CN111140450A - 一种霍尔推力器用碘介质地面供气装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及航天霍尔电推进技术领域，具体而言，涉及一种霍尔推力器用碘介质地面供气装置及使用方法，包括碘蒸气发生单元和碘蒸气流量控制单元，其中：碘蒸气发生单元包括固态碘贮罐以及第一压力传感器；碘蒸气流量控制单元包括截止阀、减压阀、第二压力传感器以及流量调节阀。本申请的供气装置采用碘介质推进剂使得推力参数性能好，推力器效率更高，将碘介质加热升华为碘蒸气进行传输，防止碘蒸气在传输过程中的凝结，并且能够实时控制碘蒸气的流量，保证碘蒸气能够稳定精确的传输至霍尔推力器中。

Description

一种霍尔推力器用碘介质地面供气装置及使用方法

技术领域

本申请涉及航天霍尔电推进技术领域，具体而言，涉及一种霍尔推力器用碘介质地面供气装置及使用方法。

背景技术

随着航天技术发展，电推进技术的不断成熟，越来越多的电推力器正在被各国航天界开发与研制。相比于传统的化学推力器，电推力器具有比冲高、寿命长、结构紧凑以及体积小等特点，在卫星姿态控制、轨道修正、轨道保持与动力补偿等方面具有显著的应用前景。

在众多电推力器中，霍尔推力器因其结构简单、易于操作、工质利用率高而受到广泛关注。主流的霍尔推力器推进剂工质为氙气，但氙工质受限于价格和存储方式，造成其应用存在诸多困难，各国家开展了关于其它替代工质的研究。与其他质相比，碘工质电离能较低，相对原子质量较高，推力器效率，推力等参数性能较好，价格便宜，得到了广泛研究。

传统氙工质霍尔推力器采用高压气瓶储存氙工质，采用减压阀、热截流器或比例阀等控制气体流量，工作环境较稳定，影响流量变化因素少，流量控制精度高。而碘在常温下为固态，具有一定腐蚀性，储存方式与传统氙气介质的不同；此外，霍尔推力器推进剂介质使用状态为气态，需要对固态碘加热升华为碘蒸气，整个供气装置还需保持一定温度，防止碘蒸气凝结。温度变化对流量变化影响剧烈，流量控制难度大。

发明内容

本申请的主要目的在于提供一种霍尔推力器用碘介质地面供气装置及使用方法，将碘介质作为霍尔推力器的推进剂，安全稳定，成本低廉，操作方便。

本发明提供的一种霍尔推力器用碘介质地面供气装置，包括碘蒸气发生单元和碘蒸气流量控制单元，其中：碘蒸气发生单元包括固态碘贮罐以及第一压力传感器；碘蒸气流量控制单元包括截止阀、减压阀、第二压力传感器以及流量调节阀；截止阀的入口分别与固态碘贮罐和第一压力传感器连接，截止阀的出口与减压阀的入口连接，减压阀的出口分别与流量调节阀的入口和第二压力传感器连接，流量调节阀的出口与外部管路连接。

进一步的，固态碘贮罐上设置有第一温度控制组件，第一温度控制组件包括第一加热带、第一温控仪以及第一温度传感器。

进一步的，还包括安装板，碘蒸气流量控制单元固定设置在安装板上。

进一步的，安装板的正面设置有凹槽，凹槽的空隙填充有导热硅脂。

进一步的，安装板上设置有第二温度控制组件，第二温度控制组件包括第二加热带、第二温控仪以及第二温度传感器。

进一步的，固态碘贮罐为桶状结构，固态碘贮罐的上端设置有法兰片和密封垫片，法兰片上设置有出气嘴。

进一步的，第一加热带环绕在固态碘贮罐的外壁，第一温度传感器的探杆设置在固态碘贮罐的内部，共同组成第一测温回路。

进一步的，第二加热带粘贴在安装板的背面，第二温度传感器探杆设置在安装板正面的中心，共同组成第二测温回路。

本发明还提供了一种霍尔推力器用碘介质地面供气装置的使用方法，该方法应用于上述的霍尔推力器用碘介质地面供气装置中，该方法包括：工作前，将供气装置的流量调节阀的出口管路与霍尔推力器连接，并且关闭供气装置的截止阀。工作时，首先，通过第一加热带对固态碘贮罐预热，观察并实时监测第一温度传感器的温度信号和第一压力传感器的压力信号，将固态碘贮罐内的碘介质加热到预设的温度，并使加热升华产生的碘蒸气达到预设的饱和蒸气压。然后，通过第二加热带对安装板进行加热，观察并实时监测第二温度传感器的温度信号，加热到预设温度后，保温10分钟以上。随后，开启截止阀，调节减压阀，观察并实时监测第二压力传感器的压力信号，随时调整减压阀，使碘蒸气的输出压力稳定维持在预设的压力值范围内。最后，调节流量调节阀，控制碘蒸气达到预设的输出流量，稳定持续的为霍尔推力器提供推进剂。

本申请提供的霍尔推力器用碘介质地面供气装置及使用方法，具有以下有益效果：

本申请提供的霍尔推力器用碘介质地面供气装置采用碘介质作为霍尔推力器的推进剂，碘介质电离能较低，相对原子质量高，价格便宜，采用碘介质推进剂使得推力参数性能好，推力器效率更高。供气装置采用两组温度控制系统，对整个供气装置实时加热保温，使碘介质加热升华为碘蒸气进行传输，防止碘蒸气在传输过程中的凝结，此外通过控制流量调节阀，能够实时控制碘蒸气的流量，保证碘蒸气能够稳定精确的传输至霍尔推力器中。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例的霍尔推力器用碘介质地面供气装置的示意图；

图2为本发明实施例的固态碘贮罐的示意图；

图3为本发明实施例的法兰片的示意图；

图中：1-碘蒸气发生单元、11-固态碘贮罐、12-第一压力传感器、13-法兰片、14-第一加热带、15-第一温度传感器、2-碘蒸气流量控制单元、21-截止阀、22-减压阀、23-第二压力传感器、24-流量调节阀、25-第二加热带、26-第二温度传感器、3-出气口。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本申请中，术语“上”、“下”、“内”、“中”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。

此外，术语“设置”、“连接”、“设有”、“连通”应做广义理解。例如，“连接”可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

参见图1-图2，本发明提供的一种霍尔推力器用碘介质地面供气装置，包括碘蒸气发生单元1和碘蒸气流量控制单元2，其中：碘蒸气发生单元1包括固态碘贮罐11以及第一压力传感器12；碘蒸气流量控制单元2包括截止阀21、减压阀22、第二压力传感器23以及流量调节阀24；截止阀21的入口分别与固态碘贮罐11和第一压力传感器12连接，截止阀21的出口与减压阀22的入口连接，减压阀22的出口分别与流量调节阀24的入口和第二压力传感器23连接，流量调节阀24的出口与外部管路连接。

具体的，本发明提供的霍尔推力器用碘介质地面供气装置，主要是为霍尔推力器提供碘介质推进剂。在本发明实施例中，通过对碘介质加热，使其升华成碘蒸气进行传输，传输过程中保持一定的温度，防止碘蒸气凝结，控制碘蒸气的流量，使其能够稳定持续的为霍尔推力器供气。碘蒸气发生单元1主要用于贮存碘介质提供碘蒸气，碘蒸气流量控制单元2主要用于控制碘蒸气的流量。固态碘贮罐11主要用于贮存碘介质，第一压力传感器12主要用于测量固态碘贮罐11内的压力值；截止阀21主要用于控制碘蒸气流通的开启和关闭，减压阀22用于降低碘蒸气的压力值，第二压力传感器23用于测量传输过程中碘蒸气的压力值，使碘蒸气的传输过程中符合预设的压力值，流量调节阀24用于调节碘蒸气传输的流量。固态碘贮罐11、第一压力传感器12和截止阀21通过三通接头连接，三通接头的一端与固态碘贮罐11连接，另外两端分别与第一压力传感器12和截止阀21的入口连接。减压阀22、第二压力传感器23和流量调节阀24也通过三通接头连接，三通接头的一端与减压阀22的出口连接，另外两端分别与第二压力传感器23和流量调节阀24的入口连接。固态碘贮罐11、压力传感器、截止阀21、减压阀22、流量调节阀24、管路、接头等与碘介质直接接触部位材料均采用不锈钢或硅橡胶，可以有效的减缓碘介质的腐蚀。

进一步的，固态碘贮罐11上设置有第一温度控制组件，第一温度控制组件包括第一加热带14、第一温控仪以及第一温度传感器15。第一温控仪规定安装在外部操作台上，主要用于采集第一问题传感器15的温度信号并控制第一加热带14的加热功率。第一温度控制组件主要用于控制固态碘贮罐11的温度，对固态碘贮罐11内的碘介质进行加热，使其能够升华成碘蒸气。

进一步的，还包括安装板，碘蒸气流量控制单元2固定设置在安装板上。在本发明实施例中，安装板优选为铝合金板，连接后的截止阀21、减压阀22、第二压力传感器23、流量调节阀24依次固定在安装板上。

进一步的，安装板的正面设置有凹槽，凹槽的空隙填充有导热硅脂。连接后的截止阀21、减压阀22、第二压力传感器23、流量调节阀24通过各自安装接口固定安装在安装板的凹槽内，凹槽的空隙内填充有导热硅胶，主要起到保温的作用，使碘蒸气在传输过程中保持在一定的温度范围内，不易凝结。

进一步的，安装板上设置有第二温度控制组件，第二温度控制组件包括第二加热带25、第二温控仪以及第二温度传感器26。第二温度仪固定安装在外部操作台上，主要用于采集第二温度传感器26的温度信号并控制第二加热带25的加热功率。第二温度控制组件主要用于控制安装板上碘蒸气流量控制单元2的温度，控制碘蒸气在传输过程中的温度。

进一步的，固态碘贮罐11为桶状结构，固态碘贮罐11的上端设置有法兰片13和密封垫片，法兰片13上设置有出气嘴。在本发明实施例中，固态碘贮罐11优选为不锈钢桶状结构，上端设置有法兰片13结构，法兰片13与桶体依靠4个M5螺栓连接。法兰片13中心加工有内螺纹接头，一侧加工0.5mm环形槽用于安装密封垫片，另一侧边缘加工有出气口3，出气口3上焊接有出气嘴，出气嘴通过橡胶软管和三通接头连接，将固态碘贮罐11内的碘蒸气传输至截止阀21处。

进一步的，第一加热带14环绕在固态碘贮罐11的外壁，第一温度传感器15的探杆设置在固态碘贮罐11的内部，共同组成第一测温回路。第一加热带14主要用于对固态碘贮罐11进行加热，第一温度传感器15主要用于检测固态碘贮罐11内部的温度，通过第一温控仪实时采集第一温度传感器15的温度信号，可以监控固态碘贮罐11内部的温度，并且可以随时调整第一加热带14的加热功率，使固态碘贮罐11的温度保持在碘介质升华的温度。

进一步的，第二加热带25粘贴在安装板的背面，第二温度传感器26探杆设置在安装板正面的中心，共同组成第二测温回路。第二加热带25主要对安装板上碘蒸气流量控制单元2进行加热，第二温度传感器26主要用于检测碘蒸气传输过程中环境的温度，通过第二温控仪实时采集第二温度传感器26的温度信号，可以监测碘蒸气传输过程中各管路的温度，并且可以随时调整第二加热带25的加热功率，使碘蒸气在传输过程中时刻保持在预设温度，防止碘蒸气在传输过程中的凝结。

本发明还提供了一种霍尔推力器用碘介质地面供气装置的使用方法，该方法应用于上述的霍尔推力器用碘介质地面供气装置中，该方法包括：工作前，将供气装置的流量调节阀24的出口管路与霍尔推力器连接，并且关闭供气装置的截止阀21。工作时，首先，通过第一加热带14对固态碘贮罐11预热，观察并实时监测第一温度传感器15的温度信号和第一压力传感器12的压力信号，将固态碘贮罐11内的碘介质加热到110℃保持不变，并使加热升华产生的碘蒸气的压力达到9300Pa～9400Pa。然后，通过第二加热带25对安装板进行加热，使安装板的温度保持在115～120℃，观察并实时监测第二温度传感器26的温度信号，保温10分钟以上。随后，开启截止阀21，调节减压阀22，观察并实时监测第二压力传感器23的压力信号，随时调整减压阀22，使碘蒸气的输出压力稳定维持在6500Pa。最后，调节流量调节阀24，控制碘蒸气流量为1-10sccm，稳定持续的为霍尔推力器提供推进剂。

以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种霍尔推力器用碘介质地面供气装置，其特征在于，包括碘蒸气发生单元和碘蒸气流量控制单元，其中：

所述碘蒸气发生单元包括固态碘贮罐以及第一压力传感器；

所述碘蒸气流量控制单元包括截止阀、减压阀、第二压力传感器以及流量调节阀；

所述截止阀的入口分别与所述固态碘贮罐和所述第一压力传感器连接，所述截止阀的出口与所述减压阀的入口连接，所述减压阀的出口分别与所述流量调节阀的入口和所述第二压力传感器连接，所述流量调节阀的出口与外部管路连接。

2.根据权利要求1所述的霍尔推力器用碘介质地面供气装置，其特征在于，所述固态碘贮罐上设置有第一温度控制组件，所述第一温度控制组件包括第一加热带、第一温控仪以及第一温度传感器。

3.根据权利要求1所述的霍尔推力器用碘介质地面供气装置，其特征在于，还包括安装板，所述碘蒸气流量控制单元固定设置在所述安装板上。

4.根据权利要求3所述的霍尔推力器用碘介质地面供气装置，其特征在于，所述安装板的正面设置有凹槽，所述凹槽的空隙填充有导热硅脂。

5.根据权利要求3所述的霍尔推力器用碘介质地面供气装置，其特征在于，所述安装板上设置有第二温度控制组件，所述第二温度控制组件包括第二加热带、第二温控仪以及第二温度传感器。

6.根据权利要求2所述的霍尔推力器用碘介质地面供气装置，其特征在于，所述固态碘贮罐为桶状结构，所述固态碘贮罐的上端设置有法兰片和密封垫片，所述法兰片上设置有出气嘴。

7.根据权利要求6所述的霍尔推力器用碘介质地面供气装置，其特征在于，所述第一加热带环绕在所述固态碘贮罐的外壁，所述第一温度传感器的探杆设置在所述固态碘贮罐的内部，共同组成第一测温回路。

8.根据权利要求5所述的霍尔推力器用碘介质地面供气装置，其特征在于，所述第二加热带粘贴在所述安装板的背面，所述第二温度传感器探杆设置在所述安装板正面的中心，共同组成第二测温回路。

9.一种霍尔推力器用碘介质地面供气装置的使用方法，其特征在于，该方法应用于权利要求1-8任一项所述的霍尔推力器用碘介质地面供气装置中，该方法包括：

工作前，将供气装置的流量调节阀的出口管路与霍尔推力器连接，并且关闭供气装置的截止阀；

工作时，首先，通过第一加热带对固态碘贮罐预热，观察并实时监测第一温度传感器的温度信号和第一压力传感器的压力信号，将固态碘贮罐内的碘介质加热到预设的温度，并使加热升华产生的碘蒸气达到预设的饱和蒸气压；

然后，通过第二加热带对安装板进行加热，观察并实时监测第二温度传感器的温度信号，加热到预设温度后，保温10分钟以上；

随后，开启截止阀，调节减压阀，观察并实时监测第二压力传感器的压力信号，随时调整减压阀，使碘蒸气的输出压力稳定维持在预设的压力值范围内；

最后，调节流量调节阀，控制碘蒸气达到预设的输出流量，稳定持续的为霍尔推力器提供推进剂。

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