CN114312184A

CN114312184A - 一种吸气式电推进装置地面实验验证系统

Info

Publication number: CN114312184A
Application number: CN202111471695.8A
Authority: CN
Inventors: 王润福; 吴先明; 吴辰宸; 耿海; 陈学康; 贺亚强; 李兴达; 贾连军; 郭宁; 蒲彦旭; 何非; 刘士永; 王尚民
Original assignee: Lanzhou Institute of Physics of Chinese Academy of Space Technology
Current assignee: Lanzhou Institute of Physics of Chinese Academy of Space Technology
Priority date: 2021-12-06
Filing date: 2021-12-06
Publication date: 2022-04-12
Anticipated expiration: 2041-12-06
Also published as: CN114312184B

Abstract

本申请涉及航天器推进技术领域，具体而言，涉及一种吸气式电推进装置地面实验验证系统，包括真空舱、第一控制系统、第二控制系统、密闭腔体、涡轮、电推力器以及抽真空系统，其中：第一控制系统设置在真空舱的上方，通过第一法兰组与真空舱连接；第二控制系统设置在真空舱的侧面，通过第二法兰组与真空舱连接；抽真空系统设置在真空舱的底部，与真空舱连通；密闭腔体、涡轮以及电推力器均设置在真空舱的内部，并且依次连接。本申请保证了吸气式电推进装置地面工作环境与空间工作时的一致性，实现了吸气式电推进装置地面实验的验证，为吸气式电推进系统的优化提供了具有重要参考价值的测试数据。

Description

一种吸气式电推进装置地面实验验证系统

技术领域

本申请涉及航天器推进技术领域，具体而言，涉及一种吸气式电推进装置地面实验验证系统。

背景技术

吸气式电推进系统以太阳电池提供能源，利用超低地球轨道环境中稀薄氮气、氧气和氧原子作为工质来源，将其电离、加速喷出等过程产生推力，作为超低地球轨道航天器轨道维持的动力，使航天器较少或无需携带工质既可在超低地球轨道上逗留及机动，可解决现有技术不能使飞行器长期逗留、机动于超低轨的难题，是一项极具发展前景的航天动力前沿技术，通过该技术，对于充分控制和利用超低轨道资源具有重大意义，吸气式电推进系统可广泛应用于高分对地观测卫星、地球重力场测量卫星和超高速通信卫星等航天器平台。

吸气式电推进系统主要由被动气体收集增压单元、涡轮和电推力器组成，在地面难以模拟空间相对于吸气式电推进系统吸气端的7.8km/s的高速中性气流，一方面是准直度达不到要求，另一方面气体成分也难以准确模拟，但是，吸气式电推进被动单元采用数值计算可以比较准确的模拟，因此，可在地面对吸气式电推进系统被动单元之后的涡轮加电推力器部分，也就是本专利所述的吸气式电推进装置，进行地面实验验证，地面实验验证系统可以在地面对于吸气式电推进装置空间工作环境条件进行模拟，对吸气式电推进装置性能进行考察，有助于对吸气式电推进系统进行优化。

发明内容

本申请的主要目的在于提供一种吸气式电推进装置地面实验验证系统，对吸气式电推进装置空间工作环境条件进行模拟，有利于吸气式电推进系统的优化。

为了实现上述目的，本申请提供了一种吸气式电推进装置地面实验验证系统，包括真空舱、第一控制系统、第二控制系统、密闭腔体、涡轮、电推力器以及抽真空系统，其中：第一控制系统设置在真空舱的上方，通过第一法兰组与真空舱连接；第二控制系统设置在真空舱的侧面，通过第二法兰组与真空舱连接；抽真空系统设置在真空舱的底部，与真空舱连通；密闭腔体、涡轮以及电推力器均设置在真空舱的内部，并且依次连接。

进一步的，第一控制系统包括第一流量计、第一气瓶、第二流量计以及真空舱压力控制系统，其中：真空舱压力控制系统分别与第一流量计和第二流量计连接；第一流量计和第二流量计均通过气体输送管路与第一气瓶连接。

进一步的，第一法兰组包括第一穿舱法兰和第二穿舱法兰，其中：第一穿舱法兰设置在真空舱的上端面，第一流量计通过第一穿舱法兰与真空舱连通；第二穿舱法兰设置在真空舱的上端面，第二流量计通过第二穿舱法兰与真空舱连通。

进一步的，第二控制系统包括第三流量计、第二气瓶以及第四流量计，第三流量计和第四流量计均通过气体输送管路与第二气瓶连接。

进一步的，第二法兰组包括第三穿舱法兰和第四穿舱法兰，其中：第三穿舱法兰设置在真空舱的侧端面，第三流量计通过第三穿舱法兰与密闭腔体连通；第四穿舱法兰设置在真空舱的侧端面，第四流量计通过第四穿舱法兰与密闭腔体连通。

进一步的，密闭腔体的一侧设置有第三法兰组，另一侧与涡轮连接。

进一步的，第三法兰组包括第五穿舱法兰和第六穿舱法兰，其中：第五穿舱法兰设置在密闭腔体的侧端面，通过气体输送管路与第三穿舱法兰连通；第六穿舱法兰设置在密闭腔体的侧端面，通过气体输送管路与第四穿舱法兰连通。

进一步的，还包括第一真空规、第二真空规以及第三真空规，其中：第一真空规设置在真空舱的内部，与真空舱压力控制系统连接；第二真空规设置在涡轮与电推力器之间；第三真空规设置在密闭腔体内部。

进一步的，还包括第一真空规控制和显示系统以及第二真空规控制和显示系统，第一真空规控制和显示系统与第二真空规连接，第二真空规控制和显示系统与第三真空规连接。

本发明提供的一种吸气式电推进装置地面实验验证系统，具有以下有益效果：

本申请可以准确地营造出涡轮入口处所需的压力环境条件，是考察吸气式电推进系统功能的前提条件，同时还可以准确模拟出吸气式电推进装置工作的所需环境压力条件，保证吸气式电推进装置地面工作环境与空间工作时的一致性，实现了吸气式电推进装置地面实验的验证，为吸气式电推进系统的优化提供了具有重要参考价值的测试数据。

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是根据本申请实施例提供的吸气式电推进装置地面实验验证系统的结构示意图；

图中：1-第一流量计、2-气体输送管路、3-密闭腔体、4-第一气瓶、5-真空舱压力控制系统、6-第一真空规、7-第二流量计、8-第二穿舱法兰、9-真空舱、10-第一穿舱法兰、11-第五穿舱法兰、12-第三穿舱法兰、13-第三流量计、14-第二气瓶、15-第四流量计、16-第四穿舱法兰、17-第六穿舱法兰、18-第二真空规控制和显示系统、19-第三真空规、20-抽真空系统、21-涡轮、22-电推力器、23-第二真空规、24-第一真空规控制和显示系统。

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。

如图1所示，本申请提供了一种吸气式电推进装置地面实验验证系统，包括真空舱9、第一控制系统、第二控制系统、密闭腔体3、涡轮21、电推力器22以及抽真空系统20，其中：第一控制系统设置在真空舱9的上方，通过第一法兰组与真空舱9连接；第二控制系统设置在真空舱9的侧面，通过第二法兰组与真空舱9连接；抽真空系统20设置在真空舱9的底部，与真空舱9连通；密闭腔体3、涡轮21以及电推力器22均设置在真空舱9的内部，并且依次连接。

具体的，本申请实施提供的吸气式电推进装置地面实验验证系统主要应用于超低轨道航天器平台用吸气式电推进装置的地面实验验证。将密闭腔体3、涡轮21以及电推力器22连接组装成电推进装置，然后放置到真空舱9内，通过控制真空舱9内的压力以及进入密闭腔体3内气体的流量及压力，对吸气式电推进装置工作环境的模拟，实现对吸气式电推进装置地面实验的验证，获得电推进装置的各项测试数据，从而实现对吸气式电推进装置的优化。其中，第一控制系统主要用于控制真空舱9内的压力，第二控制系统主要用于控制进入密闭腔体3内的气体流量及涡轮21入口的压力，抽真空系统20主要用于真空舱9的抽真空，真空舱9的进气管路和抽真空系统20位置呈对称分布，有利于真空舱9内压力环境的均匀稳定，有利于吸气式电推进装置实验的准确性，密闭腔体3、涡轮21以及电推力器22依次连接形成吸气式电推进装置，其中密闭腔体3进气管路和涡轮21位置呈对称分布，有利于密闭腔体3内的压力均匀稳定。

进一步的，第一控制系统包括第一流量计1、第一气瓶4、第二流量计7以及真空舱压力控制系统5，其中：真空舱压力控制系统5分别与第一流量计1和第二流量计7连接；第一流量计1和第二流量计7均通过气体输送管路2与第一气瓶4连接。真空舱压力控制系统5通过第一流量计1和第二流量计7控制第一气瓶4向真空舱9内输送气体的流量。工作时，通过真空舱压力控制系统5采集真空舱9内压力，然后经过计算，确定气瓶输送的气体流量，控制第一流量计1和第二流量计7向真空舱9内输送气体，将真空舱9内的压力自动调节至吸气式电推进系统空间工作时的环境气体压力。

进一步的，第一法兰组包括第一穿舱法兰10和第二穿舱法兰8，其中：第一穿舱法兰10设置在真空舱9的上端面，第一流量计1通过第一穿舱法兰10与真空舱9连通；第二穿舱法兰8设置在真空舱9的上端面，第二流量计7通过第二穿舱法兰8与真空舱9连通。第一气瓶4分别通过两端的第一穿舱法兰10和第二穿舱法兰8与真空舱9连接，第一气瓶4内的气体会向两侧分别通过第一流量计1、第一穿舱法兰10和第二流量计7、第二穿舱法兰8，最终输送至真空舱9内。

进一步的，第二控制系统包括第三流量计13、第二气瓶14以及第四流量计15，第三流量计13和第四流量计15均通过气体输送管路2与第二气瓶14连接。通过第三流量计13和第四流量计15，能够控制第二气瓶14内气体的流量，从而控制进入密闭腔体3的气体的流量。

进一步的，第二法兰组包括第三穿舱法兰12和第四穿舱法兰16，其中：第三穿舱法兰12设置在真空舱9的侧端面，第三流量计13通过第三穿舱法兰12与密闭腔体3连通；第四穿舱法兰16设置在真空舱9的侧端面，第四流量计15通过第四穿舱法兰16与密闭腔体3连通。第二气瓶14分别通过两端的第三穿舱法兰12和第四穿舱法兰16与真空舱9连接，第二气瓶14内的气体会向两侧分别通过第三流量计13、第三穿舱法兰12和第四流量计15、第四穿舱法兰16，最终输送至密闭腔体3内。

进一步的，密闭腔体3的一侧设置有第三法兰组，另一侧与涡轮21连接。密闭腔体3与涡轮21直接连接，可以通过流量计调节进入气体的流量，通过密闭腔体3尺寸的改变，在涡轮21特定的抽速条件下，实现涡轮21入口压力为吸气式电推进系统空间工作时的涡轮21入口压力。

进一步的，第三法兰组包括第五穿舱法兰11和第六穿舱法兰17，其中：第五穿舱法兰11设置在密闭腔体3的侧端面，通过气体输送管路2与第三穿舱法兰12连通；第六穿舱法兰17设置在密闭腔体3的侧端面，通过气体输送管路2与第四穿舱法兰16连通。即第二气瓶14内的气体通过第三流量计13和第四流量计15后，再次分别通过第二法兰组和第三法兰组，最终直接进入到密闭腔体3内，为后续的电推力器22供气。

进一步的，还包括第一真空规6、第二真空规23以及第三真空规19，其中：第一真空规6设置在真空舱9的内部，与真空舱压力控制系统5连接；第二真空规23设置在涡轮21与电推力器22之间；第三真空规19设置在密闭腔体3内部。真空规主要用于显示真空度，第三真空规19的设置主要用于显示密闭腔体3的真空度，从而获得涡轮21入口处的压力值。第二真空规23设置在涡轮21与电推力器22之间，可以获得涡轮21入口的压力和电推力器22入口压力的关系。第一真空规6主要用于显示真空舱9内的真空度，从而实现后续对真空舱9内压力的调节。

进一步的，还包括第一真空规控制和显示系统24以及第二真空规控制和显示系统18，第一真空规控制和显示系统24与第二真空规23连接，第二真空规控制和显示系统18与第三真空规19连接。真空规控制和显示系统主要用于显示真空规的测量结果，后续根据测量结果调节流量计，实现对真空舱9或者密闭腔体3内压力的调节。

具体的，本申请实施提供的吸气式电推进装置地面实验验证系统工作时，真空舱9的抽真空系统20将真空舱9抽真空至P₁(10^-5Pa左右)，或者更低的压力，此时，密闭腔体3内的压力为真空舱9本底压力P₁。电推进装置工作时，涡轮21入口的气体压力需求为P₂(10^-2Pa左右)，打开第二气瓶14，气体通过气体输送管路2输送，第三流量计13和第四流量计15对流量进行控制，使得向密闭腔体3输送的两路总流率与涡轮21正常工作时的流率相等，维持密闭腔体3内的动态平衡。根据第二真空规控制和显示系统18的读数，对密闭腔体3的两个尺寸参数h和l进行调节，使得涡轮21入口处的压力为所需压力值，即吸气式电推进系统空间工作时涡轮21入口压力值，也就是将密闭腔体3内的压力调节至P₂，依次启动涡轮21和电推力器22工作，此时，真空舱9内的气体压强有所上升，达到P₃(10^-4Pa)左右，相对于吸气式电推进系统空间工作环境气压P₄(5×10^-4Pa左右)，该压力略低，此时，启动真空舱压力控制系统5，即打开第一气瓶4，气体通过气体输送管路2向真空舱9输送，真空舱压力控制系统5采集第一真空规6测得的真空舱9内压力数据，将此数据和目标压力值进行比较后，对第一流量计1和第二流量计7进行调节，直到真空舱9内的压力与吸气式电推进系统空间工作环境气体压力P₄相等，此时，对于吸气式电推进装置性能进行测试验证。

以上所述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

1.一种吸气式电推进装置地面实验验证系统，其特征在于，包括真空舱、第一控制系统、第二控制系统、密闭腔体、涡轮、电推力器以及抽真空系统，其中：

所述第一控制系统设置在所述真空舱的上方，通过第一法兰组与所述真空舱连接；

所述第二控制系统设置在所述真空舱的侧面，通过第二法兰组与所述真空舱连接；

所述抽真空系统设置在所述真空舱的底部，与所述真空舱连通；

所述密闭腔体、所述涡轮以及所述电推力器均设置在所述真空舱的内部，并且依次连接。

2.如权利要求1所述的吸气式电推进装置地面实验验证系统，其特征在于，所述第一控制系统包括第一流量计、第一气瓶、第二流量计以及真空舱压力控制系统，其中：

所述真空舱压力控制系统分别与所述第一流量计和所述第二流量计连接；

所述第一流量计和所述第二流量计均通过气体输送管路与所述第一气瓶连接。

3.如权利要求2所述的吸气式电推进装置地面实验验证系统，其特征在于，所述第一法兰组包括第一穿舱法兰和第二穿舱法兰，其中：

所述第一穿舱法兰设置在所述真空舱的上端面，所述第一流量计通过所述第一穿舱法兰与所述真空舱连通；

所述第二穿舱法兰设置在所述真空舱的上端面，所述第二流量计通过所述第二穿舱法兰与所述真空舱连通。

4.如权利要求1所述的吸气式电推进装置地面实验验证系统，其特征在于，所述第二控制系统包括第三流量计、第二气瓶以及第四流量计，所述第三流量计和所述第四流量计均通过气体输送管路与所述第二气瓶连接。

5.如权利要求4所述的吸气式电推进装置地面实验验证系统，其特征在于，所述第二法兰组包括第三穿舱法兰和第四穿舱法兰，其中：

所述第三穿舱法兰设置在所述真空舱的侧端面，所述第三流量计通过所述第三穿舱法兰与所述密闭腔体连通；

所述第四穿舱法兰设置在所述真空舱的侧端面，所述第四流量计通过所述第四穿舱法兰与所述密闭腔体连通。

6.如权利要求5所述的吸气式电推进装置地面实验验证系统，其特征在于，所述密闭腔体的一侧设置有第三法兰组，另一侧与所述涡轮连接。

7.如权利要求6所述的吸气式电推进装置地面实验验证系统，其特征在于，所述第三法兰组包括第五穿舱法兰和第六穿舱法兰，其中：

所述第五穿舱法兰设置在所述密闭腔体的侧端面，通过气体输送管路与所述第三穿舱法兰连通；

所述第六穿舱法兰设置在所述密闭腔体的侧端面，通过气体输送管路与所述第四穿舱法兰连通。

8.如权利要求2所述的吸气式电推进装置地面实验验证系统，其特征在于，还包括第一真空规、第二真空规以及第三真空规，其中：

所述第一真空规设置在所述真空舱的内部，与所述真空舱压力控制系统连接；

所述第二真空规设置在所述涡轮与所述电推力器之间；

所述第三真空规设置在所述密闭腔体内部。

9.如权利要求8所述的吸气式电推进装置地面实验验证系统，其特征在于，还包括第一真空规控制和显示系统以及第二真空规控制和显示系统，所述第一真空规控制和显示系统与所述第二真空规连接，所述第二真空规控制和显示系统与所述第三真空规连接。