CN111169659A - 一种用于冷气推进的智能可控增压装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于冷气推进的智能可控增压装置，包括壳体、压力传感器、控制电源、温度传感器、可控产气装置、电磁阀和排气阀。动力供给装置、供电负极、智能气体发生剂、点火正极和气体处理装置自上而下依次布置在可控产气装置内。本发明用智能可控增压装置代替高压储气罐，减少整个系统的体积和质量，同时避免气体泄漏等问题；不需要点火药作用，通过施加电压对智能气体发生剂的燃烧产气主动控制，通过改变电压值调节产气量，实现了多次产气及产气量可调节的功能；使用压力传感器和温度传感器对智能可控增压装置中的压力和温度进行监测，其中压力小于一定值时开始施加电压，达到预定值时停止施加电压，确保整体装置工作的安全性。

Description

一种用于冷气推进的智能可控增压装置
技术领域
本发明涉及航天微推进技术领域，特别是一种用于冷气推进的智能可控增压装置。
背景技术
随着航天领域的迅速发展，各军事强国都在积极追求发展空间微纳卫星技术。微纳卫星可实现传统大卫星的功能，特别是在快速响应系统和应急系统中，发挥着十分重要的作用。微纳卫星需要经常实施变轨、姿态调整及编队飞行等操作，对为其提供动力的微推进系统提出了更高的要求，要求推进系统具备可多次启动及推力可调节功能。
微推进技术是微纳卫星实现功能的关键，可将一颗卫星的功能分解到若干颗分布在附近轨道上的小卫星上，减少运行成本与重量。其中冷气推进技术使用惰性气体作为推进剂，推进系统非常简单，可用于短期任务姿态控制。常规冷气推进系统一般由高压储气罐、放气阀、缓压储气罐、稳压组件、电磁阀、喷口和连接件等几部分组成，其工作原理是贮存在高压储气罐中的高压气体经过放气阀释放到缓压储气罐内经过稳压组件的减压和稳压，在控制系统给出指令后，电磁阀开启，气体经喷口喷出产生控制所需的推力。但是常规冷气推进系统配备有质量较大的高压储气装置，很难应用在一些微纳卫星上，并且气体储存在高压储气罐内，分子扩散较高，难以避免气体出现泄漏问题。由于常规冷气推进系统所存在高压储气罐笨重且体积大以及泄露问题，因而不能应用于一些长期空间飞行的微纳卫星。
发明内容
本发明的目的在于提供用于一种冷气推进的智能可控增压装置，应用于微纳卫星的微推进系统。
智能可控增压装置包括壳体、压力传感器、控制电源、温度传感器、可控产气装置、电磁阀和排气阀。上述动力供给装置、供电负极、智能气体发生剂、点火正极和气体处理装置自上而下依次布置在可控产气装置内。
上述智能可控增压装置中，所述智能气体发生剂以重量百分数计，产气剂60％～80％、粘结剂15％～20％，交联剂为1％～2％。其中，产气剂为硝酸羟胺(HAN)和5-氨基四唑(5-ATZ)的混合物，粘结剂为聚乙烯醇(PVA)，交联剂为硼酸(HB)。
上述智能可控增压装置中，所述智能气体发生剂不需要点火药作用，仅可通过电压刺激作用，发生化学反应，产生气体；并且通过调节施加电压的大小来控制产气量，当移除电压时，智能气体发生剂可自身停止产气，再次施加电压可重新产生气体，实现了多次启动及推力可调节功能。
上述智能可控增压装置中，智能气体发生剂置于点火正极与供电负极之间，为层电极接触方式。所述点火正极为平板多孔结构。
上述智能可控增压装置中，所述气体处理装置由气体处理层和滤气筛网组成，用于冷却燃烧产生的气体和过滤气体中的少量残渣和腐蚀性气体。
上述智能可控增压装置中，所述气体处理层由腐蚀性气体处理剂和冷却剂组成，所述腐蚀性气体处理剂为活性炭，冷却剂为细沙。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1.以智能可控增压装置代替高压储气罐，根据需要产生气体，大大减少了整个系统的体积和质量，同时避免了气体泄漏等问题；
2.智能气体发生剂不需要点火药作用，增大了自身装药量，表现出仅对电压刺激作出反应，避免了受外界撞击、摩擦等激发产生激烈响应而导致的潜在危害；
3.产气工作通过施加电压主动控制，产气量通过改变施加电压值进行调节，实现了多次产气及产气量可调节功能。
4.使用压力传感器和温度传感器对智能可控增压装置中的压力和温度进行监测，其中压力小于一定值时开始施加电压，达到预定值时停止施加电压，确保整体装置工作的安全性。
附图说明
图1为本发明的智能可控增压装置结构示意图。
图2为本发明的可控产气装置结构图。
具体实施方式
如图1所示，本发明智能可控增压装置包括壳体1、压力传感器2、控制电源3、温度传感器4、可控产气装置5、电磁阀6和排气阀7。其中可控产气装置5对称排布在壳体1内。
上述可控产气装置5中，动力供给装置8、供电负极9、智能气体发生剂10、点火正极11和气体处理装置12自上而下依次布置在可控产气装置5内。
上述智能可控增压装置中，控制电源3对可控产气装置5施加电压，可控产气装置5中的智能气体发生剂10发生电化学和热分解反应，产生气体。压力传感器2和温度传感器4对智能可控增压装置中的压力和温度进行检测，在达到预定压力和温度时，反馈给控制电源3主动停止施加电压。电磁阀6和排气阀7按照产生所需推力的要求，释放气体完成工作过程。在产气过程中，动力供给装置8提供推力确保供电负极9、智能气体发生剂10和点火正极11实时接触，确保产气的连续性和稳定性。其中智能气体发生剂10点火后产生的气体经过气体处理装置12过滤掉气体中的少量固体残渣和腐蚀性气体以及降低气体温度，达到对智能可控增压装置无损坏的标准。
上述智能气体发生剂10主要由产气剂、粘结剂和交联剂组成。产气剂为硝酸羟胺(HAN)和5-氨基四唑(5-ATZ)的混合物，粘结剂为聚乙烯醇(PVA)，交联剂为硼酸(HB)。智能气体发生剂10发生的主要反应为：
5NH3OHNO3+9C2H4O→3CO2+15CO+8H2O+20H2+5N2
上述智能气体发生剂10中，产气剂的质量百分含量占智能气体发生剂10的60％～80％。其中硝酸羟胺(HAN)优选74％，以液体离子形式存在，其水溶液质量分数为90％以上。5-氨基四唑(5-ATZ)除具有产气功能外，还可作为硝酸羟胺(HAN)的稳定剂，优选4％。
上述智能气体发生剂10中，粘结剂聚乙烯醇(PVA)具有良好的粘结性能，可溶胀于液体硝酸羟胺(HAN)溶液中。其型号为1788～2688，摩尔分子量为8万～14万左右，占智能气体发生剂10的15％～20％，优选20％。
上述智能气体发生剂10中，交联剂硼酸(HB)占智能气体发生剂10的1％～2％，优选2％。交联剂硼酸(HB)与粘结剂聚乙烯醇(PVA)发生交联反应，增强智能气体发生剂10整体的抗压强度，保证点火燃烧时在动力供给装置8提供的推力下不会发生较大形变。
上述智能气体发生剂10的配方如表1所示。
Figure BDA0002369424640000031
将称量好的5-氨基四唑(5-ATZ)和硼酸(HB)加入到硝酸羟胺(HAN)溶液中，真空搅拌至固体完全溶解。将聚乙烯醇(PVA)加入到上述混合液中均匀搅拌至混合浆液，倒入至固化模具中。在35℃的烘箱中将固化模具放入7天，使智能气体发生剂10充分固化，直至呈现弹性固体状。
在体积50mL的密闭腔体中测出智能气体发生剂10的相关性能参数，如表2所示。
Figure BDA0002369424640000041
注：上述压力为智能气体发生剂10连续燃烧3s后腔体内部的压力。
上述智能可控增压装置中，所述气体处理装置12由气体处理层和滤气筛网组成，用于冷却燃烧产生的气体和过滤气体中的少量残渣。其中所述气体处理层由惰性不易燃材料组成，主要为由腐蚀性气体处理剂和冷却剂。所述腐蚀性气体处理剂为活性炭，冷却剂为细沙。

Claims (7)

1.一种用于冷气推进的智能可控增压装置，其特征在于：包括壳体(1)、压力传感器(2)、控制电源(3)、温度传感器(4)、可控产气装置(5)、电磁阀(6)和排气阀(7)；其中可控产气装置(5)对称排布在壳体(1)内；
上述智能可控增压装置中，控制电源(3)对可控产气装置(5)施加电压，可控产气装置(5)中的智能气体发生剂(10)发生电化学和热分解反应，产生气体；压力传感器(2)和温度传感器(4)对智能可控增压装置中的压力和温度进行监测，在达到预定压力时，反馈给控制电源(3)主动停止施加电压；电磁阀(6)和排气阀(7)按照产生所需推力的要求，释放气体完成工作过程。
2.根据权利要求1所述的用于冷气推进的智能可控增压装置，其特征在于：动力供给装置(8)、供电负极(9)、智能气体发生剂(10)、点火正极(11)和气体处理装置(12)自上而下依次布置在可控产气装置(5)内。
3.根据权利要求1或2所述的用于冷气推进的智能可控增压装置，其特征在于：所述的智能气体发生剂(10)主要由产气剂、粘结剂和交联剂组成；智能气体发生剂(10)以重量百分数计，产气剂60％～80％、粘结剂15％～20％，交联剂为1％～2％。
4.根据权利要求1或2所述的用于冷气推进的智能可控增压装置，其特征在于：所述的智能气体发生剂(10)不需要点火药作用，表现出仅对电压刺激作出反应，产气工作通过施加电压主动控制，产气量通过改变施加电压值进行调节，可实现多次产气及产气量可调节的功能。
5.根据权利要求2所述的用于冷气推进的智能可控增压装置，其特征在于：所述的气体处理装置(12)由气体处理层和滤气筛网组成；其中气体处理层由腐蚀性气体处理剂和冷却剂组成，腐蚀性气体处理剂为活性炭，冷却剂为细沙。
6.根据权利要求3所述的用于冷气推进的智能可控增压装置，其特征在于：所述产气剂为硝酸羟胺和5-氨基四唑的混合物，粘结剂为聚乙烯醇，交联剂为硼酸。
7.根据权利要求6所述的用于冷气推进的智能可控增压装置，其特征在于：所述的产气剂中各组分质量分数为硝酸羟胺74％，5-氨基四唑优选4％，聚乙烯醇20％，硼酸2％。
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