CN111422380B - 一种模块化碘工质的储供装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模块化碘工质的储供装置，应用于电推进系统，包括：储箱腔体，管路壳体和管路；管路壳体与储箱腔体固定连接，储箱腔体用于存储固体工质碘，管路壳体用于包覆管路；储箱腔体的侧面设有第一加热机构和第一温度传感器；管路一端通过隔离阀连通储箱腔体，另一端连接机械接口，机械接口用于连接电推进系统的电推力器；管路壳体外表面设有第二加热机构和第二温度传感器；在隔离阀与机械接口之间的管路上设有电磁阀；管路壳体与储箱腔体之间设有隔热机构；上述储供装置实现了储供装置与电推进系统或其它卫星结构之间的快速连接、快速装配。

Description

一种模块化碘工质的储供装置

技术领域

本申请涉及航天电推进技术领域，尤其涉及一种模块化碘工质的储供装置。

背景技术

近年来，随着立方星等微小卫星作为新的航天器平台得到了快速发展，成本低，重量轻体积小，可用于空间开展各种科学研究。航天器平台的关键之一就是匹配良好的推进系统，执行各种任务，如变轨。随着推进技术的发展，电推进技术的高比冲、质量体积有着明显的优势。电推进利用工质电离产生的离子或等离子体喷射产生反推力的推进技术。目前电推进中以氙气为工质的电推进技术成熟，但存在着氙气储存密度低和体积较大等问题，制约着以氙气为工质的电推进技术的进一步发展。基于以上提出的问题，固体工质电推进技术慢慢引起关注，固体工质碘在低压下为固体，比冲较高，可以在加热情况下升华或气化成气态工质，成为了近年来研究的热点。

在传统的电推力供给系统中，存储固体工质的储箱和管路通常是分开独立设计的：即根据卫星舱内的具体情况，分别独立设计储箱和管路，然后进行分散安装；尤其是管路，需要根据卫星舱内具体情况不断调整管路的布局和尺寸。例如，在CN108798935A中公开了一种碘工质的供应系统，在碘推进剂储箱和电推力器之间的空间里设计了复杂的气体工质输运管路和控制结构，如此造成整个储供系统结构复杂，尤其是管路的布局和走向，若应用在微小卫星内部将占用大量的宝贵空间，且不利于在储供箱与电推进系统之间进行管路的快速连接和装配；且对于具有不同尺寸规格或内部空间规划、不同工质用量等个性化需求的微小卫星，不能直接复用之前的设计，而需要重新规划储箱的容量和工质输运管路的布局，极大的增加微小卫星设计的工作量。

发明内容

本发明提供了一种模块化碘工质的储供装置，以解决或者部分解决管路和储箱分开独立设计造成的需要根据不同的微小卫星不断设计储箱和管路，无法实现储供系统的快速装配的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种模块化碘工质的储供装置，应用于电推进系统，装置包括：储箱腔体，管路壳体和管路；管路壳体与储箱腔体固定连接；储箱腔体用于存储固体工质碘，管路壳体用于包覆管路；

储箱腔体的侧面设有第一加热机构和第一温度传感器；

管路一端通过隔离阀连通储箱腔体，另一端连接机械接口，机械接口用于连接电推进系统的电推力器；管路壳体外表面设有第二加热机构和第二温度传感器；在隔离阀与机械接口之间的管路上设有电磁阀；

管路壳体与储箱腔体之间设有隔热机构；

当电推进系统工作时，固体工质碘在储箱腔体加热至第一预设温度后气化为碘蒸汽，碘蒸汽通过隔离阀进入加热至第二预设温度的管路，并在电磁阀的控制下经机械接口进入电推力器；其中，第二预设温度高于第一预设温度。

可选的，第一预设温度的取值范围为50～70℃，第二预设温度的取值范围为60～90℃。

可选的，第一加热机构和/或第二加热机构为柔性加热片。

可选的，隔热机构为玻璃钢材质或耐高温聚酰亚胺材质的隔热垫。

可选的，在隔离阀与电磁阀之间的管路上还设有过滤机构，过滤机构的过滤精度为5～20μm。

进一步的，在过滤机构与电磁阀之间的管路上还设有压力传感器。

可选的，储箱腔体上设有电接口，外接电源和控制器通过电接口连接第一加热机构、第一温度传感器、第二加热机构和第二温度传感器。

可选的，储箱腔体的形状为方形，储箱腔体的容积为0.1～1L。。

基于前述技术方案相同的发明构思，本发明还提供了一种电推进系统的碘工质供应方法，应用于上述技术方案中的任一种储供装置，供应方法包括：

当电推进系统工作时，第一加热机构加热储箱腔体至第一预设温度，以使固定工质碘气化为碘蒸气；第二加热机构加热管路至第二预设温度；其中，第二预设温度高于第一预设温度；

开启隔离阀，碘蒸汽通过隔离阀进入管路；

电推进系统控制电磁阀开启，以使碘蒸汽经机械接口进入电推进系统。

基于前述技术方案相同的发明构思，本发明还提供了一种电推进系统，电推进系统包括如上述技术方案中的任一种储供装置。

通过本发明的一个或者多个技术方案，本发明具有以下有益效果或者优点：

本发明提供了一种模块化碘工质的储供装置，通过将碘工质储箱和管路集成在一个储供模块中，通过隔离阀、电磁阀和机械出口以使管路连通电推力器和碘工质储箱；将储箱、管路与相关控制机构集成并模块化后，不需要再根据不同的微小卫星设计需求，在碘工质储箱外重新规划管路的具体布局或走向，从而实现储供装置与电推进系统或其它卫星结构之间的快速连接、快速装配；达到了模块化储供装置的快速复用，灵活搭配的效果，极大的减轻了微小卫星设计的工作量。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1示出了根据本发明一个实施例的模块化碘工质储供装置的前视图；

图2示出了根据本发明一个实施例的模块化碘工质储供装置的左视图；

附图标记说明：

1、储箱腔体；11、第一加热机构；12、第一温度传感器；13、固体工质碘；14、电接口；

2、管路壳体；21、第二加热机构；22、第二温度传感器；

3、管路；4、隔离阀；5、电磁阀；6、机械接口；7、隔热机构；8过滤机构；9、压力传感器。

具体实施方式

为了使本申请所属技术领域中的技术人员更清楚地理解本申请，下面结合附图，通过具体实施例对本申请技术方案作详细描述。在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。除非另有特别说明，本发明中用到的各种设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

为了解决现有的碘工质储供箱和管路需要分别独立设计，不能实现储供装置的快速装配的技术问题，通过研究，在一个可选的实施例中，提出了一种集成固体工质储箱、管路和其他控制结构的储供装置，其整体思路如下：

一种模块化碘工质的储供装置，应用于电推进系统，如附图1～2所示，装置包括：储箱腔体1，管路壳体2和管路3；管路壳体2与储箱腔体1固定连接；储箱腔体1用于存储固体工质碘13，管路壳体2用于包覆管路3；储箱腔体1的侧面设有第一加热机构11和第一温度传感器12；管路3一端通过隔离阀4连通储箱腔体1，另一端连接机械接口6；机械接口6用于连接电推进系统的电推力器；管路壳体2的外表面设有第二加热机构21和第二温度传感器22；在隔离阀4与机械接口6之间的管路3上设有电磁阀5；管路壳体2与储箱腔体1之间设有隔热机构7；

当电推进系统工作时，固体工质碘13在储箱腔体1加热至第一预设温度后气化为碘蒸汽，碘蒸汽通过隔离阀4进入加热至第二预设温度的管路3，并在电磁阀5的控制下经机械接口6进入电推力器；其中，第二预设温度高于第一预设温度。

总的来说，本实施例提供的碘工质储供装置，将固体工质存储箱腔体1、管路3和相关控制机构(如隔离阀4，电磁阀5等控制碘蒸汽的机构)集成在一起，形成了可快速装配的、具有标准模块化结构的碘工质储供装置。模块化即表征储供装置的标准化、小型化和快速装配能力。因此在使用模块化的碘工质储供装置时，不需要再在工质储箱外考虑管路、控制机构的具体布局或走向，只需要将机械接口连接至电推进系统的电推力器，即可在工作时输送碘蒸汽；即，本实施例提供的模块化的储供装置与电推进系统中的电推力器只需要一个流体出口(即机械接口)即可进行快速连接，适合固体工质碘的长期储存和快速装配，能够持续为航天器平台提供动力来源；另外，整个碘工质储供模块，具有集成度高，结构简单，体积小，重量轻，具备一定的安装误差容许度的特点。

具体的，将工质储箱和管路3进行集成和模块化，需要克服随之产生的各种问题：一方面，在电推进系统工作时，需要先对储箱进行加热，使腔体中存储的固体工质碘13气化或升华为碘蒸汽；为了避免碘蒸汽在管路3中冷却形成固体碘颗粒堵塞管路3，导致整个电推进系统失效，无法完成变轨等任务，因此也需要对管路3进行加热。在本实施例中，可选的，在储箱腔体1的两个侧面上设置第一加热机构11，以独立加热储箱腔体1，在管路壳体2的外表面设置第二加热机构21，以独立加热管路壳体2，通过管路壳体2的传热进而加热管路3。通过设置储箱和管路3不同的加热温度，可以获得不同流量的碘蒸汽。基于碘工质饱和蒸汽压与温度的关系、实际服役时需求的碘蒸汽流量的控制范围，确定出控制管路3中的整体温度高于储箱中的整体温度的10～20℃。可选的，储箱的第一预设温度的控温范围为50～70℃，管路3的第二预设温度的控温范围为60～90℃，如此，通过电推进系统控制电磁阀5的开闭，可以实现管路3向电推进系统输送的碘蒸汽流量在40μg/s-300μg/s的范围内调节。

由于管路3和储箱的要求的目标控温并不相同，而本实施例是将储箱和管路3集成在一起进行模块化，为了避免储箱和管路3之间产生热传递造成两部分控温失准，需要在储箱腔体1和管路壳体2之间设置隔热机构7，以保证管路3和储箱之间温度控制的独立性和准确性，避免因为热传递造成碘蒸汽流量控制不准，或者碘蒸汽在管路3中凝结等问题。为了达到良好的隔热效果，可选的，隔热机构7为玻璃钢材质或耐高温聚酰亚胺材质的隔热垫；其可选厚度为1～5mm；隔热垫的尺寸和形状可以根据管路壳体2的形状确定，如长方条型，圆柱体型等其他形状，聚酰亚胺隔热垫的耐热温度在100℃以上。

另一方面，在工质储箱的外表面集成管路3，集成结构作为独立单机需要独立进行力学环境试验，并同时保证管路3和管路壳体2的结构强度和轻量化要求，结构轻量化和强度保证始终是相互矛盾的。在本实施例中，为了在储箱腔体1外集成结构可靠的管路3，管路3的材料可选择不与碘蒸汽反应的316L不锈钢或C276哈氏合金，其具有良好的热导率、耐腐蚀性，且强度硬度符合服役要求，管路直径可选1/8英寸标准不锈钢管。管路3的路数可以根据需要进行设计，并可长期保存；管路3的形状可以是长方体，圆柱体等多种形状。管路壳体2用于包覆管路3，应当具有良好的热导率的同时强度符合要求，密度较小，能够良好的固定管路3的同时实现轻量化，可防止管路3与储箱腔体1之间产生相对运动，避免储箱和管路3被损坏；管路壳体2的形状可以是长方体，圆柱体等多种形状，其与管路3的形状相匹配；因此，从轻量化、强度和加工塑性方面综合考虑，管路壳体2的材料为铝材，优选7075高强铝合金，厚度为0.5mm～1.0mm，抗拉强度在400MPa以上，延伸率在7％以上。管路壳体2在靠近隔离阀4和机械接口6的两端开口，以使管路3进出管路壳体2；管路壳体2与储箱腔体1之间可采用螺纹连接进行固定，以方便拆卸维护且能提供足够的连接强度。

在解决了上述传热问题和结构问题后，才能良好的将工质储箱与管路3进行集成并实现模块化，以达到电推进系统服役的要求。

在本实施例中，为了良好的对储箱或管路3进行加热，可选的，第一加热机构11和/或第二加热机构21为柔性加热片。柔性加热片可以良好的贴合在储箱腔体1的侧面，或者包覆在管路壳体2的外表面上进行加热，具体可以选择聚酰亚胺加热片。可选的，储箱腔体1和管路壳体2上的温度传感器可以选用铂电阻式温度传感器，能够精确的进行温度测定。

在本实施例中，为了实现单个模块化储供装置的方便快速装配，或实现具有多个气态工质出口，使用多个现成的模块化储供装置灵活配置出不同规格的碘工质储供系统，以适应不同卫星空间的需求，可选的，储箱腔体1的形状为方形、圆柱形、多面体形中的其中一种，储箱腔体1的容积为0.1～1L。根据推进平台要求，可设计不同尺寸大小和不同形状，满足平台要求。常见的规格为体积为1U(立方星体积单位，10×10×10cm³为1U)、碘工质容量2kg量级、对应总冲为数万牛秒。储箱腔体1的材质为不与碘固态工质发生反应的耐腐蚀的不锈钢或哈氏合金材料，如316L等。

在本实施例中，为了实现温度监控和加热机构的供能，可选的，储箱腔体1上设有电接口14，外接电源和控制器通过电接口14连接第一加热机构11、第一温度传感器12、第二加热机构21和第二温度传感器22。电接口14中包含加热线、测温线，电源线等线路接口，即，外部电源、控制器的加热线、测温线等通过电接口14连接储供装置内部的加热机构和温度传感器，以实现储箱腔体1和管路壳体2的温度监控和调整。可选的，控制器为比例-积分-微分PID控制器，使得控制器能够将温度精确控制在要求的范围内。通过在储供装置上预留机械、热电等接口，可以与卫星结构或推进系统中的推力器与电源控制器连接，方便操作。

在本实施例中，在储箱腔体1的预定位置上焊接有隔离阀4，管路3通过隔离阀4连通至储箱腔体1内部，通过隔离阀4将储箱中气化的碘工质引出。隔离阀4作为推进工作储箱内工质向管路3流动的开关阀，内部带有连接储箱和管路3的卡套部件，其内部管道为不与碘工质发生反应的不锈钢或哈氏合金等材料。可以长时间放置在大气环境中，防止水蒸汽等杂质气体。

在本实施例中，机械接口6作为连通管路和电推力器的结构，其具体可选1/8VCR接头或1/8卡套。

在本实施例中，电磁阀5与电推进系统建立通信连接，可以根据卫星指令，精确执行通断状态，实现碘蒸气稳定供给或切断，能够精确调整管路3中碘蒸汽的流通量。可以选择耐温超过90℃，内部材料为耐腐蚀性材料的电磁阀产品。

在本实施例中，可选的，在隔离阀4与电磁阀5之间的管路3上还设有过滤机构8，过滤机构8的过滤精度为5～20μm。过滤机构8可选择过滤器，设置在隔离阀4的出口侧，内部滤芯为耐腐蚀材料，不锈钢丝或哈氏合金等；过滤精度为5～20μm的颗粒，是指超过5～20μm的颗粒无法通过过滤器进入后续的管路3，以保证后续管路3中蒸汽的清洁度以及后续管路3的清洁。

在本实施例中，可选的，在过滤机构8与电磁阀5之间的管路3上还设有压力传感器9。压力传感器9设置在电磁阀5的入口处，可以监测碘蒸汽的压力。压力传感器9可以监测的压力范围为0.1Pa～10000Pa，通过监测碘蒸气压力可以反馈出管路3中的碘蒸气流量，压力传感器的内部材料为耐腐蚀性材料。

在使用本实施例提供的储供装置时，首先开启第一加热机构11和第二加热机构21，并控制储箱腔体1中温度达到50～70℃，管路3中的温度达到60～90℃，并且管路3内部整体温度要高于储箱的整体温度约10～20℃；储箱中的固体工质碘13气化成为碘蒸汽后，通过隔离阀4进入管路3，并依次通过过滤器，压力传感器9和电磁阀5，碘蒸汽经机械接口6供给电推力系统使用，在推力器内部被电离为碘离子等粒子流，产生推力。在这个过程中，储供装置可以采用铂电阻等温度传感器测量温度，将测量温度值反馈给PID控制器，使得控制器控制加热装置将温度控制在要求的范围内。在具体工作时，将储箱的温度按照工质流量进行标定，具体需求的工质流量范围可根据卫星任务设置，例如，可以是40μg/s-300μg/s；如约200μg/s的流量需求储箱的加热温度为60℃，管路3的温度加热温度设置为80℃，通过控温的变化和电磁阀5的频繁开闭的结合来改变工质流量。如储箱控温提高至70℃，管路3控温至90℃，流量约为300μg/s。

本实施例提供了一种模块化碘工质的储供装置，通过将碘工质储箱和管路集成在一个储供模块中，通过隔离阀、电磁阀和机械出口以使管路连通电推力器和碘工质储箱；将储箱、管路与相关控制机构集成并模块化后，不需要再根据不同的微小卫星设计需求，在碘工质储箱外重新规划管路的具体布局或走向，从而实现储供装置与电推进系统或其它卫星结构之间的快速连接、快速装配；达到了模块化储供装置的快速复用，灵活搭配的效果，极大的减轻了微小卫星设计的工作量。

基于前述实施例相同的发明构思，在另一个可选的实施例中，还提供了一种电推进系统的碘工质供应方法，应用于前述实施例中的任一种储供装置，供应方法包括：

S1：当电推进系统工作时，第一加热机构11加热储箱腔体1至第一预设温度，以使固定工质碘气化为碘蒸气；第二加热机构21加热管路3至第二预设温度；其中，第二预设温度高于第一预设温度；

S2：开启隔离阀4，碘蒸汽通过隔离阀4进入管路3；

S3：电推进系统控制电磁阀5开启，以使碘蒸汽经机械接口6进入电推进系统。

可选的，控制第二预设温度高于第一预设温度10～20℃，以保证管路3中的蒸汽碘不会凝结的同时，准确控制碘蒸汽的流量；

可选的，第一预设温度的控温范围为50～70℃，第二预设温度的控温范围为60～90℃；以使碘蒸汽在管路3中的流量调节范围为40μg/s-300μg/s。

基于前述实施例相同的发明构思，在又一个可选的实施例中，还提供了一种电推进系统，电推进系统包括如前述实施例中的任一种储供装置。

通过本发明的一个或者多个实施例，本发明具有以下有益效果或者优点：

本发明提供了一种模块化碘工质的储供装置，通过将碘工质储箱和管路集成在一个模块化的储供装置中，通过隔离阀、电磁阀和机械出口以使管路连通电推力器和碘工质储箱；将储箱、管路与相关控制机构集成并模块化后，不需要再根据不同的微小卫星设计需求，在碘工质储箱外重新规划管路的具体布局或走向，从而实现储供装置与电推进系统或其它卫星结构之间的快速连接、快速装配；达到了模块化储供装置的快速复用，灵活搭配的效果，极大的减轻了微小卫星设计的工作量。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的普通技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种模块化碘工质的储供装置，应用于电推进系统，其特征在于，所述装置包括：储箱腔体，管路壳体和管路；所述管路壳体与所述储箱腔体固定连接；所述储箱腔体用于存储固体工质碘，所述管路壳体用于包覆所述管路；

所述储箱腔体的侧面设有第一加热机构和第一温度传感器；

所述管路一端通过隔离阀连通所述储箱腔体，另一端连接机械接口，所述机械接口用于连接所述电推进系统的电推力器；所述管路壳体外表面设有第二加热机构和第二温度传感器；在所述隔离阀与所述机械接口之间的管路上设有电磁阀；

所述管路壳体与所述储箱腔体之间设有隔热机构；

当所述电推进系统工作时，所述固体工质碘在所述储箱腔体加热至第一预设温度后气化为碘蒸汽，所述碘蒸汽通过所述隔离阀进入加热至第二预设温度的所述管路，并在所述电磁阀的控制下经所述机械接口进入所述电推力器；其中，所述第二预设温度高于所述第一预设温度。

2.如权利要求1所述的储供装置，其特征在于，所述第一预设温度的取值范围为50～70℃，所述第二预设温度的取值范围为60～90℃。

3.如权利要求1所述的储供装置，其特征在于，所述第一加热机构和/或所述第二加热机构为柔性加热片。

4.如权利要求1所述的储供装置，其特征在于，所述隔热机构为玻璃钢材质或耐高温聚酰亚胺材质的隔热垫。

5.如权利要求1所述的储供装置，其特征在于，在所述隔离阀与所述电磁阀之间的管路上还设有过滤机构，所述过滤机构的过滤精度为5～20μm。

6.如权利要求5所述的储供装置，其特征在于，在所述过滤机构与所述电磁阀之间的管路上还设有压力传感器。

7.如权利要求1所述的储供装置，其特征在于，所述储箱腔体上设有电接口，外接电源和控制器通过所述电接口连接所述第一加热机构、所述第一温度传感器、第二加热机构和所述第二温度传感器。

8.如权利要求1所述的储供装置，其特征在于，所述储箱腔体的形状为方形，所述储箱腔体的容积为0.1～1L。

9.一种电推进系统的碘工质供应方法，其特征在于，应用于如权利要求1～8中任一权项所述的储供装置，所述供应方法包括：

当所述电推进系统工作时，所述第一加热机构加热所述储箱腔体至第一预设温度，以使所述固体工质碘气化为碘蒸汽；所述第二加热机构加热所述管路至第二预设温度；其中，所述第二预设温度高于所述第一预设温度；

开启所述隔离阀，所述碘蒸汽通过所述隔离阀进入所述管路；

电推进系统控制电磁阀开启，以使所述碘蒸汽经所述机械接口进入所述电推进系统。

10.一种电推进系统，其特征在于，所述电推进系统包括如权利要求1～8中任一权项所述的储供装置。