CN116772103A - 一种微电推进贮供系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微电推进贮供系统，其特征在于，包括：贮存模块、压力调节模块、流量调节模块、电源模块、控制模块，其中贮存模块、压力调节模块、流量调节模块通过不锈钢管道依次连接，模块与管道之间通过标准卡套连接；电源模块向压力调节模块和流量调节模块供电，控制模块实现压力和流量控制。该系统采用微型机械减压阀和压力传感器组合作为压力调节模块，实现相对于Bang‑Bang式更小的体积与质量，相对于比例式更低廉的成本，在减小系统体积与质量和经济性之间取得平衡；采用流量调节模块中毛细管与硅橡胶加热带的贴附方式，使硅橡胶加热带能直接贴附金属毛细管，无需毛细管外壳，减小模块体积与质量的同时提高加热效率。

Description

一种微电推进贮供系统

技术领域

本发明属于推进技术的微型贮供系统工质气体供给领域，具体是一种适用于微小卫星任务的微电推进贮供系统。

背景技术

随着航天动力技术的不断发展，电推进因高比冲、长寿命、小推力、控制精度高等特点，在南北位保、轨道转移等类型航天任务中得到了广泛应用。而近年来微小卫星的近地与深空探测任务大量涌现，为电推进技术提供了新的应用场合，同时也对电推进系统提出了新的要求。

贮供系统是电推进子系统之一，主要包含工质贮存、压力调节和流量调节等模块，承担着贮存工质并为下游电推力器供给的功能。传统贮供系统以大卫星任务为背景，往往沿袭化学推进系统的设计理念，在实现微流量供给(0.01～10mg/s)的同时有着庞大的体积与重量。而这不仅与微小卫星平台的要求相悖，也使得电推进比冲高的优势难以完全体现。

目前常见的微电推进贮供系统，根据压力调节模块不同可以分为2种：

(1)传统的Bang-Bang式贮供系统(如图1)通过调节多个串联电磁阀的开闭控制压力，在阀后缓冲罐内将产生的压力波动衰减到需要的压力范围内，再通过节流器的流量调节作用输出目标流量。

改进的Bang-Bang式(如图2)的压力模块包括电磁阀、减压阀、缓冲罐、加排阀和低压传感器等多个部件，系统根据缓冲罐内压力调节单个电磁阀开闭，工质气体经过减压阀减压流向流量控制模块。其优点在于简化了压力模块结构，降低了模块质量与体积；缺点是系统工作仍需电磁阀大量反复开闭以调节压力，电磁阀寿命受到限制。

(2)比例式贮供系统的典型结构如图3所示，其压力调节模块采用了比例流量控制阀(PFCV)，下游的低压压力传感器向比例/积分控制器(PI)提供反馈，控制器调节至PFCV的电流，改变阀口开度以提供所需的压力。经过调节的工质气体会通过节流孔的流量调节以恒定的流量向推力器等供给。

比例式微电推进贮供系统的优点是压力调节模块能够来实现下游压力的精确连续控制，压力调节精度高。但是比例阀的死区、蠕变及发热等非线性问题给控制带来了困难，且比例阀的成本相对较高，对系统经济性有一定影响。

此外，贮供系统也可根据流量调节模块不同进行分类，毛细管型流量调节模块在工程中应用广泛，是其中最为成功的类型之一。微电推进贮供系统中也发展了微型化的毛细管节流元件，典型结构如图4所示。毛细管型流量控制模块将毛细管缠绕在圆柱形块上，并容纳在外壳中，外壳连接了加热器，通过电加热毛细管来控制管内气体的粘度进而调节流量大小。其优点在于高可靠性、低成本和轻重量；缺点则是由于采用了管径更细的毛细管，加热器无法直接连接毛细管，而是设计了外壳，使结构更复杂，模块质量增加，加热效率降低。

综上，对于微电推进贮供系统的设计，其缺点和问题如下：

1.微电推进系统的体积与重量需要限制在一定范围内。而传统电推进贮供系统的压力调节模块一般采取Bang-Bang式或比例式：Bang-Bang式需要多个电磁阀与缓冲罐等组件，结构复杂，占用空间多、重量大，且受到电磁阀寿命的限制；而比例式经济成本过高，对低成本的微小卫星任务而言经济性难以接受；

2.微电推进贮供系统的流量调节模块采用“微毛细管+硅橡胶热控”模式时，由于微毛细管过细导致加热装置直接贴附管壁困难，需要在毛细管外加装金属外壳，通过壳体对毛细管内工质加热以控制流量，但外壳增加了系统重量与体积，也降低了加热效率。

因此在满足电推力器需求的前提下，改进微电推进贮供系统各模块的设计，实现低成本、小型化和轻质化具有重要的工程意义。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出微型机械式压力调节模块方案，实现相对于Bang-Bang式更小的体积与质量，相对于比例式更低廉的成本，在减小系统体积与质量和经济性之间取得平衡；设计流量调节模块中毛细管与硅橡胶加热器的贴附方式，使硅橡胶加热器能直接贴附金属毛细管，无需毛细管外壳，减小模块体积与质量的同时提高加热效率。

为了实现在减小系统体积与质量和提高经济性之间取得更好的平衡，本发明设计了以微型机械减压阀和压力传感器组合作为压力调节模块。这一方案减少了压力调节模块的部组件，降低了模块质量(模块质量小于200g，含连接件)，减少了模块占用的空间。微型机械减压阀的上、下游分别设置高压、低压压力传感器用以检测阀前阀后气压，通过调整减压阀竖杆位置可以改变弹簧和膜片的预压缩量达到不同的预紧力，预紧力与上下游气体工质压力共同作用在阀芯位置实现平衡。机械减压阀自身的压力负反馈调节机制则实现了上游高压工质经过减压阀被减压至预期值(通常在0.1～0.4MPa范围内)并保持稳定。同时，本发明中的模块成本也远低于比例式。

为了实现流量调节模块中硅橡胶加热器与毛细管的直接贴附以免去毛细管外壳设计，本发明设计了盘管结构，将细长的毛细管进行盘绕，形成三段毛细管紧密相邻的重叠结构。将硅橡胶加热带设计为条带形，并将条带形硅橡胶加热带在盘管重叠处做螺旋缠绕并用高温胶带固定。当硅橡胶加热带通电后可以直接加热毛细管，提高工质温度以改变其黏性进而实现工质质量流量调节。

本发明具体采用如下技术方案：

一种微电推进贮供系统，包括：贮存模块、压力调节模块、流量调节模块、电源模块、控制模块，其中贮存模块、压力调节模块、流量调节模块通过不锈钢管道依次连接，模块与管道之间通过标准卡套连接；电源模块向压力调节模块和流量调节模块供电，控制模块采集压力和流量信号，并通过温度调节实现流量控制。

优选的，所述贮存模块包括碳纤维气瓶、直通阀、第一自锁阀，其中碳纤维气瓶1用于贮存高压气体，直通阀用于气瓶加注工质气体时进行开关控制，系统工作时直通阀保持常开状态，第一自锁阀用于控制气瓶向压力调节模块供给工质气体的开关控制。

优选的，所述压力调节模块包括依次连接的高压压力传感器、微型机械减压阀、低压压力传感器，其中高压压力传感器用于检测微型机械减压阀的阀前气压，低压压力传感器用于检测微型机械减压阀的阀后气压，通过调整微型机械减压阀的竖杆位置改变弹簧和膜片的预压缩量达到不同的预紧力，预紧力与上下游气体工质压力共同作用在阀芯位置实现平衡。

优选的，所述流量调节模块包括硅橡胶加热带、不锈钢毛细管、第二自锁阀、质量流量传感器，其中不锈钢毛细管的上游与压力调节模块连接，下游与第二自锁阀、质量流量传感器依次连接，第二自锁阀用于控制向下游推力器或阴极供给工质气体，质量流量传感器用于流量监测；将不锈钢毛细管进行盘绕，形成三段毛细管紧密相邻的重叠结构，通过条带形的硅橡胶加热带在盘管重叠结构处做螺旋缠绕并用高温胶带固定，硅橡胶加热带通电后直接加热毛细管，提高毛细管中气体工质的温度以改变其黏性，实现工质质量流量调节。

优选的，电源模块包括电源处理单元，用于向第一自锁阀、第二自锁阀、高压压力传感器、低压压力传感器和质量流量传感器供电。

优选的，控制模块包括电脑控制系统和PID温度控制仪，电脑控制系统用于采集高压压力传感器、低压压力传感器和质量流量传感器的数据，实现压力和流量监测控制；PID温度控制仪用于硅橡胶加热带的温度控制。

优选的，所述压力调节模块和流量调节模块之间设置有金属过滤器和变径卡套，低压压力传感器、金属过滤器、变径卡套、不锈钢毛细管依次连接。

本发明与现有技术相比所具有的有益效果：

1.本发明中贮供系统的压力调节模块采用微型机械式，成本低，需要的部组件数量少，模块质量小，占用空间更少，在微小卫星任务领域弥补了Bang-Bang式和比例式的不足。

2.流量调节模块中免去了毛细管外壳的设计，降低了模块质量与体积，提高了加热器的加热效率，缩短了流量调节的响应时间。

3.全系统采用标准不锈钢管道与卡套进行搭建，有配套的标准连接件，加工安装快捷快速，可根据实际情况调节、替换和增添部组件，适用性广，系统成本低。

4.本发明的相关设计与方法在其他微电推进贮供系统中也可以参考和推广使用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，通过参考附图可以更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中典型Bang-Bang式贮供系统；

图2为现有技术中一种改进的Bang-Bang式贮供系统；

图3为现有技术中典型比例式贮供系统；

图4为现有技术中典型毛细管流量调节模块；

图5为本发明整体结构示意图；

图6为本发明流量调节模块中盘绕的毛细管与加热器固定的示意图；

图5和图6中：1-碳纤维气瓶；2-直通阀；3-弯角卡套；4-电源处理单元；5-电脑控制系统；6-第一自锁阀；7-高压压力传感器；8-微型机械减压阀；9-低压压力传感器；10-金属过滤器；11-变径卡套；12-硅橡胶加热带；13-不锈钢毛细管；14-第二自锁阀；15-质量流量传感器；16-PID温度控制仪。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。

一种微电推进贮供系统，如图5所示，包括贮存模块、压力调节模块、流量调节模块、电源模块、控制模块，其中贮存模块、压力调节模块、流量调节模块通过不锈钢管道依次连接，模块与管道之间通过标准卡套连接；电源模块向压力调节模块和流量调节模块供电，控制模块采集压力和流量信号，并通过温度调节实现流量控制。

具体的，贮存模块包括碳纤维气瓶1、直通阀2、第一自锁阀6，其中碳纤维气瓶1用于贮存高压气体，直通阀2用于气瓶加注工质气体时进行开关控制，系统工作时直通阀保持常开状态，第一自锁阀6用于用于控制气瓶向压力调节模块供给工质气体的开关控制。

压力调节模块包括依次连接的高压压力传感器7、微型机械减压阀8、低压压力传感器9，其中高压压力传感器7用于检测微型机械减压阀8的阀前气压，低压压力传感器9用于检测微型机械减压阀8的阀后气压，通过调整微型机械减压阀8的竖杆位置可以改变弹簧和膜片的预压缩量达到不同的预紧力，预紧力与上下游气体工质压力共同作用在阀芯位置实现平衡。微型机械减压阀8自身的压力负反馈调节机制则实现了上游高压工质经过减压阀被减压至预期值(通常在0.1～0.4MPa范围内)并保持稳定。微型机械减压阀8相比于传统大型贮供系统的机械减压阀重量减轻至80g以下，包络尺寸为27mm×27mm×35mm。

流量调节模块包括硅橡胶加热带12、不锈钢毛细管13、第二自锁阀14、质量流量传感器15，其中不锈钢毛细管13的上游与压力调节模块连接，下游与第二自锁阀14、质量流量传感器15依次连接，第二自锁阀14用于控制向下游推力器或阴极供给工质气体，质量流量传感器15用于流量监测。为了实现流量调节模块中硅橡胶加热带12与毛细管13的直接贴附以免去毛细管外壳设计，本发明设计了如图2所示的盘管结构，将细长的毛细管进行盘绕，形成三段毛细管紧密相邻的重叠结构。将硅橡胶加热带12设计为条带形，并将条带形硅橡胶加热带12在盘管重叠处做螺旋缠绕并用高温胶带固定。当硅橡胶加热带12通电后可以直接加热毛细管13，提高工质温度以改变其黏性进而实现工质质量流量调节。

电源模块包括电源处理单元4，用于向第一自锁阀6、第二自锁阀14、高压压力传感器7、低压压力传感器9和质量流量传感器15供电。

控制模块包括电脑控制系统5和PID温度控制仪16，电脑控制系统5用于采集高压压力传感器7、低压压力传感器9和质量流量传感器15的数据，实现压力和流量监测控制；PID温度控制仪16用于硅橡胶加热带12的温度控制。

进一步的，为了更好的连接压力调节模块和流量调节模块、过滤气体，还可以设置金属过滤器10和变径卡套11，低压压力传感器9、金属过滤器10、变径卡套11、不锈钢毛细管13依次连接。

微电推进贮供系统的工作运行过程：

1.气体工质通过微机械式压力调节模块实现减压并稳压。

高压碳纤维气瓶1中贮存的气体工质，在第一自锁阀6打开后(工作过程中保持常开)，通过管道到达微型机械减压阀8的阀芯处。通过预设减压阀竖杆位置，可以确定弹簧及膜片的预紧力。高压气体通过阀口时，受到节流作用而减压，且随着气体压力与预紧力趋于平衡，阀芯不再移动，即节流面积不再变化。稳定的低压气体从阀口流向下游管道。高压压力传感器7、低压压力传感器9在预设和正常工作阶段被用于压力监测。

2.气体工质通过热毛细管实现流量调节功能。

低压气体流向热毛细管13，由于流通面积的缩小，再次受到节流作用而实现流量减小的效果。毛细管的长度与管径直接决定了气体经过调节后的流量大小，根据电推力器需求进行预实验即可确定详细参数。当气体工质在毛细管中流动时，加热器通过管壁加热气体，温度改变引起粘性变化从而实现工质流量的热式调节，使其以高精度满足系统需求。其中，加热器采用PID控制，而质量流量传感器15在预实验和正常工作阶段被用于流量监测。

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。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之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，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”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种微电推进贮供系统，其特征在于，包括：贮存模块、压力调节模块、流量调节模块、电源模块、控制模块，其中贮存模块、压力调节模块、流量调节模块通过不锈钢管道依次连接，模块与管道之间通过标准卡套连接；电源模块向压力调节模块和流量调节模块供电，控制模块采集压力和流量信号，并通过温度调节实现流量控制。

2.根据权利要求1所述的一种微电推进贮供系统，其特征在于，所述贮存模块包括碳纤维气瓶、直通阀、第一自锁阀，其中碳纤维气瓶1用于贮存高压气体，直通阀用于气瓶加注工质气体时进行开关控制，系统工作时直通阀保持常开状态，第一自锁阀用于控制气瓶向压力调节模块供给工质气体的开关控制。

3.根据权利要求2所述的一种微电推进贮供系统，其特征在于，所述压力调节模块包括依次连接的高压压力传感器、微型机械减压阀、低压压力传感器，其中高压压力传感器用于检测微型机械减压阀的阀前气压，低压压力传感器用于检测微型机械减压阀的阀后气压，通过调整微型机械减压阀的竖杆位置改变弹簧和膜片的预压缩量达到不同的预紧力，预紧力与上下游气体工质压力共同作用在阀芯位置实现平衡。

4.根据权利要求3所述的一种微电推进贮供系统，其特征在于，所述流量调节模块包括硅橡胶加热带、不锈钢毛细管、第二自锁阀、质量流量传感器，其中不锈钢毛细管的上游与压力调节模块连接，下游与第二自锁阀、质量流量传感器依次连接，第二自锁阀用于控制向下游推力器或阴极供给工质气体，质量流量传感器用于流量监测；将不锈钢毛细管进行盘绕，形成三段毛细管紧密相邻的重叠结构，通过条带形的硅橡胶加热带在盘管重叠结构处做螺旋缠绕并用高温胶带固定，硅橡胶加热带通电后直接加热毛细管，提高毛细管中气体工质的温度以改变其黏性，实现工质质量流量调节。

5.根据权利要求4所述的一种微电推进贮供系统，其特征在于，电源模块包括电源处理单元，用于向第一自锁阀、第二自锁阀、高压压力传感器、低压压力传感器和质量流量传感器供电。

6.根据权利要求5所述的一种微电推进贮供系统，其特征在于，控制模块包括电脑控制系统和PID温度控制仪，电脑控制系统用于采集高压压力传感器、低压压力传感器和质量流量传感器的数据，实现压力和流量监测控制；PID温度控制仪用于硅橡胶加热带的温度控制。

7.根据权利要求6所述的一种微电推进贮供系统，其特征在于，所述压力调节模块和流量调节模块之间设置有金属过滤器和变径卡套，低压压力传感器、金属过滤器、变径卡套、不锈钢毛细管依次连接。