CN115750137A - 一种使用于太空环境的水推进器和卫星 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种使用于太空环境的水推进器和卫星。其中，水推进器包括供水单元、汽化单元、放电单元和喷射单元。其中，放电单元通过脉冲放电进一步加热从汽化单元中输出的水蒸汽，使水推进器提供更大的喷射压力，从而让卫星能够更有效地利用推进器中储存的水，更有效地变轨或调姿。

Description

一种使用于太空环境的水推进器和卫星

技术领域

本申请涉及卫星推进器领域，具体涉及一种使用于太空环境的水推进器和卫星。

背景技术

微纳卫星具有体积小、成本低、研制周期短、可编队组网等优点，广泛应用于空间科学试验，成为现代卫星研制的主要趋势之一。微纳卫星要实现轨道转移、抵近观测、空间规避与拦截等任务目标，-必须配备具有快速轨道机动能力的推进系统。目前已知的星载推进系统包括电推进系统、冷气推进系统以及液体推进系统。它们均能为微纳卫星提供推力实现轨道转移以及姿态调整，但它们各自都存在着一些缺陷。液体推进系统结构复杂，推进剂多为有毒物质，使用及维护成本较高，应用于微纳卫星时，存在一定局限。电推进系统及冷气推进系统推力较小，多为毫牛级别，通常用于卫星精确姿态控制及缓慢的轨道机动，难以满足快速机动变轨、离轨、空间规避与拦截等任务需求。

以水作为推进剂的推进系统(简称为水推进系统)，水推进控制系统通过控制改变射流喷射压力及喷射流量来控制航天器运动方向以及姿态，实现对航天器的精确控制。相较于其他空间推进技术，其优势在于比冲高、硬件结构简单、绿色安全无污染、低成本等。

然而，现有的水推进器喷射推力仍显不够，无法更有效的利用推进器中储存的水。

发明内容

本申请的目的在于克服背景技术中存在的上述缺陷或问题，提供一种使用于太空环境的水推进器和卫星，其能够提供更大的喷射推力，从而让卫星能够更有效地利用推进器中储存的水，更有效地变轨或调姿。

为达成上述目的，采用如下技术方案：

一种使用于太空环境的水推进器，其包括：供水单元，其储存和供给水；汽化单元，其连通所述供水单元，加热水和水蒸汽；放电单元，其连通所述汽化单元，通过脉冲放电进一步加热水蒸汽；和喷射单元，其连通所述放电单元，用于喷射水蒸汽。

进一步地，所述供水单元包括容器和置于容器内的水囊，所述容器内充有气体以对所述水囊施加压力，所述水囊用于储存和供给水。

进一步地，所述汽化单元设有汽化室和第一电加热器，所述汽化室连通所述水囊，所述第一电加热器用于加热所述汽化室内的水使其产生水蒸汽。

进一步地，所述第一电加热器采用电阻加热方式或微波加热方式。

进一步地，所述放电单元设有放电腔和脉冲电压发生器，所述放电腔连通所述汽化室和所述喷射单元，所述脉冲电压发生器设有伸入所述放电腔的电极并适于产生脉冲电压。

进一步地，所述喷射单元采用拉瓦尔喷管，并在拉瓦尔喷管的喉道处设有第二电加热器。

进一步地，还包括连接单元，所述连接单元包括第一连接管、第二连接管和第三连接管，所述第一连接管连通所述水囊和所述汽化单元，所述第二连接管连通所述汽化室和所述放电腔，所述第三连接管连通所述放电腔和所述喷射单元；所述第二连接管采用弯曲管或螺旋管

进一步地，还包括控制单元，所述控制单元包括控制器、第一电控阀、第二电控阀、第三电控阀、第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第四压力传感器、第五压力传感器；所述第一电控阀、所述第二电控阀和所述第三电控阀分别装设于所述第一连接管、所述第二连接管和所述第三连接管；所述第一压力传感器用于采集所述容器内的气体压力；所述第二压力传感器采集所述汽化室内的水蒸汽压力，所述第三压力传感器采集所述放电腔内的水蒸汽压力；所述第四压力传感器采集拉瓦尔喷管入口处的压力；所述第五压力传感器采集拉瓦尔喷管出口处的压力；所述控制器与所述第一压力传感器、所述第二压力传感器、所述第三压力传感器、所述第四压力传感器、所述第五压力传感器、所述第一电控阀、所述第二电控阀、所述第三电控阀、所述第一电加热器、所述第二电加热器和所述脉冲电压发生器电连接；所述控制器根据所述汽化室内的水蒸汽压力和所述放电腔内的水蒸汽压力控制所述第一电控阀、第二电控阀、所述第三电控阀、所述第一电加热器和所述脉冲电压发生器启闭；所述控制器还根据拉瓦尔喷管入口处的压力与拉瓦尔喷管出口处的压力控制第二电加热器启闭。

进一步地，所述控制器在接到第一次喷射指令后先执行工作准备，所述工作准备包括在保持第一电控制阀关闭时，开启第二电控阀和第三电控阀持续设定时间后关闭第二电控阀和第三电控阀；所述控制器在工作准备结束后，根据喷射指令执行至少一次喷射循环，每次喷射循环包括如下步骤：S1：打开第一电控阀；S2：在汽化室内的水蒸汽压力达到第一阈值时关闭第一电控阀并打开第一电加热器；S3：在汽化室内的水蒸汽压力达到第二阈值时打开第二电控阀；S4：当放电腔内的水蒸汽压力达到第三阈值时关闭第二电控阀、关闭第一电加热器并打开所述脉冲电压发生器；S5：当所述放电腔内的水蒸汽压力达到第四阈值时打开第三电控阀并关闭所述脉冲电压发生器；如发现拉瓦尔喷管入口处的压力大于或等于第三阈值，而拉瓦尔喷管出口处的压力接小于或等于第五阈值，则打开第二电加热器，直至拉瓦尔喷管出口处的压力大于第五阈值；其中，第五阈值小于第一阈值，第一阈值小于第三阈值，第三阈值小于第二阈值，第二阈值小于第四阈值。

一种卫星，其包括如上任一项所述的使用于太空环境的水推进器。

相对于现有技术，上述方案具有的如下有益效果：

本申请在汽化单元后添加放电单元，放电单元通过脉冲放电进一步快速加热水蒸汽，使水蒸汽压力进一步增大，使放电腔中的压力能够达到汽化室压力的一倍，从而获得更大的喷射压力。

本申请在容器内预先充入气体对水囊施加压力，能够实现有效的供水，避免在卫星上因为供水而损耗有限的能源。

本申请的喷射单元采用拉瓦尔喷管，能够进一步提高水蒸汽的喷射推力。

第二连接管采用弯曲管或螺旋管，能够在太空中利用水的表面张力，实现有效的水汽分离，避免水进入放电腔，降低放电腔的工作效率，减少无效能源消耗。

控制器在接到第一次喷射指令后执行准备工作，有利于排出汽化室内的气体，在汽化室和放电腔均处于真空状态，使水囊中的水能够快速蒸发形成水蒸汽，水蒸汽也能快速从汽化室扩散至放电腔。

在S3中打开第二电控阀后仍不关闭第一电加热器，有利于提高效率，充分利用水蒸汽从汽化室扩散至放电腔的过程中进一步提高水蒸汽压力。

附图说明

为了更清楚地说明实施例的技术方案，下面简要介绍所需要使用的附图：

图1为实施例中使用于太空环境的水推进器结构示意图；

主要附图标记说明：

水推进器1；供水单元2；容器21；水囊22；汽化单元3；汽化室31；第一电加热器32；放电单元4；放电腔41；脉冲电压发生器42；喷射单元5；第二电加热器51；连接单元6；第一连接管61；第二连接管62；第三连接管63；控制单元7；控制器70；第一电控阀71；第二电控阀72；第三电控阀73；第一压力传感器74；第二压力传感器75；第三压力传感器76；温度传感器77；第四压力传感器78；第五压力传感器79。

具体实施方式

权利要求书和说明书中，除非另有限定，术语“第一”、“第二”或“第三”等，都是为了区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。

权利要求书和说明书中，除非另有限定，术语“中心”、“横向”、“纵向”、“水平”、“垂直”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系乃基于附图所示的方位和位置关系，且仅是为了便于简化描述，而不是暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或以特定的方位构造和操作。

权利要求书和说明书中，除非另有限定，术语“固接”或“固定连接”，应作广义理解，即两者之间没有位移关系和相对转动关系的任何连接方式，也就是说包括不可拆卸地固定连接、可拆卸地固定连接、连为一体以及通过其他装置或元件固定连接。

权利要求书和说明书中，除非另有限定，术语“包括”、“具有”以及它们的变形，意为“包含但不限于”。

下面将结合附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

参见图1，图1示出了实施例中的水推进器1的结构。如图所示，实施例中的水推进器1包括供水单元2、汽化单元3、放电单元4、喷射单元5、连接单元6和控制单元7。

其中，供水单元2用于储存和供给水。供水单元2包括容器21和置于容器21内的水囊22，容器21内充有气体以对所述水囊22施加压力，本实施例中，该气体压力达到20kpa。水囊22用于储存和供给水。

汽化单元3连通供水单元21，用于加热水和水蒸汽。汽化单元3设有汽化室31和第一电加热器32，汽化室31连通所述水囊22，第一电加热器32用于加热所述汽化室31内的水使其产生水蒸汽。第一电加热器32可以采用电阻加热方式或微波加热方式，本实施例采用电阻加热方式。电阻片贴附于汽化室的壁上。

放电单元4连通汽化单元3，通过脉冲放电进一步加热水蒸汽。放电单元4设有放电腔41和脉冲电压发生器42，放电腔41连通所述汽化室31和喷射单元5，脉冲电压发生器42设有伸入所述放电腔41的电极并适于产生脉冲电压。放电单元4通过脉冲放电进一步快速加热水蒸汽，使水蒸汽压力进一步增大，使放电腔41中的压力能够达到汽化室31压力的一倍，从而获得更大的喷射压力。

喷射单元5连通放电单元4，用于喷射水蒸汽。本实施例中，喷射单元5采用拉瓦尔喷管，并在拉瓦尔喷管的喉道处设有第二电加热器51。采用拉瓦尔喷管能够进一步提高水蒸汽的喷射压力。第二电加热器51用于融化可能凝结于喉道处的冰。

连接单元6包括第一连接管61、第二连接管62和第三连接管63，第一连接管61连通水囊22和所述汽化单元3，第一连接管6并与容器21密封连接，以确保容器21内的气体能够对气囊22施压。第二连接管62连通汽化室31和放电腔41，本实施例中，第二连接管62采用弯曲管或螺旋管，有利于在太空中利用水的表面张力，实现有效的水汽分离，避免水进入放电腔，降低放电腔的工作效率，减少无效能源消耗。第三连接管63连通放电腔41和喷射单元5。

控制单元7包括控制器70、第一电控阀71、第二电控阀72、第三电控阀73、第一压力传感器74、第二压力传感器75和第三压力传感器76、温度传感器77、第四压力传感器78和第五压力传感器79；第一电控阀71、第二电控阀72和第三电控阀73分别装设于第一连接管61、第二连接管62和第三连接管63。第一压力传感器74用于采集所述容器21内的气体压力；第二压力传感器75采集汽化室31内的水蒸汽压力，第三压力传感器76采集所述放电腔41内的水蒸汽压力，温度传感器77采集汽化室31内的水蒸汽温度，第四压力传感器78采集拉瓦尔喷管入口处的压力第五压力传感器(79采集拉瓦尔喷管出口处的压力；控制器70与第一压力传感器74、第二压力传感器75、第三压力传感器76、温度传感器77、第四压力传感器78、第五压力传感器79、第一电控阀71、第二电控阀72、第三电控阀73、第一电加热器32、第二电加热器51和脉冲电压发生器42电连接；控制器70根据汽化室31内的水蒸汽压力和放电腔41内的水蒸汽压力控制第一电控阀71、第二电控阀72、所述第三电控阀73、第一电加热器32和脉冲电压发生器42启闭，控制器还根据拉瓦尔喷管入口处的压力与拉瓦尔喷管出口处的压力控制第二电加热器51启闭。同时，本实施例中，控制器70还监测容器21内的气体压力，也会根据汽华室31内的水蒸汽温度控制第一电加热器32的工作功率。

本实施例中，控制器70在接到第一次喷射指令后先执行准备工作，工作准备包括在保持第一电控制阀71关闭时，开启第二电控阀72和第三电控阀73持续设定时间后关闭第二电控阀72和第三电控阀73。控制器70在准备工作结束后，根据喷射指令执行至少一次喷射循环，每次喷射循环包括如下步骤：

S1：打开第一电控阀71；

S2：在汽化室31内的水蒸汽压力达到第一阈值时关闭第一电控阀71并打开第一电加热器32；

S3：在汽化室31内的水蒸汽压力达到第二阈值时打开第二电控阀72；

S4：当放电腔41内的水蒸汽压力达到第三阈值时关闭第二电控阀72、关闭第一电加热器32并打开所述脉冲电压发生器42；

S5：当放电腔(41)内的水蒸汽压力达到第四阈值时打开第三电控阀73并关闭脉冲电压发生器42；；如发现拉瓦尔喷管入口处的压力的压力大于或等于第三阈值，而拉瓦尔喷管出口处的压力接小于或等于第五阈值，则打开第二电加热器51，直至拉瓦尔喷管出口处的压力大于第五阈值。

其中，第五阈值小于第一阈值，第一阈值小于第三阈值，第三阈值小于第二阈值，第二阈值小于第四阈值。本实施例中，第五阈值接近于0；第一阈值为1.5kpa，第二阈值为4kpa，第三阈值为3.5kpa，第四阈值为8kpa。从以上阈值可知，汽化室31内的水蒸汽可以加压到4kpa，而经过放电单元4放电后，放电腔42内的水蒸汽可以加压到8kpa，显著提升了水蒸汽压力，提高了喷射速度和推力。

上述控制过程中，控制器70在接到第一次喷射指令后执行准备工作，有利于排出汽化室31内的气体，使汽化室31和放电腔41均处于真空状态，使水囊21中的水能够快速蒸发形成水蒸汽，水蒸汽也能快速从汽化室31扩散至放电腔41。上述步骤中，在S3中打开第二电控阀72后仍不关闭第一电加热器32，有利于提高效率，充分利用水蒸汽从汽化室31扩散至放电腔41的过程中进一步提高水蒸汽压力。

本实施例中的卫星采用了上述使用于太空环境的水推进器1，因此，该卫星能够更有效率地变轨或变速，能够更充分地利用其储存的水。

上述说明书和实施例的描述，用于解释本申请的保护范围，但并不构成对本申请保护范围的限定。

Claims (10)

1.一种使用于太空环境的水推进器(1)，其特征是，包括：

供水单元(2)，其储存和供给水；

汽化单元(3)，其连通所述供水单元(21)，加热水和水蒸汽；

放电单元(4)，其连通所述汽化单元(3)，通过脉冲放电进一步加热水蒸汽；

和

喷射单元(5)，其连通所述放电单元(4)，用于喷射水蒸汽。

2.如权利要求1所述的一种使用于太空环境的水推进器(1)，其特征是，所述供水单元(2)包括容器(21)和置于容器(21)内的水囊(22)，所述容器(21)内充有气体以对所述水囊(22)施加压力，所述水囊(22)用于储存和供给水。

3.如权利要求2所述的一种使用于太空环境的水推进器(1)，其特征是，所述汽化单元(3)设有汽化室(31)和第一电加热器(32)，所述汽化室(31)连通所述水囊(22)，所述第一电加热器(32)用于加热所述汽化室(31)内的水使其产生水蒸汽。

4.如权利要求3所述的一种使用于太空环境的水推进器(1)，其特征是，所述第一电加热器(32)采用电阻加热方式或微波加热方式。

5.如权利要求4所述的一种使用于太空环境的水推进器(1)，其特征是，所述放电单元(4)设有放电腔(41)和脉冲电压发生器(42)，所述放电腔(41)连通所述汽化室(31)和所述喷射单元(5)，所述脉冲电压发生器(42)设有伸入所述放电腔(41)的电极并适于产生脉冲电压。

6.如权利要求5所述的一种使用于太空环境的水推进器(1)，其特征是，所述喷射单元(5)采用拉瓦尔喷管，并在拉瓦尔喷管的喉道处设有第二电加热器(51)。

7.如权利要求6所述的一种使用于太空环境的水推进器(1)，其特征是，还包括连接单元(6)，所述连接单元(6)包括第一连接管(61)、第二连接管(62)和第三连接管(63)，所述第一连接管(61)连通所述水囊(22)和所述汽化单元(3)，所述第二连接管(62)连通所述汽化室(31)和所述放电腔(41)，所述第三连接管(63)连通所述放电腔(41)和所述喷射单元(5)；所述第二连接管(62)采用弯曲管或螺旋管。

8.如权利要求7所述的一种使用于太空环境的水推进器(1)，其特征是，还包括控制单元(7)，所述控制单元(7)包括控制器(70)、第一电控阀(71)、第二电控阀(72)、第三电控阀(73)、第一压力传感器(74)、第二压力传感器(75)、第三压力传感器(76)、第四压力传感器(78)、第五压力传感器(79)；

所述第一电控阀(71)、所述第二电控阀(72)和所述第三电控阀(73)分别装设于所述第一连接管(61)、所述第二连接管(62)和所述第三连接管(63)；

所述第一压力传感器(74)用于采集所述容器(21)内的气体压力；所述第二压力传感器(75)采集所述汽化室(31)内的水蒸汽压力，所述第三压力传感器(76)采集所述放电腔(41)内的水蒸汽压力；所述第四压力传感器(78)采集拉瓦尔喷管入口处的压力；所述第五压力传感器(79)采集拉瓦尔喷管出口处的压力；

所述控制器(70)与所述第一压力传感器(74)、所述第二压力传感器(75)、所述第三压力传感器(76)、所述第四压力传感器(78)、所述第五压力传感器(79)、所述第一电控阀(71)、所述第二电控阀(72)、所述第三电控阀(73)、所述第一电加热器(32)、所述第二电加热器(51)和所述脉冲电压发生器(42)电连接；所述控制器(70)根据所述汽化室(31)内的水蒸汽压力和所述放电腔(41)内的水蒸汽压力控制所述第一电控阀(71)、第二电控阀(72)、所述第三电控阀(73)、所述第一电加热器(32)和所述脉冲电压发生器(42)启闭；所述控制器(70)还根据拉瓦尔喷管入口处的压力与拉瓦尔喷管出口处的压力控制第二电加热器(51)启闭。

9.如权利要求8所述的一种使用于太空环境的水推进器(1)，其特征是，所述控制器(70)在接到第一次喷射指令后先执行准备工作，所述工作准备包括在保持第一电控制阀(71)关闭时，开启第二电控阀(72)和第三电控阀(73)持续设定时间后关闭第二电控阀(72)和第三电控阀(73)；

所述控制器(70)在准备工作结束后，根据喷射指令执行至少一次喷射循环，每次喷射循环包括如下步骤：

S1：打开第一电控阀(71)；

S2：在汽化室(31)内的水蒸汽压力达到第一阈值时关闭第一电控阀(71)并打开第一电加热器(32)；

S3：在汽化室(31)内的水蒸汽压力达到第二阈值时打开第二电控阀(72)；

S4：当放电腔(41)内的水蒸汽压力达到第三阈值时关闭第二电控阀(72)、关闭第一电加热器(32)并打开所述脉冲电压发生器(42)；

S5：当所述放电腔(41)内的水蒸汽压力达到第四阈值时打开第三电控阀(73)并关闭所述脉冲电压发生器(42)；如发现拉瓦尔喷管入口处的压力的压力大于或等于第三阈值，而拉瓦尔喷管出口处的压力接小于或等于第五阈值，则打开第二电加热器(51)，直至拉瓦尔喷管出口处的压力大于第五阈值；

其中，第五阈值小于第一阈值，第一阈值小于第三阈值，第三阈值小于第二阈值，第二阈值小于第四阈值。

10.一种卫星，其特征是，包括如权利要求1至9中任一项所述的使用于太空环境的水推进器(1)。

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