CN110799751A - 用于调节用于电力推进器的推进剂流体的流量的装置 - Google Patents
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Abstract
用于调节用于电力推进器的推进剂流体的流量的装置(52)，该装置为热毛细导管装置的类型，包括导电的至少一个毛细导管，并且能够在导管温度发生变化的作用下调节推进剂流体的流量，其特征在于，所述至少一个毛细导管包含镍基合金。
Description
技术领域
本发明的领域是调节流体的流量，特别是调节至非常小的流量，以使得推进剂气体供给空间电力推进器的流量的领域。
本发明有利地但以非限制性的方式适用于用于空间电力推进类型，特别是用于对地静止远程通信卫星的推进类型的离子或等离子体推进发动机。
背景技术
在使用电力推进发动机的情况下，需要配设流量控制器。考虑到所涉及的流量较低，本领域技术人员知晓的用于调节这种流量的装置是被称为“热毛细导管装置”的装置，即可以连接至电流源的导电的毛细导管。穿过毛细导管的这种电流将通过焦耳效应引起对毛细导管的加热，该加热将改变毛细导管中流体的流动状况，并因此改变流体在确定供应压力下穿过毛细导管的质量流量。
此外，等离子体发动机的功率需求在朝着更高的功率或更低的功率发展。因此，流量控制器的尺寸必须使得能够提供更强或更弱的流量，同时使等离子体推进器不是仅能在一个功能点上起作用，而是为其提供实际范围的功能点。
换句话说，流量控制器必须能够提供相对于现有技术扩大的流量范围。
提出的问题是，目前使用的技术具有使用限制，从而不能响应该需求。因此，流量控制器的技术必须适应于能够响应对扩大流量范围日益增长的需求。
存在各种与这种实施相关联的困难。毛细导管必须耐高温。实际上，考虑到这种管的尺寸很小，该管的电阻率增加，并且焦耳效应产生的温度可能接近1000℃。此外，运作的流量范围越大，就越需要采用高温。而且，为了控制相对于给定尺寸的壳体的体积，并且为了控制该管中的负载损失，除了生产管本身(这是小尺寸(直径为几百微米)带来的挑战)之外，还必须能够使毛细导管成形：此操作称为弯折，并通常在环境温度下进行以使实施更容易。最后，还必须能够通过组装方法(例如，通过钎焊或焊接)将毛细导管集成在结构内。
如今，毛细导管通常由不锈钢，例如钢X2CrNi18-10制成。该材料具有在20℃时相对易延展的特性，这有助于其在弯折期间的实施。此外，该材料可以容易地钎焊在其他部件上，这使得其能够集成在廉价的结构中。缺点是该材料会退化，从而导致毛细导管内的流动状况发生变化，进而会导致最大气体流量(在零电流下获得)降低。实际上，当毛细导管经受数小时的几安培电流(3A至4A)时，毛细导管会退化。然而，为了获得合适的流量范围，流量控制器在可以从0A到4A变化的电流上建立其性能(0A对应于最大流量，4A对应于最小流量)。这可能会发生毛细导管的退化，直到毛细导管破裂，从而使任何数量的氙气逸出，并通常会导致导管内流体横截面的减小。因此，发现达到0A的最大流量受到较高强度电流的初步施加的影响。因此，控制器的流量范围降低了至少10％。例如，替代性方案是将热毛细导管的电流限制在0A至2A之间。该替代性方案的缺点是将控制器的流量范围减小了约40％，这对等离子体推进器的性能造成了极大的损害。
本发明的目的是通过提出一种用于调节用于电力推进器的推进剂流体的流量的装置来克服这些缺点，该装置配备有耐用的毛细导管，从而使得在控制热毛细导管的尺寸的同时，能够提供扩大的推进剂流体的流量范围。
发明内容
本发明的目的是一种用于调节电力推进器的推进剂流体的流量的装置，该装置为包括导电的至少一个毛细导管的热毛细导管装置的类型，并且能够在管温度发生变化的作用下调节推进剂流体的流量。
在根据本发明的装置中，所述至少一个毛细导管包括镍基合金。
申请人已经观察到，将这种合金用于毛细导管使得特别地在控制导管的尺寸及其形状的同时，能够扩大推进剂气体的流量间隔。
镍基合金是指包含重量占比为至少50％的镍的合金。
优选地，所述至少一个毛细导管由镍基合金组成，即，所述导管仅包括所述合金。
镍基合金可包含选自铬、铁、锰、铜、铌和钼中的至少一种元素。
具体地，镍基合金可以例如包括铁。铁的含量可以小于或等于合金的重量的10％。
镍基合金可包含铁和铬。
优选地，镍基合金选自：a)包含重量占比为至少72％的镍、重量占比为14％至17％的铬和重量含量为6％至10％的铁的合金；b)包含重量占比为至少58％的镍、重量占比为20％至23％的铬，以及重量占比含量为小于或等于5％的铁的合金；以及c)包含重量占比为50％至55％的镍和重量占比为17％至21％的铬的合金。
镍基合金可以选自由特殊金属公司(Special Metals Corporation)以名为的商品出售的合金，特别是选自
600合金、
625合金和
718合金。
镍基合金也可以选自由罗莱合金(Rolled Alloys)公司以名为RA 602的商品出售的合金、由哈氏合金国际(Haynes International)公司以名为
的商品出售的合金，以及由Haynes International公司以商品名出售的合金。
RA
合金是一种如下合金：按重量百分比计包含24％至26％的铬、0.15％至0.25％的碳、1.8％至2.4％的铝、0.1％至0.2％的钛、0.05％至0.12％的钇、0.01％至0.10％的锆、至多0.15％的锰、至多0.5％的硅、至多0.1％的铜、8％至11％的铁，剩余成分为镍。
合金是一种如下合金：按重量百分比计包含22％的铬、14％的钨、2％的钼、至多3％的铁、至多5％的钴、0.5％的锰、0.4％的硅、至多0.5％的铌、0.3％的铝、至多0.1％的钛、0.1％的碳、0.02％的镧、至多0.015％的硼，剩余成分为镍。
所述至少一个毛细导管通常连接到电流源。
推进剂流体可以是氙气或氪气。
本发明的目的还是一种电力推进器。根据本发明的电力推进器包括上述的装置。
电力推进器通常是霍尔效应等离子体推进器。
本发明的最终目的是一种卫星。根据本发明的卫星包括上述的电力推进器。
附图说明
通过阅读以下作为非限制性示例给出的描述并参照附图，将最好地理解本发明，并且本发明的其他细节、特征和优点将显现，在附图中：
-图1示出了根据本发明的空间电力推进器，以及
-图2示出了用于从推进器供应推进剂气体的系统。
具体实施方式
图1总体上示出了霍尔效应等离子体推进器10。中心磁绕组12包围围绕主纵向轴线A延伸的中心毂部14。环形内部壁16包围中心绕组12。该内部壁16被环形外部壁18包围，环形壁16和18界定出围绕主轴线A延伸的环形排出通道20。在这里描述的示例中，内部壁16和外部壁18形成一体式陶瓷部件19的一部分。
在下面的描述中，术语“内部”表示靠近主轴线A的部分，术语“外部”表示远离该轴线的部分。
同样，术语“上游”和“下游”是相对于气体穿过排出通道20的正常流动方向(从上游到下游)定义的。
排出通道20的上游端部20a(图1中的左侧)被喷射系统22封闭，该喷射系统22由可电离气体(通常是氙气)的进气管道24组成，该管道24通过供气孔25连接至阳极26，该阳极26用作用于将气体分子喷射到排出通道20中的分配器。
排出通道20的下游端部20b是敞开的(在图1的右侧)。
围绕外部壁18布置有具有平行于主轴线A的轴线的多个外周磁绕组30。中心磁绕组12和外部磁绕组使得能够产生一径向磁场B，该径向磁场B的强度在排出通道20的下游端部20b处最大。
空心阴极40布置在外周绕组30的外部，该空心阴极的出口被定向成以便沿主轴线A和位于排出通道20的下游端部20b下游的区域的方向喷射电子。在阴极40和阳极26之间建立电势差。
如此喷射的电子部分地进入排出通道20内部。在阴极40和阳极26之间产生的电场的作用下，这些电子中的一些到达阳极26，而这些电子中的大多数被靠近排出通道20的下游端部20b的强磁场B捕获。
在排出通道20中从上游流通到下游的气体分子被与其碰撞的电子电离。
此外，存在于排出通道20中的电子产生轴向电场E，该轴向电场使在阳极26和排出通道20的下游出口20b之间的离子加速，使得这些离子以很高的速度从排出通道20中喷射出，从而能够推进发动机。
更具体地，本发明涉及用于供应电力推进器的系统。
首先，必须注意，目前的推进器需要被调节至低的气体流量以获得恒定的推力。该流量是由储槽和压力调节器产生的，该压力调节器将压力引入一恒定场中，然后调节流量以将发动机所需的气体量供应到空心阴极。这种调节通常是通过热毛细导管和流量限制器来实现的，该热毛细导管被供应电流，并且该流量限制器使得推进剂流体能够在阳极和阴极之间分配。
图2示出了根据本发明的电力推进器10的供应系统50。
该供应系统50包括有可电离气体(例如氙气或氪气)的高压槽1，该高压槽1通过管道51连接至低压缓冲槽2。
低压缓冲槽2的容积约为1升。高压槽1中的压力从150巴至约1巴变化。低压缓冲槽2中的压力在1.5巴至3巴之间变化。
限制器7放置在管道51上，以使高压槽1和低压缓冲槽2之间的压力增加。
管道51还包括阀6，该阀6用于调节高压槽1和低压缓冲槽2之间的气体流量。
供应系统50包括如下的装置53，该装置53用于控制调节阀6的打开和关闭以及用于测量与压力传感器54接合的低压缓冲槽2中的压力。
供应系统50在低压缓冲槽2的下游包括两个截止阀V3、V4、冗余截止阀V1和热毛细导管52，这使得能够精细地调节分别朝向阳极26和阴极40的气体流量。其他结构也是可能的，例如，可以认为阀V1是冗余的，并且不存在阀V3和V4。
分别与阴极40和阳极26相关联的限制器3和4使得能够在阴极和阳极之间分配气体流量，即朝向阴极的气体流量约为8％至10％，并且朝向阳极的气体流量约为90％至92％。
供应系统50还包括电力电子器件81和点火电子器件82，该电力电子器件81能够启动发动机，并且该点火电子器件82能够在阳极26和阴极40之间建立放电电流。管理软件使得能够对发动机的照明进行排序，并且对阀进行控制，以根据确定的顺序向推进器供应气体和电力。
在图2中，点火放电被标记为DA，其仅对于启动是必需的，并且在阳极26和阴极40之间建立的发动机放电被标记为DM。应当注意，在为霍尔效应等离子体发动机的情况下，上述电子器件81、82通常要远离推进器，在发动机和电力电子器件之间使用了过滤单元以避免电磁干扰。电子器件81还供应热毛细导管52以及阀V1、V3和V4。
通常，由调节阀6、限制器7、低压缓冲槽2、用于控制调节阀6的打开和关闭的装置53以及压力传感器54构成的子系统构成压力调节单元PRG。
同样，截止阀V1、热毛细导管52、限制器3、4和阀V3、V4构成用于调节电离气体的流量的单元RDX。
气体在称为毛细导管的细导管中流通。通过在毛细导管上施加电流，从而通过焦耳效应将其加热。导管被加热后，发现在导管中流通的气体的粘度发生了变化，并且一旦导管中气体的流动条件也发生了变化，就可以根据施加到导管上的电流来调节所需的流量。
用于调节流量的单元RDX通常必须能够调节约几毫克/秒的非常低的质量流量以供应推进剂气体。这就是以如下已知方式使用热毛细导管52的原因，在该已知方式中，气体穿过连接到电流源的毛细导管，以通过焦耳效应加热毛细导管来调节气体的流量。然而，实际上，当在非常窄的范围内时，特别是当供应压力恒定时，现有技术的用于调节流量的装置无法使流量发生变化。因此，在霍尔效应推进器中使用的用于调节流量的装置(以名为
1350的商品出售，其中氙气供应压力为265kPa)只能使流量在4mg/s至8mg/s的范围内变化。尽管这对于目前的霍尔效应推进器已经足够了，该推进器针对在阳极和阴极之间的功率为1.5kW且电压为350V的单个功能点进行了优化，但这显然不足以使静电推进器在宽范围的功率和推进力内运作，因此需要调节推进剂气体的流量，使其可以例如在10mg/s至17mg/s之间，或甚至在17mg/s至50mg/s之间变化。
根据本发明，通过对热毛细导管52使用包含镍基合金的毛细导管来解决该问题。更具体地，使用由特殊金属公司(Special Metals Corporation)以名为
的商品出售的合金，特别是选自
600合金、
625合金和718合金。
600合金是一种如下的合金：按重量百分比计包含至少72％的镍、14％至17％的铬、6％至10％的铁、至多1％的锰、至多0.5％的铜、至多0.5％的硅、至多0.15％的碳和至多0.015％的硫。
由罗莱合金(Rolled Alloys)公司以名为RA 602
的商品出售的合金、由哈氏合金国际(Haynes International)公司以名为
的商品出售的合金以及由哈氏合金国际(Haynes International)公司以名为
的商品出售的合金也可以用作镍合金。
RA 602合金是一种如下的合金：按重量百分比计包含24％至26％的铬、0.15％至0.25％的碳、1.8％至2.4％的铝、0.1％至0.2％的钛、0.05％至0.12％的钇、0.01％至0.10％的锆、至多0.15％的锰、至多0.5％的硅、至多0.1％的铜、8％至11％的铁，剩余成分可以为镍。
改变毛细导管的材料涉及改变毛细导管所有的固有物理参数，特别是热和电性质。实际上，这些性质的结合是否使得能够响应热毛细导管的操作限制而不会显著影响其目前定义是不清楚的。然而，已经表明，镍基合金，特别是上述的合金使得能够容易地确保热毛细导管在扩大的推进剂流体的流量范围内的功能。这些合金使得能够解决与热限制有关的问题，同时与目前的流量控制器的尺寸和集成限制保持兼容。特别地，这些合金使得能够避免不锈钢毛细导管暴露于高温的退化机理。这些退化机理包括毛细导管的氧化、在管壁两边的材料中铬和镍的不同偏析，以及碳化铬的沉淀。
Claims (14)
1.一种用于调节用于电力推进器的推进剂流体的流量的装置(52)，所述装置为热毛细导管装置的类型，包括导电的至少一个毛细导管，并且能够在所述导管的温度发生变化的作用下调节所述推进剂流体的流量，其特征在于，所述至少一个毛细导管包括镍基合金。
2.根据权利要求1所述的装置(52)，其特征在于，所述至少一个毛细导管由镍基合金组成。
3.根据权利要求1或2所述的装置(52)，其特征在于，所述镍基合金包含选自铬、铁、锰、铜、铌和钼中的至少一种元素。
4.根据权利要求3所述的装置(52)，其特征在于，所述镍基合金包含铁。
5.根据权利要求4所述的装置(52)，其特征在于，所述铁的含量小于或等于所述合金的重量的10％。
6.根据权利要求4或5所述的装置(52)，其特征在于，所述镍基合金包含铁和铬。
7.根据权利要求6所述的装置(52)，其特征在于，所述镍基合金选自：a)包含重量占比为至少72％的镍、重量占比为14％至17％的铬和重量占比为6％至10％的铁的合金；b)包含重量占比为至少58％的镍、重量占比为20％至23％的铬以及重量占比含量为小于或等于5％的铁的合金；以及c)包含重量占比为50％至55％的镍和重量占比为17％至21％的铬的合金。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的装置(52)，其特征在于，所述镍基合金按重量百分比计包含：24％至26％的铬、0.15％至0.25％的碳、1.8％至2.4％的铝、0.1％至0.2％的钛、0.05％至0.12％的钇、0.01％至0.10％的锆、至多0.15％的锰、至多0.5％的硅、至多0.1％的铜、8％至11％的铁，剩余成分为镍。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的装置(52)，其特征在于，所述镍基合金按重量百分比计包含：16％的铬、4.5％的铝、3％的铁、至多2％的钴、至多0.5％的锰、至多0.5％的钼、至多0.5％的钛、至多0.5％的钨、至多0.15％的铌、至多0.2％的硅、至多0.1％的锆、0.04％的碳、至多0.01％的硼、0.01％的钇，剩余成分为镍。
10.根据权利要求1至4中任一项所述的装置(52)，其特征在于，所述镍基合金按重量百分比计包含：22％的铬、14％的钨、2％的钼、至多3％的铁、至多5％的钴、0.5％的锰、0.4％的硅、至多0.5％的铌、0.3％的铝、至多0.1％的钛、0.1％的碳、0.02％的镧、至多0.015％的硼，剩余成分为镍。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的装置(52)，其特征在于，所述至少一个毛细导管连接到电流源。
12.电力推进器(10)，其特征在于，所述电力推进器包括根据权利要求1至11中任一项所述的装置(52)。
13.根据权利要求12所述的电力推进器(10)，其特征在于，所述电力推进器为霍尔效应等离子体推进器。
14.卫星，其特征在于，所述卫星包括根据权利要求12或13所述的电力推进器(10)。
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