CN113306746A - 一种基于音速喷嘴流量控制的碘工质电推进储供系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于音速喷嘴流量控制的碘工质电推进储供系统，该系统包括控制模块、方形碘储罐、碘储罐压力传感器、开关自锁阀、调压气容、调压气容压力传感器、音速喷嘴组件、阴极供给管路和阳极供给管路；方形碘储罐、开关自锁阀、调压气容和音速喷嘴组件通过管路依次连接；音速喷嘴组件阴极出口与阴极供给管路连接，阳极出口与阳极供给管路连接；调压气容压力传感器安装于调压气容与音速喷嘴组件之间的管路上；调压气容加热器包覆于调压气容外表面；管路控温模块包覆于除方形碘储罐和调压气容外的管路部件上。本发明更有利于碘工质电推进储供系统的模块化设计，降低成本的同时提升了高温环境下的系统可靠性和流量精确控制能力。

Description

一种基于音速喷嘴流量控制的碘工质电推进储供系统
技术领域
本发明涉及一种空间电推进技术领域，具体涉及一种基于音速喷嘴流量控制的碘工质电推进储供系统。
背景技术
近年来，碘工质电推进系统逐渐成为商业小卫星平台青睐的电推进技术。相比起传统的氙工质电推进系统，碘工质推进系统存储密度高，价格便宜，在商业卫星领域具有其独特优势。
碘工质电推进储供系统是存储固体碘，并将碘蒸汽以精确流量供给到电推力器的系统。该系统将固体碘存储在储罐中，推进系统工作时需要首先通过加热将固体碘升华为碘蒸汽，然后通过各种控制手段精确控制碘蒸汽分别供给到电推力器的阴极和阳极。与传统的氙工质电推进系统储供系统工作在高压、常温、气态环境不同，碘工质电推进储供系统工作在低压、高温环境，且可能存在固态碘微粒局部凝结。一般情况下，系统工作时，整个碘工质储罐压力仅有千帕量级，但温度达到90℃，后端供给系统温度更是达到120℃，若局部温度偏低则还可能造成碘微粒的局部凝结。碘的凝结和系统高温对系统的精确流量控制和长寿命稳定工作带来极大困难。
典型的碘储罐为圆柱形，加热方式包括外部缠绕式加热和内部端面辐射式加热。典型的供给系统流量控制方式包括比例调节阀控制和热节流阀控制两类。碘工质存储方面，圆柱形储罐不利于系统模块化设计。外部缠绕式储罐加热方式效率低，响应慢，不利于能量管理和储罐压力调节。内部端面辐射式加热的加热面积有限，压力控制响应速度慢。碘工质供给方面，比例调节阀为频繁动作的活动部件，内部还包含非金属材料，高温环境和存在碘微粒凝结可能的情况下，其长期工作可靠性低。热节流阀控制流量同时受上游压力、下游压力以及碘蒸汽温度的影响，控制起来存在响应慢、控制率复杂等问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：现有系统的碘储罐为圆柱形，加热方式包括外部缠绕式加热和内部端面辐射式加热。典型的供给系统流量控制方式包括比例调节阀控制和热节流阀控制两类。碘工质存储方面，圆柱形储罐不利于系统模块化设计。外部缠绕式储罐加热方式效率低，响应慢，不利于能量管理和储罐压力调节。内部端面辐射式加热的加热面积有限，压力控制响应速度慢。碘工质供给方面，比例调节阀为频繁动作的活动部件，内部还包含非金属材料，高温环境和存在碘微粒凝结可能的情况下，其长期工作可靠性低。热节流阀控制流量同时受上游压力、下游压力以及碘蒸汽温度的影响，控制起来存在响应慢、控制率复杂等问题。本发明提供了解决上述问题的一种基于音速喷嘴流量控制的碘工质电推进储供系统。
本发明通过下述技术方案实现：
一种基于音速喷嘴流量控制的碘工质电推进储供系统，包括方形碘储罐、管路控温模块、调压气容加热器、调压气容、调压气容压力传感器、音速喷嘴组件和控制模块；
所述方形碘储罐、调压气容和音速喷嘴组件通过管路依次连接；
所述管路控温模块、所述调压气容加热器和所述调压气容压力传感器均与所述控制模块连接；
所述调压气容加热器用于对所述调压气容进行加热；
所述管路控温模块包括温度传感器，所述温度传感器用于采集系统管路部件的温度信息，并将所述温度信息发送给所述控制模块；
所述调压气容压力传感器安装于所述方形碘储罐与调压气容之间的管路上，用于采集所述调压气容的压力信息，并将所述压力信息发送给所述控制模块；
所述控制模块基于所述调压气容压力传感器发送的压力信息和所述温度传感器发送的温度信息，调节所述调压气容加热器的加热温度；
所述方形碘储罐(1)通过内部平板加热器加热固体碘，使其升华为一定压力的碘蒸气，所述碘蒸气进入所述调压气容；所述控制模块控制所述调压气容加热器来调节系统压力，从而精确控制音速喷嘴组件的上游压力，经过所述调压气容调节处理后的碘蒸气进入所述音速喷嘴组件，通过所述音速喷嘴组件将碘蒸气供给到电推力器的。
本发明的碘储罐不再限于圆柱形储罐，而是采用方形碘储罐。传统的氙工质电推进系统中，氙气需要一定的压力存储(10MPa量级)，氙储罐需要采用球形或圆柱形。而碘工质电推进系统中非工作状态下，碘储罐无压力，工作状态下碘储罐压力不超过0.01MPa。因此碘储罐不再需要采用承压构型，可以采用更符合模块化理念的四方构型。
系统采用音速喷嘴组件替代现用的比例调节阀或热节流阀来作为流量控制原件。音速喷嘴组件为易加工的简单结构件，加工成型后，音速喷嘴输出的流量只受上游气体压力影响，随上游压力近似线性变化，而不受下游推力器工作状态、管路温度等因素的影响。只要能够准确控制音速喷嘴组件上游压力即能够准确控制输出流量，因此，采用音速喷嘴组件能够很好的解决当前比例调节阀或热节流阀带来的问题，起到结构简单，流量控制简单的效果。
系统采用方形碘储罐和调压气容两级压力控制来更精确控制音速喷嘴组件上游的压力。现有碘工质电推进系统一般依靠调节碘储罐温度来控制流量控制部件上游的压力。通过加热让碘升华变成蒸汽来产生压力的，中间有碘的升华过程，对目标压力的响应相对比较慢，对目标压力只能起到粗调的效果。
该系统通过方形碘储罐加热器控制碘储罐温度，从而控制碘储罐压力，一次作为系统上游压力的粗调。在碘储罐后，连接一个调压气容，通过所述调压气容加热器，利用气体压力和温度的关系直接通过温度调节压力，调节范围小，精度高响应块，还可以根据所述调压气容压力传感器的反馈实时调节压力。相当于在粗调达到理论压力需求的基础上，再精调，弥补实际工程需求与理论需求的差距，作为音速喷嘴组件上游压力的精确调节。量级压力控制既能够提高系统压力调节速度，也能够提高音速喷嘴上游压力调节精度，从而提高系统流量调节的速度和精度。
本发明除了所有系统都必须的开关阀门外无控制活动部件，结构简单，可靠性高，成本低，控制效果好，适合低成本模块化的碘工质电推进系统使用。
具体的，储供系统还包括开关自锁阀和碘储罐压力传感器；所述管路控温模块还包括管路加热器；所述管路控温模块包覆于除所述方形碘储罐和调压气容外的管路部件上；所述开关自锁阀安装在所述方形碘储罐与调压气容之间的管路上，用于控制系统供给碘蒸汽的通断；所述碘储罐压力传感器通过三通安装于所述方形碘储罐和开关自锁阀之间的管路上，所述碘储罐压力传感器与所述控制模块连接，用于采集所述方形碘储罐的压力信息，并将所述压力信息发送给所述控制模块，所述控制模块基于所述方形碘储罐发送的压力信息、所述调压气容压力传感器发送的压力信息和所述温度传感器发送的温度信息对所述方形碘储罐内部加热器、所述管路加热器和所述调压气容加热器的加热温度进行调节。
具体的，所述方形碘储罐包括四方形的外部壳体、位于壳体内部的铠装加热板、分布在铠装加热板两边的10u固定滤网、电接口和碘蒸汽出口，所述电接口与所述控制模块连接。
具体的，所述音速喷嘴组件包括阴极音速喷嘴和阳极音速喷嘴，所述阴极音速喷嘴后的阴极音速喷嘴出口连接阴极供给管路，用于控制供给到电推力器阴极的碘蒸汽流量；所述阳极音速喷嘴后的阳极音速喷嘴出口连接阳极供给管路，用于控制供给到电推力器阳极的碘蒸汽流量；所述阴极音速喷嘴和阳极音速喷嘴入口汇集在一起，形成一个音速喷嘴入口，音速喷嘴入口与上游管路相连。
具体的，所述阴极音速喷嘴喉部尺寸0.1～0.5mm，所述阳极音速喷嘴喉部尺寸0.1～1mm，所述音速喷嘴设计压力恢复系数不低于0.7。根据计算，对应现有电推力器的不同需求流量需求，音速喷嘴组件中决定流量的喉部直径在0.1～1mm之间，不存在加工问题。
具体的，调压气容的容积大于系统除方形碘储罐和调压气容外的其它管路部件总容积。
具体的，所述方形碘储罐温度控制范围是80～90℃，所述调压气容温度控制范围是100～120℃。
本发明的系统工作原理：
所述方形碘储罐通过碘储罐加热器加热，储罐内存储的固体碘受热升华成碘蒸汽。碘蒸汽通过方形碘储罐的碘蒸汽出口供给到开关自锁阀。系统工作时开关自锁阀处于常开状态，碘蒸汽供给到调压气容，然后供给到音速喷嘴组件。音速喷嘴组件将碘蒸汽分别经由阴极供给管路和阳极供给管路供给到电推力器的阴极和阳极。音速喷嘴组件供给到电推力器阴极和阳极的碘蒸汽流量与音速喷嘴组件上游压力为使用前标定好的线性关系。对应目标供给流量，需要调节音速喷嘴组件上游到目标压力。首先通过碘储罐压力传感器反馈压力，控制模块控制碘储罐加热器迅速粗调方形碘储罐压力到目标压力，然后通过调压气容压力传感器反馈压力，控制模块控制调压气容加热器精调调压气容压力到目标压力。
本发明具有如下的优点和有益效果：
1、本发明一种基于音速喷嘴流量控制的碘工质电推进储供系统，提出的方形碘储罐更有利于系统模块化设计装配，方形碘储罐配套内置辐射加热的加热板能够大面积均匀加热固体碘，有效提高了方形碘储罐的热效率和温控响应速度；
2、本发明一种基于音速喷嘴流量控制的碘工质电推进储供系统，提出采用音速喷组组件作为系统流量控制部件，结构简单、流量控制效果好，能够在降低成本的同时大大提高系统的可靠性，简化系统流量控制过程；
3、本发明一种基于音速喷嘴流量控制的碘工质电推进储供系统，提出在音速喷嘴组件上游采用碘储罐压力粗调和调压气容压力精调的量级调压设计，既能提高系统流量调节速率又能提高系统流量调节精度。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明的系统结构示意图。
图2为本发明的方形碘储罐示意图。
图3为本发明的音速喷嘴组件示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-方形碘储罐，2-管路控温模块，3-开关自锁阀，4-调压气容加热器，5-调压气容，6-音速喷嘴组件，7-阴极供给管路，8-阳极供给管路，9-调压气容压力传感器，10-碘储罐压力传感器，11-控制模块，12-电接口，13-铠装加热板，14-10μ固定滤网，15-外部壳体，16-碘蒸汽出口，17-音速喷嘴入口，18-阴极音速喷嘴，19-阴极音速喷嘴出口，20-阳极音速喷嘴出口，21-阳极音速喷嘴。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例
现有系统的碘储罐为圆柱形，加热方式包括外部缠绕式加热和内部端面辐射式加热。典型的供给系统流量控制方式包括比例调节阀控制和热节流阀控制两类。碘工质存储方面，圆柱形储罐不利于系统模块化设计。外部缠绕式储罐加热方式效率低，响应慢，不利于能量管理和储罐压力调节。内部端面辐射式加热的加热面积有限，压力控制响应速度慢。碘工质供给方面，比例调节阀为频繁动作的活动部件，内部还包含非金属材料，高温环境和存在碘微粒凝结可能的情况下，其长期工作可靠性低。热节流阀控制流量同时受上游压力、下游压力以及碘蒸汽温度的影响，控制起来存在响应慢、控制率复杂等问题。为了解决上述问题，本实施例提供一种基于音速喷嘴流量控制的碘工质电推进储供系统。
如图1所示，一种基于音速喷嘴流量控制的碘工质电推进储供系统包括控制模块、方形碘储罐1、管路控温模块2、开关自锁阀3、调压气容加热器4、调压气容5、音速喷嘴组件6、阴极供给管路7、阳极供给管路8、调压气容压力传感器9和碘储罐压力传感器10。方形碘储罐1、开关自锁阀3、调压气容5、音速喷嘴组件6通过管路顺序连接。音速喷嘴组件阴极出口与阴极供给管路7连接，阳极出口与阳极供给管路8连接。碘储罐压力传感器10通过三通安装于方形碘储罐1和开关自锁阀3之间的管路上；调压气容压力传感器9通过三通安装于调压气容5与音速喷嘴组件6之间的管路上；调压气容加热器4包覆于调压气容5外表面，用于控制调压气容5的温度；管路控温模块2包覆于除方形碘储罐1和调压气容5外的管路部件上，用于控制管路部件的温度；开关自锁阀3用于控制系统供给碘蒸汽的通断；控制模块用于接受碘储罐压力传感器10、调压气容压力传感器9的压力信息和管路控温模块1的温度信息，并根据压力信息和温度信息控制碘储罐加热器、调压气容加热器以及管路控温模块的加热器。
如图2所示，方形碘储罐1外表为四方形结构，可以根据模块化安装布局要求定制。方形碘储罐1包括外部壳体15、位于外部壳体15内部中心的铠装加热板13、分布在铠装加热板13两边的10u固定滤网14、电接口12、碘蒸汽出口16。方形碘储罐和固定滤网之间的区域用于装填固体碘；固定滤网一方面防止固体碘随处移动，另一方面避免破碎的固体碘颗粒通过碘蒸汽出口流出。铠装加热板13用于均匀加热两边的固体碘；电接口与外部控制模块连接，用于控制系统控制铠装加热器；碘蒸汽出口用于向外输出碘蒸汽。方形碘储罐1设计工作压力不超过0.01MPa；方形碘储罐1及其内部的固定滤网、铠装平板加热器的铠装外壳均采用哈氏合金或304不锈钢。
如图3所示，音速喷嘴组件内部包括阴极音速喷嘴19和阳极音速喷嘴20。阴极音速喷嘴18后的阴极音速喷嘴出口19连接阴极供给管路，用于控制供给到电推力器阴极的碘蒸汽流量；阳极音速喷嘴21后的阳极音速喷嘴出口20连接阳极供给管路，用于控制供给到电推力器阳极的碘蒸汽。阴极音速喷嘴和阳极音速喷嘴入口汇集在一起，形成一个音速喷嘴入口17，用于与上游管路相连。
阴极音速喷嘴和阳极音速喷嘴的尺寸根据不同的电推力器对碘蒸汽的流量需求设计。其中，阴极音速喷嘴和阳极音速喷嘴喉部直径0.1～1mm。具体的喉部直径根据电推力器的流量需求由经典音速喷嘴流量公式设计。阴极音速喷嘴和阳极音速喷嘴要求设计的压力恢复系数不低于0.7。音速喷嘴组件采用哈氏合金或304不锈钢加工成型。
本实施例利用碘工质电推进系统工作压力低(kPa量级)的独有特点，采用外部绝热，中心加热板辐射加热的方形碘储罐，提高了碘储罐的模块化适应能力和碘储罐的热效率。与现有碘工质储供系统在碘储罐后直接连接流量控制部件不同，本实施例在碘储罐后引入碘蒸汽小气容，提高了系统前端压力稳定和精调能力。最后，本实施例采用音速喷嘴组件替代比例调节阀和热节流阀作为流量控制部件，避免了比例调节阀成本高可靠性低的问题，也避免了热节流阀响应慢、控制复杂的问题。相比起成本高可靠性低的比例调节阀，音速喷嘴组件为一体化成型纯结构部件，成本低可靠性高。相比起响应慢，控制复杂的热节流阀，音速喷嘴组件输出流量只受前端压力影响，在前端碘储罐粗控压力和调压气容精调压力的两级压力控制设计状态下，音速喷嘴流量控制响应快，控制方法简单。本实施例更加适合低成本高可靠的模块化商业卫星。
本实施例的系统工作方式：
方形碘储罐通过碘储罐加热器加热，储罐内存储的固体碘受热升华成碘蒸汽。碘蒸汽通过方形碘储罐的碘蒸汽出口供给到开关自锁阀。系统工作时开关自锁阀处于常开状态，碘蒸汽供给到调压气容，然后供给到音速喷嘴组件。音速喷嘴组件将碘蒸汽分别经由阴极供给管路和阳极供给管路供给到电推力器的阴极和阳极。音速喷嘴组件供给到电推力器阴极和阳极的碘蒸汽流量与音速喷嘴组件上游压力为使用前标定好的线性关系。对应目标供给流量，需要调节音速喷嘴组件上游到目标压力。首先通过碘储罐压力传感器反馈压力，控制模块控制碘储罐加热器迅速粗调方形碘储罐压力到目标压力。然后通过调压气容压力传感器反馈压力，控制模块控制调压气容加热器精调调压气容压力到目标压力。
系统工作时，方形碘储罐温度控制范围80～90℃。调压气容温度控制范围100～120℃。方形碘储罐和调压气容具体的控制温度根据流量调节需求，由控制模块自行控制。系统管路结构(包括音速喷嘴组件)温度无需调节，控制在固定值，目标为125℃。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于音速喷嘴流量控制的碘工质电推进储供系统，其特征在于，包括方形碘储罐(1)、管路控温模块(2)、调压气容加热器(4)、调压气容(5)、调压气容压力传感器(9)、音速喷嘴组件(6)和控制模块(11)；
所述方形碘储罐(1)、调压气容(5)和音速喷嘴组件(6)通过管路依次连接；
所述管路控温模块(2)、所述调压气容加热器(4)和所述调压气容压力传感器(9)均与所述控制模块(11)连接；
所述调压气容加热器(4)用于对所述调压气容(5)进行加热；
所述管路控温模块(2)包括温度传感器，所述温度传感器用于采集系统管路部件的温度信息，并将所述温度信息发送给所述控制模块(11)；
所述调压气容压力传感器(9)安装于所述方形碘储罐(1)与调压气容(5)之间的管路上，用于采集所述调压气容(5)的压力信息，并将所述压力信息发送给所述控制模块(11)；
所述控制模块(11)基于所述调压气容压力传感器(9)发送的压力信息和所述温度传感器发送的温度信息，调节所述调压气容加热器(4)的加热温度；
所述方形碘储罐(1)通过内部平板加热器加热固体碘，使其升华为一定压力的碘蒸气，所述碘蒸气进入所述调压气容(5)；所述控制模块(11)控制所述调压气容加热器(4)来调节系统压力，从而精确控制音速喷嘴组件(6)的上游压力，经过所述调压气容(5)调节处理后的碘蒸气进入所述音速喷嘴组件(6)，通过所述音速喷嘴组件(6)将碘蒸气供给到电推力器的。
2.根据权利要求1所述的一种基于音速喷嘴流量控制的碘工质电推进储供系统，其特征在于，储供系统还包括开关自锁阀(3)和碘储罐压力传感器(10)；所述管路控温模块(2)还包括管路加热器；所述管路控温模块(2)包覆于除所述方形碘储罐(1)和调压气容(5)外的管路部件上；所述开关自锁阀(3)安装在所述方形碘储罐(1)与调压气容(5)之间的管路上，用于控制系统供给碘蒸汽的通断；所述碘储罐压力传感器(10)通过三通安装于所述方形碘储罐(1)和开关自锁阀(3)之间的管路上，所述碘储罐压力传感器(10)与所述控制模块(11)连接，用于采集所述方形碘储罐(1)的压力信息，并将所述压力信息发送给所述控制模块(11)，所述控制模块(11)基于所述方形碘储罐(1)发送的压力信息、所述调压气容压力传感器(9)发送的压力信息和所述温度传感器发送的温度信息对所述方形碘储罐(1)内部加热器、所述管路加热器和所述调压气容加热器(4)的加热温度进行调节。
3.根据权利要求1所述的一种基于音速喷嘴流量控制的碘工质电推进储供系统，其特征在于，所述方形碘储罐(1)包括四方形的外部壳体(15)、位于壳体内部的铠装加热板(13)、分布在铠装加热板两边的10u固定滤网(14)、电接口(12)和碘蒸汽出口(16)，所述电接口(12)与所述控制模块(11)连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于音速喷嘴流量控制的碘工质电推进储供系统，其特征在于，所述音速喷嘴组件(6)包括阴极音速喷嘴(18)和阳极音速喷嘴(21)，所述阴极音速喷嘴(18)后的阴极音速喷嘴出口(19)连接阴极供给管路(7)，用于控制供给到电推力器阴极的碘蒸汽流量；所述阳极音速喷嘴(21)后的阳极音速喷嘴出口(20)连接阳极供给管路(8)，用于控制供给到电推力器阳极的碘蒸汽流量；所述阴极音速喷嘴(18)和阳极音速喷嘴(21)入口汇集在一起，形成一个音速喷嘴入口(17)，所述音速喷嘴入口(17)与上游管路连接。
5.根据权利要求4所述的一种基于音速喷嘴流量控制的碘工质电推进储供系统，其特征在于，所述阴极音速喷嘴(18)喉部尺寸0.1～0.5mm，所述阳极音速喷嘴(21)喉部尺寸0.1～1mm，所述阴极音速喷嘴(18)和阳极音速喷嘴(21)的压力恢复系数不低于0.7。
6.根据权利要求1所述的一种基于音速喷嘴流量控制的碘工质电推进储供系统，其特征在于，所述调压气容(5)的容积大于系统除方形碘储罐(1)和调压气容(5)外的其它管路部件总容积。
7.根据权利要求1所述的一种基于音速喷嘴流量控制的碘工质电推进储供系统，其特征在于，所述方形碘储罐(1)温度控制范围是80～90℃，所述调压气容(5)温度控制范围是100～120℃。
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