喷向与顶部喷口喷向夹角均为75°；所述压力传感器、隔离阀、五个电磁阀均与控制单元电连接；当缓压箱内压力小于预设压力值时，隔离阀开启，向缓压箱内注入推进剂；当缓压箱内压力达到设定压力值时，隔离阀关闭。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：
(1)本发明采用4个侧向喷口+顶部喷口设计模式并且通过不同喷口组合模式来实现微纳卫星的六轴姿态控制和双向轨道控制，既可以解决立方体卫星快速姿态机动的问题，也可以解决立方体卫星小范围轨道机动的问题。达到了和传统10喷口控制模式一样的效果，极大地减少推进系统的体积占比并延长推进系统的使用寿命的可靠性、极大地提高了推进剂使用效率，并且提高了系统的可靠性。
(2)本发明采取推进剂缓压反馈调节工作模式，可长时间输出稳态推力，提高了推力控制精度，可实现微纳卫星姿态快速机动连续控制。
(3)本发明采用高精度压力传感器和高速电磁阀，可以精确测量缓压箱里推进剂压力，便于精确控制推力范围，来产生精确恒定的推力。
(4)本发明是一套单独的系统，将控制单元集成到推进系统内部，也不会受其他系统是否正常工作的影响，在不干扰其他系统的同时也保障自身的可靠性。
附图说明
图1为本发明推进系统正向轴测图。
图2为本发明推进系统反向轴测图。
图3为本发明推进系统原理图。
图4为本发明推进系统工作原理俯视图。
图5本发明推进系统工作原理正视图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
结合图1、图2，本发明的一种姿轨控一体化微型冷气推进系统，包括储气箱12、缓压箱26、压力传感器27、隔离阀13、进气阀1、出气管接头20、五个电磁阀14、控制单元8、顶部喷口23、四个侧向喷口5；
所述储气箱12用于存储推进剂；所述储气箱12上设有进气阀1，用于注入推进剂；所述储气箱12上还设有出气管接头20；所述出气管接头20通过管路与隔离阀13相连；所述隔离阀13通过管路与缓压箱26相连；所述缓压箱26固定在储气箱12上；所述缓压箱26上设有压力传感器27，用于检测缓压箱26内的压力；所述缓压箱26上设有六个管接头2，一个管接头2与隔离阀13相连，用于注入推进剂，五个管接头2分别与五个电磁阀14相连；所述五个电磁阀14固定在储气箱12上，五个电磁阀14分别与顶部喷口23和四个侧向喷口5相连；所述顶部喷口23设置在储气箱12顶部，所述四个侧向喷口5分别设置在储气箱12四侧；所述顶部喷口23喷射方向向上，四个侧向喷口5 喷向向下，且四个侧向喷口5喷向与顶部喷口23喷向夹角均为75°，侧向四喷口同时工作产生的侧向推力相互抵消，产生的轴向推力与顶部喷口产生的推力大小一样、方向相反，便于微纳卫星先加速后减速或者先减速后加速的轨道控制，提高了轨道控制精度。所述压力传感器27、隔离阀13、五个电磁阀14均与控制单元8电连接；当缓压箱26 内压力小于预设压力值P1时，隔离阀13开启，向缓压箱26内注入推进剂；当缓压箱 26内压力达到设定压力值P2时(P1＜P2)，隔离阀13关闭，保证缓压箱26内的推进剂的压力在设定范围之内，由于推进剂丁烷气化温度在0℃左右，一般卫星平台内温度都高于0℃，只需要控制好缓压箱26内的推进剂的压力，就可以保证推进剂完全气化。
进一步的，结合图4、图5，所述控制单元8用于控制五个电磁阀14的启闭，以控制顶部喷口23和四个侧向喷口5的工作方式；控制工作方式包括以下几种组合：
其中A、C表示推进系统正向轴测图中侧面的2个喷口5，B、D表示推进系统反向轴测图中侧面喷口5；E表示顶部喷口23。+x旋转方向遵守右手螺旋准则，取逆时针旋转方向正方向。根据控制单元8控制五个电磁阀14的启闭，可以控制推进系统实现不同方向的工作模式，适应卫星不同姿态和轨道的变换要求。
进一步的，所述顶部喷口23和四个侧向喷口5均采用拉瓦尔喷口。
进一步的，所述顶部喷口23通过顶部喷口连接件21固定在储气箱12上端；所述四个侧向喷口5通过侧面喷口连接件6固定在储气箱12四侧。
进一步的，所述进气阀1安装在主储气箱12的顶部，便于加注。
进一步的，所述隔离阀13采用高速电磁阀，开启时间和关闭时间均为毫秒级别；所述控制单元8用以产生脉冲信号，以控制隔离阀13以一定频率的开关动作，控制推进剂少量缓慢注入缓压箱26，这样可以十分准确地控制缓压箱26内的推进剂压力大小。
结合图3，本发明的姿轨控一体化微型冷气推进系统，在上箭之前进行推进剂加注，避免泄露，可以提高卫星运送、调试过程安全性。推进剂为液态丁烷，通过进气阀1注入储气箱12，此时隔离阀13处于关闭状态。进气阀1安装在主储气箱12的顶部，便于加注，且采用快速插头即可进行加注，无需对卫星进行拆解。隔离阀13和五个电磁阀 14都是微型高精密阀门，如果推进剂含有杂质，会造成阀门堵塞，所以在加注推进剂时，加注管路必须设置过滤器，使杂质在进入储气箱之前就被过滤掉，保证储气箱内气体的纯净。卫星在上箭之前一直到卫星入轨之后，隔离阀13一直处于关闭状态，防止下游气体泄漏。卫星进入轨道之后，隔离阀13和压力传感器27上电，隔离阀13打开，压力传感器27监测缓压箱26压力并实时反馈到控制单元8，当压力上升到预定压力范围后，控制单元8控制隔离阀13关闭。由于推进剂在缓压箱26内的压力低于丁烷的饱和蒸气压，因此丁烷在缓冲罐内以气态形式储存。电磁阀14接受到控制单元8发出的信号后，控制单元8分别控制五个电磁阀14的通断，压缩气体经过拉瓦尔喷口膨胀加速后，产生推力。
Claims (6)
1.一种姿轨控一体化微型冷气推进系统，其特征在于，包括储气箱(12)、缓压箱(26)、压力传感器(27)、隔离阀(13)、进气阀(1)、出气管接头(20)、五个电磁阀(14)、控制单元(8)、顶部喷口(23)、四个侧向喷口(5)；
所述储气箱(12)上设有进气阀(1)；所述储气箱(12)上还设有出气管接头(20)；所述出气管接头(20)与隔离阀(13)相连；所述隔离阀(13)与缓压箱(26)相连；所述缓压箱(26)固定在储气箱(12)上；所述缓压箱(26)上设有压力传感器(27)，用于检测缓压箱(26)内的压力；所述缓压箱(26)上设有六个管接头(2)，分别与隔离阀(13)、五个电磁阀(14)相连；所述五个电磁阀(14)固定在储气箱(12)上，五个电磁阀(14)分别与顶部喷口(23)和四个侧向喷口(5)相连；所述顶部喷口(23)设置在储气箱(12)顶部，所述四个侧向喷口(5)分别设置在储气箱(12)四侧；所述顶部喷口(23)喷射方向向上，四个侧向喷口(5)喷向向下，且四个侧向喷口(5)喷向与顶部喷口(23)喷向夹角均为75°；所述压力传感器(27)、隔离阀(13)、五个电磁阀(14)均与控制单元(8)电连接；当缓压箱(26)内压力小于预设压力值时，隔离阀(13)开启，向缓压箱(26)内注入推进剂；当缓压箱(26)内压力达到设定压力值时，隔离阀(13)关闭。
2.根据权利要求1所述的推进系统，其特征在于，所述控制单元(8)用于控制五个电磁阀(14)的启闭，以控制顶部喷口(23)和四个侧向喷口(5)的工作方式；控制工作方式包括以下几种组合：
其中A、B表示邻近的两个侧向喷口(5)，C、D表示另外两个邻近的侧向喷口(5)；E表示顶部喷口(23)。
3.根据权利要求1所述的推进系统，其特征在于，所述顶部喷口(23)和四个侧向喷口5均采用拉瓦尔喷口。
4.根据权利要求1所述的推进系统，其特征在于，所述顶部喷口(23)通过顶部喷口连接件(21)固定在储气箱(12)上端；所述四个侧向喷口(5)通过侧面喷口连接件(6)固定在储气箱(12)四侧。
5.根据权利要求1所述的推进系统，其特征在于，所述进气阀(1)设置在主储气箱(12)的顶部。
6.根据权利要求1所述的推进系统，其特征在于，所述隔离阀(13)采用开启时间和关闭时间均为毫秒级别的电磁阀。
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| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |