CN116252970B - 用于微小卫星的变推力气体推力器、气体供应系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于微小卫星的变推力气体推力器、气体供应系统及方法，用于微小卫星的变推力气体推力器包括第一定位滑动副、压电陶瓷作动器、作动器固定架、作动器支撑架、针阀、预紧弹簧、喷嘴以及套筒，第一定位滑动副同轴装配在套筒的一端，第一定位滑动副中心沿轴线开设有定位滑道，第一定位滑动副与喷嘴连接，套筒一端的四周装配的接头通过气体扩散通道与喷嘴连通；作动器支撑架被限位在套筒内，作动器固定架活动设置在作动器支撑架上且能够轴向运动，压电陶瓷作动器设置在作动器固定架内；针阀一端固定在作动器固定架的一端，针阀滑动密封设置在定位滑道内且与喷嘴的喷口适配；作动器固定架背离作动器支撑架的一端通过预紧弹簧与套筒连接。

Description

用于微小卫星的变推力气体推力器、气体供应系统及方法

技术领域

本发明涉及卫星微推进技术领域，具体涉及一种用于微小卫星的变推力气体推力器、气体供应系统及方法。

背景技术

微小卫星通常是指重量为10kg～500kg范围内的卫星，微小卫星应用于科学研究、探测及高精度测量和导航等用途，要求微小卫星平台能够保持在超静低噪声的条件下，实现超高精度、超高稳定性等指标，因为超静条件的要求，为使得数据源能够更加可靠，一般在该种卫星上不会使用动量轮及陀螺等引起额外角加速度的转动部件，在实际应用时通过亚微牛级的极小脉冲推力或推力稳定、连续可调且低噪声的变推力系统实时抵消大气、太阳光压、宇宙粒子射线等非保守力对微小卫星的干扰，使其在高微重力水平的环境下运行，另外由于高精度的姿态机动及保持要求，变推力系统可以做到在小推力时的稳定维持和大推力时的快速机动。在减小推进剂消耗量的同时，可以以更高精度完成控制。

目前在用的冷气推进系统一般为定推力系统，系统组成如下：如图1所示，气体加注阀400将气体加注至贮箱200中，管路组成包括贮气瓶、第一压力传感器301、过滤器401、减压阀402、安全阀302、第二压力传感器305、电磁阀及推力器403组成的。当推力器工作时，电磁阀收到脉冲指令，以脉冲形式开启阀门，推进剂通过阀门后进入推力器中，由推力器喷嘴喷出产生定推力，定推力推进可完成航天器姿态控制及轨道机动过程。这种冷气推进系统存在以下缺陷：采用电磁阀的冷气推进系统因为电磁阀的脉冲控制方式，会使得整个系统产生很大的系统噪声，与此同时，因为通过电磁力控制开闭，所用功率偏大，使得电磁阀发热量较大的同时，还会对整个卫星系统的磁环境产生干扰。进一步的，由于定推力的输出模式，推力系统无法兼顾较大推力的快速机动与使用极小推力完成的高精度姿态调节。在使用单一一套系统时，无法提供更高精度的推力输出调节结果。如果想要实现多个输出推力，就要多个减压阀、节流阀等气动元件，造成系统成本高，组成复杂且一致性较差。

另外，现有比例调节阀一般用于调节流量或压力，该种阀门设计是为了解决复杂的气压或液压回路而产生的技术方案，最大的特点就是可以允许阀芯连续定位，从而提供连续可调的流量或压力。行程控制或力控制的阀芯一般有电磁线圈、压电驱动、热气驱动、静电驱动及记忆合金驱动等多种形式。

传统的电气比例阀是将电磁铁作为电--机械的一个方式，把电控制信号转换为机械的位移，推动阀芯，实现气路的切换或气体压力、流量的比例控制。随着材料及制造技术的发展，压电材料因其压电片在变形过程中不受机械摩擦力，并且压电片具有响应快，体积小重量轻等特点，也逐步应用到比例调节阀中。但其共同原理为阀门的连续移动，实现连续输出。

在喷气推力控制上使用时，所要求的一个重要指标为比冲，这使得传统比例调节阀无法在该种应用场景下使用，主要原因是在提高比冲时，根据比冲定义公式：

其中为质量流量，V_e为出口速度，p_e为出口压力，p_b为环境压力，A_e为出口截面积；

对于相同介质的推进剂，得出喷口推进剂速度与比冲为正相关，鉴于此，在推进器中一般会尽可能地降低压损，并采用喷管结构来提升推进剂喷出速度，但在现有比例调节阀上无法实现该种功能。

进一步的，由于传统比例阀采用电磁铁作为驱动元件，使得整个系统功耗相对较大的同时，对应的体积、重量也比较大，响应速度较慢，精度低，同时因为电磁铁产生的磁场干扰，使得该种阀门无法满足航天推进器使用要求。对于一般压电阀门，还存在因压电材料迟滞特性及蠕变特性，造成整个控制系统的非线性明显，难以实现高精度位移输出控制。

发明内容

本发明为了解决现有技术存在技术问题的一种或几种，提供了一种用于微小卫星的变推力气体推力器、气体供应系统及方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种用于微小卫星的变推力气体推力器，包括第一定位滑动副、压电陶瓷作动器、作动器固定架、作动器支撑架、针阀、预紧弹簧、喷嘴以及套筒，所述第一定位滑动副同轴装配在所述套筒的一端，所述第一定位滑动副中心沿轴线开设有定位滑道，所述第一定位滑动副与喷嘴连接，所述套筒一端的四周装配有接头，所述接头通过气体扩散通道与喷嘴连通；所述作动器支撑架被限位在套筒内，所述作动器固定架活动设置在所述作动器支撑架上且能够相对于作动器支撑架沿所述套筒的轴向运动，所述压电陶瓷作动器设置在所述作动器固定架内；所述针阀一端固定在所述作动器固定架与作动器支撑架活动连接的一端，所述针阀滑动密封设置在所述定位滑道内且与所述喷嘴的喷口适配；所述作动器固定架背离所述作动器支撑架的一端通过预紧弹簧与套筒连接。

本发明的有益效果是：本发明的用于微小卫星的变推力气体推力器，可以利用压电陶瓷作动器加电伸长或减小电压缩短，驱动作动器固定架相对于作动器支撑件沿套筒的轴向往复运动，进而带动针阀在套筒内往复运动，实现喷嘴喷口气体推力的调节。用压电陶瓷作动器可以采用堆叠式压电陶瓷作动器，可以根据输出行程不同做不同层数的堆叠，实现不同精度的运动控制。而且采用压电陶瓷作动器及贴合的应变片并配合各个结构实现运动调节，能够实现喷嘴喷口出气体推力的连续可调，有效降低了压电陶瓷本身蠕变特性、迟滞特性对系统输出推力精度的影响。进一步的，采用的压电陶瓷作动器消耗功率小、低噪声、稳定性高、精度高，能够为为卫星提供超低噪声超高稳定性的工作平台。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述第一定位滑动副背离所述套筒的一侧还连接有装配筒，所述喷嘴安装在所述装配筒上；所述装配筒靠近所述套筒的一端端面径向超出所述套筒的一端端面设置且超出部分形成环形的装配面，所述装配筒背离所述套筒的一端端面为出气面，所述接头安装在所述环形的装配面上；所述装配筒内形成有轴向布置并用于针阀密封活动通过的密封通道，所述气体扩散通道分别贯穿所述装配面以及出气面。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过设置装配筒，可以为喷嘴的安装提供结构支撑，而且还能够为接头的装配以及气体扩散通道的设置提供结构支撑。

进一步，所述装配筒的外侧壁上设有环形台阶，所述喷嘴套设在所述装配筒的出气面四周且抵接在所述环形台阶上。

进一步，所述第一定位滑动副为环形台阶型结构，所述第一定位滑动副的大头端螺纹连接在所述套筒的一端内侧壁上，所述第一定位滑动副的小头端位于所述套筒外侧，所述装配筒套设并螺纹连接在所述第一定位滑动副的小头端；所述针阀通过环形密封环与所述装配筒的内侧壁密封活动连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：第一定位滑动副设置为环形台阶型结构，方便分别与套筒以及装配筒进行组装，有利于结构的紧凑和稳定。

进一步，所述套筒的内侧壁上设有限位台阶，所述作动器支撑架被限位在所述第一定位滑动副和所述限位台阶之间。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过设置限位台阶，方便作动器支撑架在套筒内侧壁上的限位，便于后续作动器固定架相对于作动器支撑架的轴向运动。

进一步，所述作动器支撑架呈U型结构，所述作动器固定架呈框型结构，所述框型结构的两侧开口分别朝向所述套筒的内侧壁布置，所述U型结构的开口朝向所述第一定位滑动副布置；所述U型结构贯穿所述框型结构一端的两侧开口设置，所述针阀的一端与所述框型结构的一端固定连接，所述压电陶瓷作动器设置在所述框型结构内且两端分别与所述框型结构背离所述作动器支撑架的一端内侧壁以及所述作动器支撑架连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：采用U型结构和框型结构相结合的方式，便于作动器固定架与套筒内相关结构的连接，也便于压电陶瓷作动器在框型结构内的装配。

进一步，所述套筒内还设有第二定位滑动副，所述作动器固定架背离所述作动器支撑架的一端与第二定位滑动副的滑动部分通过螺纹连接，所述预紧弹簧套设在滑动部分外，所述预紧弹簧分别与所述第二定位滑动副和作动器固定架抵接。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过设置第二定位滑动副，可以对作动器固定架的轴向运动进行进一步的定位。

进一步，所述套筒的另一端还螺纹连接有密封法兰，所述密封法兰与套筒之间密封连接，所述密封法兰上开设有用于线缆密封通过的线缆密封孔；所述压电陶瓷作动器采用堆叠式压电陶瓷作动器，所述压电陶瓷作动器的侧面贴合有测量位移的应变片。

进一步，所述喷嘴与装配筒通过密封圈密封连接，所述第一定位滑动副与套筒之间通过密封圈密封连接。

气体供应系统，包括上述的用于微小卫星的变推力气体推力器，还包括贮箱和供气管路，所述供气管路上沿供气方向依次设有第一压力传感器、安全阀、自锁阀、调压阀、第二压力传感器、稳压气容和质量流量传感器，所述供气管路上与所述第一压力传感器对应的位置还设有加注口，所述加注口处设有过滤器、截止阀和单向阀；所述套筒一端四周装配的接头分别通过气体管路与所述质量流量传感器连接；所述截止阀、压电陶瓷作动器、第一压力传感器、安全阀、自锁阀、调压阀、第二压力传感器和质量流量传感器分别与微控制器电控连接。

本发明的有益效果是：本发明的气体供应系统，在系统工作时，微控制器控制系统进入喷气推力工作模式，发出指令打开自锁阀，调压阀工作，通过微控制器设置控制压力值完成预设压力输出，下游第二压力传感器实时测量下游压力反馈给微控制器，完成下游压力稳定的闭环控制。气体推力器的喷嘴工作时，按照推力器工作模式完成控制及气体输出，通过质量流量传感器测量通过各个喷嘴的气体质量流量，可以通过闭环控制，完成推力的稳定输出。

一种气体供应方法，采用上述的气体供应系统实现，包括：

加注状态，加注口处的截止阀打开，加注口连接气源对整个气体供应系统进行推进剂加注，使推进剂进入贮箱，第一压力传感器实时检测推进剂加注压力并反馈给微控制器，并当加注压力达到预设加注压力时，微控制器控制截止阀关闭，完成加注；此时，安全阀工作，当加注压力超出预设加注压力时，安全阀完成泄放；同时，自锁阀处于锁紧状态，且自锁阀下游的供气管路处于关闭状态；

关闭状态，变推力气体推力器不工作，整个气体供应系统处于关闭状态，第一压力传感器和第二压力传感器实时检测供气管路的压力状态并反馈给微控制器；

工作状态，变推力气体推力器工作，截止阀处于关闭状态，推进剂经过供气管路各个功能部件调节压力后进入气体推力器，微控制器根据预设推力控制气体推力器的针阀移动至设定位置，实现气体推力器推力的闭环控制输出。

本发明的有益效果是：本发明的方法，可以提高卫星用于高精度姿态控制及无拖曳控制的控制精度，也可在大推力下完成小幅轨道机动，为卫星在轨的运动提供了备份。

附图说明

图1为现有气体供应系统的结构示意图；

图2为本发明气体推力器的立体结构示意图；

图3为本发明气体推力器的剖视结构示意图；

图4为本发明气体推力器尾部的剖视结构示意图；

图5为本发明气体推力器头部的剖视结构示意图；

图6为本发明作动器固定架与作动器支撑架配合的立体结构示意图；

图7为本发明作动器固定架与作动器支撑架配合的内部结构示意图；

图8为本发明气体供应系统的结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、套筒；11、限位台阶；12、密封法兰；13、线缆密封孔；

2、第一定位滑动副；21、第二定位滑动副；22、滑动柱；23、预紧弹簧；

3、压电陶瓷作动器；31、作动器固定架；32、作动器支撑架；

4、针阀；41、密封环；

5、喷嘴；51、喷口；

6、装配筒；61、环形台阶；62、接头；63、气体扩散通道；64、气体管路；

7、密封圈；

100、气体推力器；200、贮箱；

300、供气管路；301、第一压力传感器；302、安全阀；303、自锁阀；304、调压阀；305、第二压力传感器；306、稳压气容；307、质量流量传感器；308、加注口；309、单向阀；

400、气体加注阀；401、过滤器；402、减压阀；403、电磁阀及推力器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图2～图7所示，本实施例的一种用于微小卫星的变推力气体推力器，包括第一定位滑动副2、压电陶瓷作动器3、作动器固定架31、作动器支撑架32、针阀4、预紧弹簧23、喷嘴5以及套筒1，所述第一定位滑动副2同轴装配在所述套筒1的一端，所述第一定位滑动副2中心沿轴线开设有定位滑道，所述第一定位滑动副2与喷嘴5连接，所述套筒1一端的四周装配有接头62，所述接头62通过气体扩散通道63与喷嘴5连通；所述作动器支撑架32被限位在套筒1内，所述作动器固定架31活动设置在所述作动器支撑架32上且能够相对于作动器支撑架32沿所述套筒1的轴向运动，所述压电陶瓷作动器3设置在所述作动器固定架31内；所述针阀4一端固定在所述作动器固定架31与作动器支撑架32活动连接的一端，所述针阀4滑动密封设置在所述定位滑道内且与所述喷嘴5的喷口51适配；所述作动器固定架31背离所述作动器支撑架32的一端通过预紧弹簧23与套筒1连接。气体推力器通过压电陶瓷作动器精确控制位移输出，以针阀调节喷嘴喉部面积的方式，完成了超临界状态下质量流量的控制，实现了精确的推力输出。套筒作为最外部保护结构，同时能够实现精密定位的孔轴配合。

如图2、图3和图5所示，本实施例的一个优选方案为，所述第一定位滑动副2背离所述套筒1的一侧还连接有装配筒6，所述喷嘴5安装在所述装配筒6上；所述装配筒6靠近所述套筒1的一端端面径向超出所述套筒1的一端端面设置且超出部分形成环形的装配面，所述装配筒6背离所述套筒1的一端端面为出气面，所述接头62安装在所述环形的装配面上；所述装配筒6内形成有轴向布置并用于针阀4密封活动通过的密封通道，所述气体扩散通道63分别贯穿所述装配面以及出气面。通过设置装配筒，可以为喷嘴的安装提供结构支撑，而且还能够为接头的装配以及气体扩散通道的设置提供结构支撑。

如图3和图5所示，本实施例的所述装配筒6的外侧壁上设有环形台阶61，所述喷嘴5套设在所述装配筒6的出气面四周且抵接在所述环形台阶61上。

如图3和图5所示，本实施例的所述第一定位滑动副2为环形台阶型结构，所述第一定位滑动副2的大头端螺纹连接在所述套筒1的一端内侧壁上，所述第一定位滑动副2的小头端位于所述套筒1外侧，所述装配筒6套设并螺纹连接在所述第一定位滑动副2的小头端；所述针阀4通过环形的密封环41与所述装配筒6的内侧壁密封活动连接。第一定位滑动副设置为环形台阶型结构，方便分别与套筒以及装配筒进行组装，有利于结构的紧凑和稳定。

如图3和图4所示，本实施例的所述套筒1的内侧壁上设有限位台阶11，所述作动器支撑架32被限位在所述第一定位滑动副2和所述限位台阶11之间。通过设置限位台阶，方便作动器支撑架在套筒内侧壁上的限位，便于后续作动器固定架相对于作动器支撑架的轴向运动。

如图3、图6和图7所示，本实施例的所述作动器支撑架32呈U型结构，所述作动器固定架31呈框型结构，所述框型结构的两侧开口分别朝向所述套筒1的内侧壁布置，所述U型结构的开口朝向所述第一定位滑动副2布置；所述U型结构贯穿所述框型结构一端的两侧开口设置，所述针阀4的一端与所述框型结构的一端固定连接，所述压电陶瓷作动器3设置在所述框型结构内且两端分别与所述框型结构背离所述作动器支撑架32的一端内侧壁以及所述作动器支撑架32连接。采用U型结构和框型结构相结合的方式，便于作动器固定架与套筒内相关结构的连接，也便于压电陶瓷作动器在框型结构内的装配。

如图3和图7所示，本实施例的所述套筒1内还设有第二定位滑动副21，所述作动器固定架31背离所述作动器支撑架32的一端与第二定位滑动副21的滑动部分通过螺纹连接，所述滑动部分外套设有预紧弹簧23，所述滑动部分可采用滑动柱22，所述预紧弹簧23分别与所述第二定位滑动副21和作动器固定架31抵接。通过设置第二定位滑动副，可以对作动器固定架的轴向运动进行进一步的定位，实现压电式陶瓷作动器、作动器固定架以及针阀轴向的高精度运动。当气体推力器不工作的时候，因为预紧预紧弹簧的预紧力，使得两个定位滑动副、压电陶瓷作动器、作动器固定架、针阀做成的运动结构处于预紧状态，在气体推力器工作时，压电陶瓷作动器加电伸长，针阀运动距离通过微控制器完成精确控制。

如图3和图4所示，本实施例的所述套筒1的另一端还螺纹连接有密封法兰12，所述密封法兰12与套筒1之间密封连接，所述密封法兰12上开设有用于线缆密封通过的线缆密封孔13，即可将线缆通过线缆密封孔13之后，再将线缆密封孔13密封处理；密封法兰为密封结构，将压电陶瓷作动器的输出线引出套筒并完成密封。所述压电陶瓷作动器3采用堆叠式压电陶瓷作动器，所述压电陶瓷作动器3的侧面贴合有测量移动位移的应变片。

本实施例的用于微小卫星的冷气连续变推力系统，推力器推力能够在5uN-5mN之间调节，大推力时比冲不小于60s，小推力不小于30s。

本实施例中喷嘴结构为调节喉部面积，但总体结构为可变喉部面积的拉瓦尔喷管，根据设计要求，可在全工作状态实现拉瓦尔喷管在经过前段收缩加速后，在喉部达到马赫数为1，后再经过尾段的扩张管，完成推进剂再次加速，使得输出推进剂马赫数大于1，保证系统比冲达到设计要求。根据理论推导公式，喷口推力可表达为喉部面积的函数FT＝f(At)，即通过针阀运动改变喉部面积，可实现对推力大小的控制。根据理论推导及结构设计，在背压确定条件下，喷嘴在针阀开合的整个状态下均处于超临界状态，气体在喉部最小面积处达到1Ma，通过喉部后继续加速以超音速喷出。

本实施例的用于微小卫星的变推力气体推力器分为两部分，喷嘴、针阀、装配筒以及第一定位滑动副为前端部分，压电陶瓷作动器3、作动器固定架31、作动器支撑架32等为后端部分，这两个部分一般都通过螺纹连接以及孔轴配合保证运动精度，再分别通过密封圈7等密封结构实现独立密封结构。

本实施例的用于微小卫星的变推力气体推力器，可以利用压电陶瓷作动器加电伸长或减小电压缩短，驱动作动器固定架相对于作动器支撑件沿套筒的轴向往复运动，进而带动针阀在套筒内往复运动，实现喷嘴喷口气体推力的调节。用压电陶瓷作动器可以采用堆叠式压电陶瓷作动器，供电电压0-150V，为解决压电陶瓷因为本身的迟滞特性和蠕变特性对造成的升压与降压曲线不重合及长时间保持时的蠕变问题，在压电陶瓷作动器侧面贴合应变片测量移动位移，通过控制器及控制算法实现闭环控制，使得设定位移量后作动器能够精准输出。可以根据输出行程不同做不同层数的堆叠，实现不同精度的运动控制。而且采用压电陶瓷作动器及贴合的应变片并配合各个结构实现运动调节，能够实现喷嘴喷口出气体推力的连续可调，有效降低了压电陶瓷本身蠕变特性、迟滞特性对系统输出推力精度的影响。进一步的，采用的压电陶瓷作动器消耗功率小、低噪声、稳定性高、精度高，能够为为卫星提供超低噪声超高稳定性的工作平台。

如图8所示，本实施例还提供了一种气体供应系统，包括上述的用于微小卫星的变推力气体推力器100，还包括贮箱200和供气管路300，所述供气管路300上沿供气方向依次设有第一压力传感器301、安全阀302、自锁阀303、调压阀304、第二压力传感器305、稳压气容306和质量流量传感器307，所述供气管路300上与所述第一压力传感器301对应的位置还设有加注口308，所述加注口308处设有截止阀、单向阀309和过滤器401，所述过滤器401、截止阀以及单向阀309沿加注口308的气体加注方向依次布置，单向阀309的作用是防止加注过程中逆向流动，保护系统安全，使得截止阀能够正常关闭；所述套筒1一端四周装配的接头62分别通过气体管路64与所述质量流量传感器307连接；所述截止阀、压电陶瓷作动器3、第一压力传感器301、安全阀302、自锁阀303、调压阀304、第二压力传感器305、稳压气容306和质量流量传感器307分别与微控制器连接。

其中，所述第一压力传感器301为高压压力传感器，所述第二压力传感器305为低压压力传感器。所述调压阀304为精密调压阀。贮箱用于储存整个系统工作应用的高压氮气，加注口及截止阀用于通过外界加注管路对气体进行加注并在加注完成时处于关闭状态。上游高压压力传感器用于监测贮箱中推进剂压力，并在气体加注时监测加注状态。安全阀位于加注口及压力传感器之后，在系统压力超出设定值以后，安全阀会对整个系统压力进行泄放，防止压力过高产生危险，损坏系统。自锁阀位于安全阀之后，用于对高压气体回路的气源进行锁定，防止泄漏。在系统不处于工作状态时，自锁阀常闭，高压气体不会流向下游，减少推进剂的泄漏损失。精密调压阀处于自锁阀之后，可设定输出压力0.005MPa-0.5Mpa，输出误差优于±0.5％，根据理论及仿真结果，压力作为能够直接影响喷气推力的物理量，可以通过调节精密调节阀的压力输出，使得整个系统的推力输出范围足够大(可达到mN量级)。稳压气容位于精密调压阀及低压压力传感器之后，对于上游造成的压力波动能够起到缓冲作用，但稳压气容在该系统中不能过大，过大会使得整个系统尺寸结构过大的同时，影响精密调压阀对于输出压力调节的响应时间(例如，可设计响应时间为100ms量级)。质量流量传感器位于稳压气容之后，可对喷嘴输出质量流量进行精密测量，根据理论公式：F_T＝Q_mV_e+(p_e-p_b)A_e，其中Q_m为质量流量，V_e为出口速度，p_e为出口压力，p_b为环境压力，A_e为出口截面积；式中出口截面积及环境压力为定值，p_e为与质量流量和压力有关的物理量，在流动介质质量不变(为氮气)时，理论上，出口推力可认为受质量流量和压力影响。在压力一定时，质量流量调节与推力呈对应关系。

本实施例的气体供应系统，在系统工作时，微控制器控制系统进入喷气推力工作模式，发出指令打开自锁阀，调压阀工作，通过微控制器设置控制压力值完成预设压力输出，下游第二压力传感器实时测量下游压力反馈给微控制器，完成下游压力稳定的闭环控制。

本实施例还提供了一种气体供应方法，采用上述的气体供应系统实现，包括：

加注状态，加注口处的截止阀打开，加注口连接气源对整个气体供应系统进行推进剂加注，使推进剂进入贮箱，第一压力传感器实时检测推进剂加注压力并反馈给微控制器，并当加注压力达到预设加注压力时，微控制器控制截止阀关闭，完成加注；此时，安全阀工作，自锁阀处于锁紧状态，且自锁阀下游的供气管路处于关闭状态；在加注压力过高时，安全阀可完成高压压力的泄放，保证整个系统的安全。

关闭状态，气体推力器不工作，整个气体供应系统处于关闭状态，第一压力传感器和第二压力传感器实时检测供气管路的压力状态并反馈给微控制器；异常情况时，通过微控制器执行异常处理。

工作状态，微控制器启动，气体推力器工作，截止阀处于关闭状态，第一压力传感器实时检测自锁阀上游供气管路的压力并反馈给微控制器，自锁阀打开，自锁阀上游供气管路的推进剂进入调压阀，调压阀根据设定调压值调节压力后将推进剂输出至自锁阀下游的供气管路中，第二压力传感器实时检测自锁阀下游供气管路的压力并反馈给微控制器；

推进剂经过供气管路各个功能部件调节压力后进入气体推力器，微控制器根据推力输入指令，控制推力器的针阀的位移输出达到设定值，气体推力器工作，根据质量流量传感器与推力的对应关系，通过调节针阀位移控制喉部面积，控制系统根据质量流量传感器测量值完成非线性控制，由此实现推力的闭环控制输出。

本实施例的气体供应系统和方法，通过串级控制系统完成整个控制流程，可以获得更高的系统响应速度的同时，进一步提高了控制输出精度，增加了整个系统的抗干扰能力和自适应性。

控制系统的具体结构如下：

(1)位移闭环控制，压电陶瓷因为其蠕变特性和迟滞特性的影响。

在压电陶瓷作动器侧面贴合应变片后，根据应变片测量位移结果，经过位移控制器的解算及控制，可实现输入位移量在百nm量级的精确位移控制，这可以很好的消除蠕变特性及迟滞特性对于整个系统误差的影响。

(2)质量流量的闭环控制，在输入压力一定时，质量流量与系统推力有对应关系，根据这一原则气体推力器的压电陶瓷作动器带动针阀移动控制喉部面积来完成质量流量的控制，进而控制推力大小，这一控制过程中，针阀移动量由上级系统的质量流量传感器给出，实现阀门的打开，质量流量传感器对实时流量进行测量，实现质量流量的闭环控制。据此，位移闭环控制与质量流量控制形成串级控制系统，提高了系统的抗干扰能力及响应速度和输出精度。

(3)压力闭环控制，上游推进剂进入精密调压阀后，由调压阀对压力进行调节，输出设定压力值的推进剂，下游的第二压力传感器对下游压力进行监测，使得压力控制完成闭环控制。需要指出的是，当针阀位置不变时，调节压力大小会直接改变质量流大小，进而改变推力。

该系统能够通过调节压力大小，完成大推力输出及小推力输出两种模式，在一套系统中集成了压力调节和流量调节功能，可实现最大推力不小于5mN，大推力时比冲不小于60s(小推力不小于30s)的连续推力调节。可以提高卫星用于高精度姿态控制及无拖曳控制的控制精度，也可在大推力下完成小幅轨道机动，为卫星在轨的运动提供了备份。整个系统在设定压力调节为较大值时，可实现大推力的连续可调输出，设计最大值为5mN，可根据系统特性及应用需求提升，在设定压力调节为较小值时，可完成小推力的高分辨率精细控制连续输出。

本发明的系统和方法，具有宽调节比、高分辨率、低噪声的连续可调冷气(不参与系统化学反应的气体)推力喷嘴及其气体回路，可用于微小卫星高精度姿态控制及无拖曳控制等场景，可以提高卫星用于高精度姿态控制及无拖曳控制的控制精度，也可在大推力下完成小幅轨道机动，为卫星在轨的运动提供了备份。气体推进结构简单，在轨应用技术成熟，输出推力受影响因素少，直接物理量仅受到流量、压力等影响，具有很好的基础条件实现变推力连续可调应用。本发明整体尺寸小，质量轻，结构简单可靠性高，通过堆叠式压电陶瓷堆栈及高精度位移测量应变片完成气体比例阀推进器的高精度线性位移输出闭环控制，解决了压电陶瓷本身迟滞及蠕变特性造成的位移量非线性问题。同时压电陶瓷的应用使得整个系统响应速度较快，功耗小，更加切合微小卫星的应用场景。通过比例调节及推力器喷嘴的一体化设计，设计了一种耦合喉部面积大小控制及流量调节的结构，能够使得在推力器整个应用范围内，通过拉瓦尔喷管实现工作状态均处在超临界状态下，达到比冲最大化。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上游”、“下游”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.用于微小卫星的变推力气体推力器，其特征在于，包括第一定位滑动副、压电陶瓷作动器、作动器固定架、作动器支撑架、针阀、预紧弹簧、喷嘴以及套筒，所述第一定位滑动副同轴装配在所述套筒的一端，所述第一定位滑动副中心沿轴线开设有定位滑道，所述第一定位滑动副与喷嘴连接，所述套筒一端的四周装配有接头，所述接头通过气体扩散通道与喷嘴连通；所述作动器支撑架被限位在套筒内，所述作动器固定架活动设置在所述作动器支撑架上且能够相对于作动器支撑架沿所述套筒的轴向运动，所述压电陶瓷作动器设置在所述作动器固定架内；所述针阀一端固定在所述作动器固定架与作动器支撑架活动连接的一端，所述针阀滑动密封设置在所述定位滑道内且与所述喷嘴的喷口适配；所述作动器固定架背离所述作动器支撑架的一端通过预紧弹簧与套筒连接；

所述作动器支撑架呈U型结构，所述作动器固定架呈框型结构，所述框型结构的两侧开口分别朝向所述套筒的内侧壁布置，所述U型结构的开口朝向所述第一定位滑动副布置；所述U型结构贯穿所述框型结构一端的两侧开口设置，所述针阀的一端与所述框型结构的一端固定连接，所述压电陶瓷作动器设置在所述框型结构内且两端分别与所述框型结构背离所述作动器支撑架的一端内侧壁以及所述作动器支撑架连接。

2.根据权利要求1所述用于微小卫星的变推力气体推力器，其特征在于，所述第一定位滑动副背离所述套筒的一侧还连接有装配筒，所述喷嘴安装在所述装配筒上；所述装配筒靠近所述套筒的一端端面径向超出所述套筒的一端端面设置且超出部分形成环形的装配面，所述装配筒背离所述套筒的一端端面为出气面，所述接头安装在所述环形的装配面上；所述装配筒内形成有轴向布置并用于针阀密封活动通过的密封通道，所述气体扩散通道分别贯穿所述装配面以及出气面。

3.根据权利要求2所述用于微小卫星的变推力气体推力器，其特征在于，所述装配筒的外侧壁上设有环形台阶，所述喷嘴套设在所述装配筒的出气面四周且抵接在所述环形台阶上。

4.根据权利要求2所述用于微小卫星的变推力气体推力器，其特征在于，所述第一定位滑动副为环形台阶型结构，所述第一定位滑动副的大头端螺纹连接在所述套筒的一端内侧壁上，所述第一定位滑动副的小头端位于所述套筒外侧，所述装配筒套设并螺纹连接在所述第一定位滑动副的小头端；所述针阀通过环形密封环与所述装配筒的内侧壁密封活动连接。

5.根据权利要求1所述用于微小卫星的变推力气体推力器，其特征在于，所述套筒的内侧壁上设有限位台阶，所述作动器支撑架被限位在所述第一定位滑动副和所述限位台阶之间。

6.根据权利要求1所述用于微小卫星的变推力气体推力器，其特征在于，所述套筒内还设有第二定位滑动副，所述作动器固定架背离所述作动器支撑架的一端与第二定位滑动副的滑动部分通过螺纹连接，所述预紧弹簧套设在滑动部分外，所述预紧弹簧分别与所述第二定位滑动副和作动器固定架抵接。

7.根据权利要求1所述用于微小卫星的变推力气体推力器，其特征在于，所述套筒的另一端还螺纹连接有密封法兰，所述密封法兰与套筒之间密封连接，所述密封法兰上开设有用于线缆密封通过的线缆密封孔；所述压电陶瓷作动器采用堆叠式压电陶瓷作动器，所述压电陶瓷作动器的侧面贴合有测量位移的应变片。

8.根据权利要求2所述用于微小卫星的变推力气体推力器，其特征在于，所述喷嘴与装配筒通过密封圈密封连接，所述第一定位滑动副与套筒之间通过密封圈密封连接。

9.气体供应系统，其特征在于，包括权利要求1至8任一项所述的用于微小卫星的变推力气体推力器，还包括贮箱和供气管路，所述供气管路上沿供气方向依次设有第一压力传感器、安全阀、自锁阀、调压阀、第二压力传感器、稳压气容和质量流量传感器，所述供气管路上与所述第一压力传感器对应的位置还设有加注口，所述加注口处设有过滤器、截止阀和单向阀；所述套筒一端四周装配的接头分别通过气体管路与所述质量流量传感器连接；所述截止阀、压电陶瓷作动器、第一压力传感器、安全阀、自锁阀、调压阀、第二压力传感器和质量流量传感器分别与微控制器电控连接。

10.气体供应方法，其特征在于，采用权利要求9所述的气体供应系统实现，包括：

加注状态，加注口处的截止阀打开，加注口连接气源对整个气体供应系统进行推进剂加注，使推进剂进入贮箱，第一压力传感器实时检测推进剂加注压力并反馈给微控制器，并当加注压力达到预设加注压力时，微控制器控制截止阀关闭，完成加注；此时，安全阀工作，当加注压力超出预设加注压力时，安全阀完成泄放；同时，自锁阀处于锁紧状态，且自锁阀下游的供气管路处于关闭状态；

关闭状态，变推力气体推力器不工作，整个气体供应系统处于关闭状态，第一压力传感器和第二压力传感器实时检测供气管路的压力状态并反馈给微控制器；

工作状态，变推力气体推力器工作，截止阀处于关闭状态，推进剂经过供气管路各个功能部件调节压力后进入气体推力器，微控制器根据预设推力控制气体推力器的针阀移动至设定位置，实现气体推力器推力的闭环控制输出。