CN116717720A - 空间电推进系统及用氙气加注方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种空间电推进系统及用氙气加注方法，适用于采用高纯氙气作为工质的电推进系统的加注试验。本发明通过合理设计加注流程，在保证氙气加注量精度的前提下，可在整星不称重的前提下进行氙气加注，具有加注装置简单高效，加注准备时间短，氙气加注过程精确可控，安全便捷等优点，能够有效满足卫星高纯氙气快速加注任务要求。
Description
技术领域
本发明涉及空间电推进的技术领域，具体地，涉及空间电推进系统用氙气加注方法。
背景技术
电推进系统被广泛应用于空间飞行器，其作用为空间飞行器的南北位置保持、姿态控制、轨道控制和轨道转移。目前，主流的电推进系统氙气加注方案为热增压加注系统方案。此加注一般采用对星上氙气瓶称重的方法来控制氙气加注量。由于电推进系统氙气瓶多与整星舱板耦合，而氙气加注一般在整星发射前最后阶段进行。整星在此阶段已完成所有装配，故氙气加注需对整星进行称重。对于不同构型的空间飞行器需设计专用转接工装将卫星停放至电子秤，或将整星起吊进行称重。对于大型空间飞行器难以将整星进行称重。并且氙气加注量相对于整星为小量，对于电子秤量程和精度都提出较高要求。
发明人认为现有的氙气加注方法过分依赖于整星称重设备，不利于加注准备工作的快速开展。因此需要提供一种氙气快速加注方法，使得氙气加注不依赖于整星称重，具有加注装置简单高效，加注准备时间短，氙气加注过程精确可控，安全便捷等优点，能够有效满足卫星高纯氙气快速加注任务要求。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种空间电推进系统及用氙气加注方法。
根据本发明提供的一种空间电推进系统，包括：氙气储罐、气源阀、热增压装置、热增压装置电子秤、液氮阀、液氮罐、热增压装置压力表、热增压装置出口阀、真空泵、真空阀、冷却装置、星上气瓶入口压力表、加注阀、星上气瓶；
所述氙气储罐通过气源阀与热增压装置连接；所述热增压装置电子秤用于热增压装置称重；所述热增压装置出口设置有热增压装置压力表和热增压装置出口阀；所述液氮罐通过液氮阀与热增压装置连接；所述星上气瓶通过加注阀与冷却装置连接，所述加注阀入口设置星上气瓶入口压力表；所述真空泵通过真空阀与冷却装置连接；所述真空泵通过真空阀与热增压装置。
本发明还提供一种空间电推进系统的用氙气加注方法，所述方法应用上述中的空间电推进系统，所述方法包括如下步骤：
步骤S1：星上气瓶已置换完毕，氙气纯度满足要求；打开真空泵和真空阀，打开加注阀，关闭热增压装置出口阀，将星上气瓶和热增压装置出口阀后端管路抽真空，准备氙气加注；
步骤S2：打开气源阀，将氙气储罐中的氙气填充至热增压装置；
步骤S3：打开热增压装置出口阀，关闭星上气瓶加注阀，观察星上气瓶入口压力表，充填预设量的氙气至加注装置内管路；
步骤S4：对热增压装置内高压氙气加热，当热增压装置压力表内压力高于星上气瓶入口压力表压力时，打开热增压装置出口阀和星上气瓶加注阀，对星上气瓶进行加注；热增压装置电子秤读数持续下降，当读数接近W0时，则停止加热并且关闭热增压装置出口阀；记录此时热增压装置电子秤读数V1；此时星上气瓶氙气加注量R1＝W1-V1；
步骤S5：重复步骤S2和步骤S4，直至氙气加注量R1接近并小于要求值E；
步骤S6：关闭星上气瓶加注阀，记录此刻热增压装置电子秤读数U1，记录星上气瓶入口压力表读数P1；监视星上气瓶入口压力表规定时间T2不再变化，确认管路内气体温度已稳定至预设温度T0；打开热增压装置出口阀，打开液氮阀，将加注装置管路内氙气回吸至热增压装置；
步骤S7：计算热增压罐氙气目标值U3＝(E-R2)+U2+W0a；打开气源阀，打开液氮阀，将氙气储罐内氙气吸入热增压装置并进行称重；吸入量达到要求值U3时，关闭气源阀和液氮阀；阀门关闭后，静置规定时间T1等待液氮完全气化，期间观察热增压装置电子秤；
步骤S8：对热增压装置内高压氙气加热，当热增压装置内压力高于星上气瓶入口压力表读数P1时，打开热增压装置出口阀，打开星上气瓶加注阀进行加注；热增压装置电子秤读数持续下降至U1时，停止加热并且关闭热增压装置出口阀和星上气瓶加注阀，至此氙气加注结束。
优选地，所述步骤S1中，打开冷却装置，将加注装置内管路温度控制设置为T0；记录热增压装置电子秤初始读数W0。
优选地，所述步骤S2中，氙气储罐和热增压装置压力平衡后，打开液氮阀，利用氙气物理特性，将氙气储罐内氙气吸入热增压装置并进行称重；吸入量达到要求值时，关闭气源阀和液氮阀；阀门关闭后，静置规定时间T1等待液氮完全气化，期间观察热增压装置电子秤读数；若热增压装置电子秤读数在规定时间T1不再发生变化，则确认液氮完全气化，此时记录热增压装置电子秤读数W1；第1次转注，热增压装置电子秤读数W1；第2次转注，热增压装置电子秤读数W2…依次类推，第n次转注，热增压装置电子秤读数Wn。
优选地，所述步骤S3中，充填完毕后,记录热增压装置电子秤读数W1b；加注装置管路预设氙气重量W0a＝W1-W1b。
优选地，所述步骤S3中，充填氙气的预设压力值P0。
优选地，所述步骤S4中，第1次加注，热增压装置电子秤读数V1；第2次加注，热增压装置电子秤读数V2…依次类推，第n次加注，热增压装置电子秤读数Vn；星上气瓶氙气加注量为R1＝(W1-V1)+(W2-V2)…+(Wn-Vn)。
优选地，所述步骤S6中，当星上气瓶入口压力表等于预设压力值P0时，关闭液氮阀和热增压装置出口阀；若热增压装置电子秤读数在规定时间T1不再发生变化，则确认液氮完全气化，此时记录热增压装置电子秤读数U2；此时星上气瓶氙气加注量R2＝(W1-V1)+(W2-V2)…+(Wn-Vn)-(U2-U1)-W0a。
优选地，所述步骤S6中，确认冷却装置内管路温度控制设置为T0。
优选地，所述步骤S7中，若热增压装置电子秤读数在规定时间T1内不再发生变化，则确认液氮完全气化，此时记录热增压装置电子秤读数M1；若|M1-U3|误差值在可接受水平内则进入步骤S6；若误差值偏大，则重复进行步骤S5操作，直至M1读数到达要求值U3。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明通过合理设计加注方法，在保证氙气加注量精度的前提下，使得氙气加注可不依赖于整星称重；对于无法进行整星称重的卫星，此方法适用；
2、本发明通过合理设计加注方法，对氙气加注装置进行了简化；降低了氙气加注装置的制造成本，并且仍然保证了氙气加注过程的安全性和可靠性，加注方法可操作性强；
3、本发明涉及的氙气加注方法其加注重量误差主要取决于电子秤测量误差和氙气加注装置内气体残留重量误差；电子秤测量误差为系统误差，所有氙气加注方法都无法消除；通过对氙气加注装置内部管路内气体精确控温以及重量标定，可将氙气加注装置内气体残留重量误差消除，保证氙气加注量精确可控；并且此标定针对同一氙气加注装置只需进行一次，无需重复标定，简化了氙气加注流程。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的氙气加注装置的组成示意图；
图2为本发明的氙气加注方法的流程示意图。
其中：
氙气储罐1 热增压装置出口阀8
气源阀2 真空泵9
热增压装置3 真空阀10
热增压装置电子秤4 冷却装置11
液氮阀5 星上气瓶入口压力表12
液氮罐6 加注阀13
热增压装置压力表7 星上气瓶14
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例：
根据本发明提供的一种空间电推进系统，包括：氙气储罐1、气源阀2、热增压装置3、热增压装置电子秤4、液氮阀5、液氮罐6、热增压装置压力表7、热增压装置出口阀8、真空泵9、真空阀10、冷却装置11、星上气瓶入口压力表12、加注阀13、星上气瓶14；氙气储罐1通过气源阀2与热增压装置3连接；热增压装置电子秤4用于热增压装置3称重；热增压装置3出口设置有热增压装置压力表7和热增压装置出口阀8；液氮罐6通过液氮阀5与热增压装置3连接；星上气瓶14通过加注阀13与冷却装置11连接，加注阀13入口设置星上气瓶入口压力表12；真空泵9通过真空阀10与冷却装置11连接；真空泵9通过真空阀10与热增压装置3。
本发明还提供一种空间电推进系统的用氙气加注方法，方法应用上述中的空间电推进系统，方法如图2所示，包括如下步骤：
步骤S1：星上气瓶14已置换完毕，氙气纯度满足要求；打开真空泵9和真空阀10，打开加注阀13，关闭热增压装置出口阀8，将星上气瓶14和热增压装置出口阀8后端管路抽真空，准备氙气加注；打开冷却装置11，将加注装置内管路温度控制设置为T0；记录热增压装置电子秤4初始读数W0。
步骤S2：打开气源阀2，将氙气储罐1中的氙气填充至热增压装置3；氙气储罐1和热增压装置3压力平衡后，打开液氮阀5，利用氙气物理特性，将氙气储罐1内氙气吸入热增压装置3并进行称重；吸入量达到要求值时，关闭气源阀2和液氮阀5；阀门关闭后，静置规定时间T1等待液氮完全气化，期间观察热增压装置电子秤4读数；若热增压装置电子秤4读数在规定时间T1不再发生变化，则确认液氮完全气化，此时记录热增压装置电子秤4读数W1；第1次转注，热增压装置电子秤4读数W1；第2次转注，热增压装置电子秤4读数W2…依次类推，第n次转注，热增压装置电子秤4读数Wn。
步骤S3：打开热增压装置出口阀8，关闭星上气瓶14加注阀13，观察星上气瓶入口压力表12，充填预设量的氙气至加注装置内管路；充填完毕后,记录热增压装置电子秤4读数W1b；加注装置管路预设氙气重量W0a＝W1-W1b；充填氙气的预设压力值P0。
步骤S4：对热增压装置3内高压氙气加热，当热增压装置压力表7内压力高于星上气瓶入口压力表12压力时，打开热增压装置出口阀8和星上气瓶14加注阀13，对星上气瓶14进行加注；热增压装置电子秤4读数持续下降，当读数接近W0时，则停止加热并且关闭热增压装置出口阀8；记录此时热增压装置电子秤4读数V1；此时星上气瓶14氙气加注量R1＝W1-V1；第1次加注，热增压装置电子秤4读数V1；第2次加注，热增压装置电子秤4读数V2…依次类推，第n次加注，热增压装置电子秤4读数Vn；星上气瓶14氙气加注量为R1＝W1-V1+W2-V2…+(Wn-Vn)。
步骤S5：重复步骤S2和步骤S4，直至氙气加注量R1接近并小于要求值E；
步骤S6：关闭星上气瓶14加注阀13，记录此刻热增压装置电子秤4读数U1，记录星上气瓶入口压力表12读数P1；监视星上气瓶入口压力表12规定时间T2不再变化，确认管路内气体温度已稳定至预设温度T0；打开热增压装置出口阀8，打开液氮阀5，将加注装置管路内氙气回吸至热增压装置3；当星上气瓶入口压力表12等于预设压力值P0时，关闭液氮阀5和热增压装置出口阀8；若热增压装置电子秤4读数在规定时间T1不再发生变化，则确认液氮完全气化，此时记录热增压装置电子秤4读数U2；此时星上气瓶14氙气加注量R2＝W1-V1+W2-V2…+(Wn-Vn)-U2-U1-W0a；确认冷却装置11内管路温度控制设置为T0。
步骤S7：计算热增压罐氙气目标值U3＝(E-R2)+U2+W0a；打开气源阀2，打开液氮阀5，将氙气储罐1内氙气吸入热增压装置3并进行称重；吸入量达到要求值U3时，关闭气源阀2和液氮阀5；阀门关闭后，静置规定时间T1等待液氮完全气化，期间观察热增压装置电子秤4；若热增压装置电子秤4读数在规定时间T1内不再发生变化，则确认液氮完全气化，此时记录热增压装置电子秤4读数M1；若|M1-U3|误差值在可接受水平内则进入步骤S6；若误差值偏大，则重复进行步骤S5操作，直至M1读数到达要求值U3。
步骤S8：对热增压装置3内高压氙气加热，当热增压装置3内压力高于星上气瓶入口压力表12读数P1时，打开热增压装置出口阀8，打开星上气瓶14加注阀13进行加注；热增压装置电子秤4读数持续下降至U1时，停止加热并且关闭热增压装置出口阀8和星上气瓶14加注阀13，至此氙气加注结束。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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申请和简化描述，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申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.一种空间电推进系统，其特征在于，包括：氙气储罐(1)、气源阀(2)、热增压装置(3)、热增压装置电子秤(4)、液氮阀(5)、液氮罐(6)、热增压装置压力表(7)、热增压装置出口阀(8)、真空泵(9)、真空阀(10)、冷却装置(11)、星上气瓶入口压力表(12)、加注阀(13)、星上气瓶(14)；
所述氙气储罐(1)通过气源阀(2)与热增压装置(3)连接；所述热增压装置电子秤(4)用于热增压装置(3)称重；所述热增压装置(3)出口设置有热增压装置压力表(7)和热增压装置出口阀(8)；所述液氮罐(6)通过液氮阀(5)与热增压装置(3)连接；所述星上气瓶(14)通过加注阀(13)与冷却装置(11)连接，所述加注阀(13)入口设置星上气瓶入口压力表(12)；所述真空泵(9)通过真空阀(10)与冷却装置(11)连接；所述真空泵(9)通过真空阀(10)与热增压装置(3)。
2.一种空间电推进系统的用氙气加注方法，其特征在于，所述方法应用如权利要求1所述的空间电推进系统，所述方法包括如下步骤：
步骤S1：星上气瓶(14)已置换完毕，氙气纯度满足要求；打开真空泵(9)和真空阀(10)，打开加注阀(13)，关闭热增压装置出口阀(8)，将星上气瓶(14)和热增压装置出口阀(8)后端管路抽真空，准备氙气加注；
步骤S2：打开气源阀(2)，将氙气储罐(1)中的氙气填充至热增压装置(3)；
步骤S3：打开热增压装置出口阀(8)，关闭星上气瓶(14)加注阀(13)，观察星上气瓶入口压力表(12)，充填预设量的氙气至加注装置内管路；
步骤S4：对热增压装置(3)内高压氙气加热，当热增压装置压力表(7)内压力高于星上气瓶入口压力表(12)压力时，打开热增压装置出口阀(8)和星上气瓶(14)加注阀(13)，对星上气瓶(14)进行加注；热增压装置电子秤(4)读数持续下降，当读数接近W0时，则停止加热并且关闭热增压装置出口阀(8)；记录此时热增压装置电子秤(4)读数V1；此时星上气瓶(14)氙气加注量R1＝W1-V1；
步骤S5：重复步骤S2和步骤S4，直至氙气加注量R1接近并小于要求值E；
步骤S6：关闭星上气瓶(14)加注阀(13)，记录此刻热增压装置电子秤(4)读数U1，记录星上气瓶入口压力表(12)读数P1；监视星上气瓶入口压力表(12)规定时间T2不再变化，确认管路内气体温度已稳定至预设温度T0；打开热增压装置出口阀(8)，打开液氮阀(5)，将加注装置管路内氙气回吸至热增压装置(3)；
步骤S7：计算热增压罐氙气目标值U3＝(E-R2)+U2+W0a；打开气源阀(2)，打开液氮阀(5)，将氙气储罐(1)内氙气吸入热增压装置(3)并进行称重；吸入量达到要求值U3时，关闭气源阀(2)和液氮阀(5)；阀门关闭后，静置规定时间T1等待液氮完全气化，期间观察热增压装置电子秤(4)；
步骤S8：对热增压装置(3)内高压氙气加热，当热增压装置(3)内压力高于星上气瓶入口压力表(12)读数P1时，打开热增压装置出口阀(8)，打开星上气瓶(14)加注阀(13)进行加注；热增压装置电子秤(4)读数持续下降至U1时，停止加热并且关闭热增压装置出口阀(8)和星上气瓶(14)加注阀(13)，至此氙气加注结束。
3.根据权利要求2所述的空间电推进系统的用氙气加注方法，其特征在于，所述步骤S1中，打开冷却装置(11)，将加注装置内管路温度控制设置为T0；记录热增压装置电子秤(4)初始读数W0。
4.根据权利要求2所述的空间电推进系统的用氙气加注方法，其特征在于，所述步骤S2中，氙气储罐(1)和热增压装置(3)压力平衡后，打开液氮阀(5)，利用氙气物理特性，将氙气储罐(1)内氙气吸入热增压装置(3)并进行称重；吸入量达到要求值时，关闭气源阀(2)和液氮阀(5)；阀门关闭后，静置规定时间T1等待液氮完全气化，期间观察热增压装置电子秤(4)读数；若热增压装置电子秤(4)读数在规定时间T1不再发生变化，则确认液氮完全气化，此时记录热增压装置电子秤(4)读数W1；第1次转注，热增压装置电子秤(4)读数W1；第2次转注，热增压装置电子秤(4)读数W2…依次类推，第n次转注，热增压装置电子秤(4)读数Wn。
5.根据权利要求2所述的空间电推进系统的用氙气加注方法，其特征在于，所述步骤S3中，充填完毕后,记录热增压装置电子秤(4)读数W1b；加注装置管路预设氙气重量W0a＝W1-W1b。
6.根据权利要求2所述的空间电推进系统的用氙气加注方法，其特征在于，所述步骤S3中，充填氙气的预设压力值P0。
7.根据权利要求2所述的空间电推进系统的用氙气加注方法，其特征在于，所述步骤S4中，第1次加注，热增压装置电子秤(4)读数V1；第2次加注，热增压装置电子秤(4)读数V2…依次类推，第n次加注，热增压装置电子秤(4)读数Vn；星上气瓶(14)氙气加注量为R1＝(W1-V1)+(W2-V2)…+(Wn-Vn)。
8.根据权利要求2所述的空间电推进系统的用氙气加注方法，其特征在于，所述步骤S6中，当星上气瓶入口压力表(12)等于预设压力值P0时，关闭液氮阀(5)和热增压装置出口阀(8)；若热增压装置电子秤(4)读数在规定时间T1不再发生变化，则确认液氮完全气化，此时记录热增压装置电子秤(4)读数U2；此时星上气瓶(14)氙气加注量R2＝(W1-V1)+(W2-V2)…+(Wn-Vn)-(U2-U1)-W0a。
9.根据权利要求2所述的空间电推进系统的用氙气加注方法，其特征在于，所述步骤S6中，确认冷却装置(11)内管路温度控制设置为T0。
10.根据权利要求2所述的空间电推进系统的用氙气加注方法，其特征在于，所述步骤S7中，若热增压装置电子秤(4)读数在规定时间T1内不再发生变化，则确认液氮完全气化，此时记录热增压装置电子秤(4)读数M1；若|M1-U3|误差值在可接受水平内则进入步骤S6；若误差值偏大，则重复进行步骤S5操作，直至M1读数到达要求值U3。
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