本發(fā)明涉及微納衛(wèi)星軌道控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于微納衛(wèi)星的自主汽化管理方法及液氨微推進(jìn)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

微納衛(wèi)星的在軌機(jī)動(dòng)能力是決定其任務(wù)功能的一個(gè)重要因素，而微推進(jìn)系統(tǒng)是實(shí)施軌道機(jī)動(dòng)的核心執(zhí)行機(jī)構(gòu)。微納衛(wèi)星的整星資源有限，其推進(jìn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、體積、功耗、推進(jìn)工質(zhì)等都受到較高的制約，相比于常規(guī)衛(wèi)星而言劣勢(shì)明顯。因此，常規(guī)推進(jìn)系統(tǒng)的性能難以滿足微納衛(wèi)星需要，成為微納衛(wèi)星拓展在軌應(yīng)用的主要限制條件。

液化氣推進(jìn)技術(shù)作為成熟的微推進(jìn)技術(shù)之一得到了廣泛應(yīng)用。部分推進(jìn)系統(tǒng)直接利用液化氣的過(guò)熱閃蒸特性產(chǎn)生推力，該方法會(huì)使推進(jìn)劑噴流夾雜液滴，推力不夠穩(wěn)定且比沖較低；自帶汽化加熱裝置的推進(jìn)系統(tǒng)，通常在汽化過(guò)程中采用落壓式設(shè)計(jì)，落壓比通常較高，推力大小也不易控制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于微納衛(wèi)星的自主汽化管理方法及液氨微推進(jìn)系統(tǒng)，該方法及系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)恒壓式汽化或增壓汽化，有利于提高輸出比沖，并可通過(guò)調(diào)節(jié)推力前壓力控制輸出推力的大小。

本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明的自主汽化管理方法，是由盛裝液氨推進(jìn)劑的貯罐、截止閥與汽化器依次連接構(gòu)成汽化裝置，對(duì)汽化器進(jìn)行加熱使其中的液氨推進(jìn)劑完全汽化，從而實(shí)現(xiàn)恒壓或增壓汽化。

本發(fā)明的自主汽化管理液氨微推進(jìn)系統(tǒng)包括：MCU控制器、加排隔離閥、用于盛裝液氨推進(jìn)劑的貯罐、截止閥、汽化器、緩沖器、+X面推力器、-X面推力器、貯罐加熱片、截止閥加熱片、汽化器加熱片、貯罐溫度傳感器、貯罐壓力傳感器、截止閥溫度傳感器、緩沖器壓力傳感器；加排隔離閥、貯罐、截止閥、汽化器、緩沖器順次相連，緩沖器與+X面推力器和-X面推力器分別相連；MCU控制器分別與截止閥、+X面推力器、-X面推力器、貯罐加熱片、截止閥加熱片、汽化器加熱片相連；貯罐溫度傳感器、貯罐壓力傳感器、截止閥溫度傳感器、緩沖器壓力傳感器分別與MCU控制器相連，將各傳感器檢測(cè)的信息傳輸至MCU控制器。

上述技術(shù)方案中，所述的汽化器通常設(shè)計(jì)為篩型汽化器，是在汽化器內(nèi)開(kāi)有兩條導(dǎo)槽和若干平行篩孔，所述篩孔設(shè)于兩條導(dǎo)槽之間并將兩條導(dǎo)槽導(dǎo)通，其中一條導(dǎo)槽一端開(kāi)有液氨流入口，另一條導(dǎo)槽的另一端開(kāi)有氨氣流出口，兩導(dǎo)槽的其余兩端皆封閉，即：兩條導(dǎo)槽錯(cuò)開(kāi)一個(gè)孔位，通過(guò)錯(cuò)位導(dǎo)槽的結(jié)構(gòu)，形成一條液氨流入通道和一條氨氣流出通道，液氨從液氨流入口流入汽化器，流經(jīng)篩孔，加熱后完全汽化，再?gòu)陌睔饬鞒鐾ǖ懒鞒鲋疗髂┒说陌睔饬鞒隹?。采用篩型汽化器的設(shè)計(jì)提高了推進(jìn)劑與汽化器的接觸面積，也同時(shí)提高了汽化器的熱容，更有利于液氨推進(jìn)劑的完全汽化，從而進(jìn)一步提高氣態(tài)推進(jìn)劑的內(nèi)能，提高輸出比沖。

所述的緩沖器還可與篩型汽化器設(shè)計(jì)為一體化結(jié)構(gòu)，緩沖器的腔體與篩型汽化器的末端固連，氨氣流出口直接與該腔體連通，即：液氨經(jīng)汽化器完全汽化后從氨氣流出口單側(cè)導(dǎo)入緩沖器腔體內(nèi)。通過(guò)汽化器加熱片對(duì)一體化的緩沖器及汽化器進(jìn)行加熱可以更好地控制輸出推力的大小。

上述微推進(jìn)系統(tǒng)的布局方式如下：

所述的貯罐布置在整個(gè)微推進(jìn)系統(tǒng)的幾何中心，汽化器為弧形彎曲的包帶式結(jié)構(gòu)，包裹在貯罐表面，使汽化器質(zhì)心與貯罐的中心重合，貯罐質(zhì)心與推進(jìn)系統(tǒng)質(zhì)心以及整星質(zhì)心重合，+X面推力器和-X面推力器對(duì)稱(chēng)布置于貯罐兩側(cè)且推力線通過(guò)貯罐質(zhì)心，汽化器與貯罐留有間隙，貯罐加熱片、汽化器加熱片位于間隙處分別貼裝于貯罐及汽化器表面，間隙內(nèi)設(shè)有多層隔溫材料，其他部件布置在貯罐周?chē)?。采用上述布局方式，可使得貯罐、汽化器這兩個(gè)系統(tǒng)主要組成和重量構(gòu)成部分質(zhì)心重合，位于推力線中心，同時(shí)也是整星的質(zhì)心。這種設(shè)計(jì)使推進(jìn)系統(tǒng)在工作過(guò)程中質(zhì)心始終不變，無(wú)需姿態(tài)控制系統(tǒng)考慮推進(jìn)劑消耗帶來(lái)的整星質(zhì)心偏移。此外，汽化加熱裝置的弧形彎曲設(shè)計(jì)，最大程度地提高了系統(tǒng)的空間利用率。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的有益效果：

1)本發(fā)明的自主汽化管理方法彌補(bǔ)了傳統(tǒng)汽化裝置存在較大的壓力損失的缺陷，同時(shí)保證液化氣推進(jìn)劑得到完全汽化；

2)本發(fā)明的自主汽化管理液氨微推進(jìn)系統(tǒng)，可以提供大小可精確調(diào)節(jié)的毫牛量級(jí)推力，且輸出較高比沖；

3)本發(fā)明的液氨微推進(jìn)系統(tǒng)還可對(duì)貯罐內(nèi)液氨推進(jìn)劑余量進(jìn)行精確測(cè)量，并且僅利用系統(tǒng)已有的功能部件實(shí)現(xiàn)，最大程度地降低了系統(tǒng)的復(fù)雜程度。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的自主汽化管理液氨微推進(jìn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是液化氣自主汽化的過(guò)程和原理示意圖；

圖3是微推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及布局的模擬裝配圖；

圖4是篩型汽化器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是篩型汽化器與緩沖器一體化設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

微納衛(wèi)星的在軌機(jī)動(dòng)能力是決定其任務(wù)功能的一個(gè)重要因素，而微推進(jìn)系統(tǒng)是實(shí)施軌道機(jī)動(dòng)的核心執(zhí)行機(jī)構(gòu)。微納衛(wèi)星的整星資源有限，其推進(jìn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、體積、功耗、推進(jìn)工質(zhì)等都受到較高的制約，相比于常規(guī)衛(wèi)星而言劣勢(shì)明顯。因此，常規(guī)推進(jìn)系統(tǒng)的性能難以滿足微納衛(wèi)星需要，成為微納衛(wèi)星拓展在軌應(yīng)用的主要限制條件。

參照?qǐng)D1-5，本發(fā)明的自主汽化管理液氨微推進(jìn)系統(tǒng)，包括MCU控制器1、加排隔離閥2、用于盛裝液氨推進(jìn)劑的貯罐3、截止閥4、篩型汽化器5、緩沖器6、+X面推力器7、-X面推力器8、貯罐加熱片9、截止閥加熱片10、汽化器加熱片11、貯罐溫度傳感器12、貯罐壓力傳感器13、截止閥溫度傳感器14、緩沖器壓力傳感器15；貯罐3布置在整個(gè)微推進(jìn)系統(tǒng)的幾何中心(如圖3所示)，篩型汽化器5為弧形彎曲的包帶式結(jié)構(gòu)，包裹在貯罐表面，使汽化器質(zhì)心與貯罐的中心重合，貯罐質(zhì)心與推進(jìn)系統(tǒng)質(zhì)心以及整星質(zhì)心重合，+X面推力器7和-X面推力器8對(duì)稱(chēng)布置于貯罐兩側(cè)且推力線通過(guò)貯罐質(zhì)心，篩型汽化器5與貯罐3留有間隙，貯罐加熱片9、汽化器加熱片11位于間隙處分別貼裝于貯罐及汽化器表面，間隙內(nèi)設(shè)有多層隔溫材料起到絕熱的作用，其他部件布置在貯罐3周?chē)?/p>

所述的加排隔離閥2、貯罐3、截止閥4、篩型汽化器5、緩沖器6順次相連，緩沖器6與+X面推力器7和-X面推力器8分別相連；MCU控制器1分別與截止閥4、+X面推力器7、-X面推力器8、貯罐加熱片9、截止閥加熱片10、汽化器加熱片11相連；貯罐溫度傳感器12、貯罐壓力傳感器13、截止閥溫度傳感器14、緩沖器壓力傳感器15分別與MCU控制器1相連。

篩型汽化器的結(jié)構(gòu)是在汽化器內(nèi)開(kāi)有兩條導(dǎo)槽和若干平行篩孔，所述篩孔設(shè)于兩條導(dǎo)槽之間并將兩條導(dǎo)槽導(dǎo)通(如圖4所示，為加工方便，可以先在汽化器上開(kāi)設(shè)若干平行篩孔再通過(guò)在篩孔兩端分別設(shè)置扣板，形成兩條導(dǎo)槽)，其中一條導(dǎo)槽一端開(kāi)有液氨流入口，另一條導(dǎo)槽的另一端開(kāi)有氨氣流出口，兩導(dǎo)槽的其余兩端皆封閉。將汽化器設(shè)計(jì)為平行的篩孔型結(jié)構(gòu)，可使進(jìn)入汽化器的液氨受熱均勻以達(dá)到良好的汽化效果，同時(shí)提高了汽化裝置的熱容。緩沖器6與篩型汽化器5可以設(shè)計(jì)為一體，緩沖器的腔體與篩型汽化器5的末端固連，氨氣流出口直接與該腔體連通(如圖5)，緩沖器通過(guò)管路直接與+X面推力器、-X面推力器相連接，并布置緩沖器壓力傳感器，用于檢測(cè)推力前壓力。

本發(fā)明提出的自主汽化管理液氨微推進(jìn)系統(tǒng)采用截止閥代替?zhèn)鹘y(tǒng)的減壓閥，由貯罐、截止閥及汽化器構(gòu)成汽化裝置，使推進(jìn)劑汽化完全在下級(jí)的篩型汽化器中發(fā)生，實(shí)現(xiàn)恒壓式或增壓式完全汽化，可盡可能提高系統(tǒng)的輸出比沖，避免了現(xiàn)有落壓式設(shè)計(jì)的缺陷。截止閥的開(kāi)關(guān)控制貯罐中的液氨推進(jìn)劑流入篩型汽化器的量，汽化器加熱片加熱篩型汽化器使其篩孔中的液氨推進(jìn)劑完全汽化并控制輸出推力的大小。如圖2所示，其工作過(guò)程及原理如下：

每個(gè)工作周期開(kāi)始，液氨從貯罐流出，可以先經(jīng)過(guò)過(guò)濾器過(guò)濾再流入由截止閥和篩型汽化器組成的單向節(jié)流蒸發(fā)器，汽化后的氣態(tài)氨通過(guò)小型緩沖器整流后可以再次過(guò)濾，最終通過(guò)推力器產(chǎn)生推力，一個(gè)工作周期內(nèi)輸出的沖量與流入汽化器的推進(jìn)劑質(zhì)量相關(guān)。

篩型汽化器的容積與截止閥的開(kāi)啟時(shí)間有關(guān)，換言之，與軌道控制方案對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)每個(gè)工作周期內(nèi)提供沖量的要求有關(guān)。液氨的在截止閥中的質(zhì)量流率與閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)間的乘積可以得到一個(gè)工作周期內(nèi)進(jìn)入汽化器的推進(jìn)劑質(zhì)量，汽化器容積應(yīng)不小于這些氨在等溫度、壓力為飽和蒸汽壓的條件下轉(zhuǎn)化為氣態(tài)氨的體積。若截止閥內(nèi)液氨的質(zhì)量流率為Q，截止閥的開(kāi)啟時(shí)間記為t_v，在1atm和常溫條件(認(rèn)為推進(jìn)系統(tǒng)在整星熱控條件下工作在常溫)下的氨氣密度為ρ_g，汽化器內(nèi)壓(設(shè)計(jì)時(shí)認(rèn)為是該溫度下的飽和蒸氣壓)與大氣壓比值的倒數(shù)為k，則篩型汽化器的最小容積V為：

$V=\frac{{\mathrm{Qt}}_v}{{\mathrm{\ρ}}_g}\·k$

根據(jù)整星的對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)約束以及截止閥的開(kāi)啟時(shí)間約束，可以得到合理的汽化器容積。除提供汽化所需熱量以外，汽化器還可以對(duì)汽化后的推進(jìn)劑持續(xù)加熱，調(diào)節(jié)推力器推力前壓力，從而控制推力大小。當(dāng)推力器的結(jié)構(gòu)確定，其推力性能也確定，推力系數(shù)C_f為固定值。若推力器噴管喉部面積為A_t，汽化器控制的推力前壓力為P_c，則可根據(jù)下式調(diào)節(jié)輸出的推力值：

F＝C_f·P_c·A_t

另一方面，汽化加熱器對(duì)推進(jìn)劑持續(xù)加熱，還可以提高推進(jìn)劑的內(nèi)能，從而進(jìn)一步提高系統(tǒng)的比沖。根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，在系統(tǒng)內(nèi)部將推進(jìn)劑完全汽化后，比沖將提高為原來(lái)的兩倍以上。

除汽化器以外，貯罐也設(shè)置主動(dòng)熱控單元。貯罐表面貼裝加熱片，并貼裝高精度溫度傳感器；貯罐的一個(gè)出口布置高精度壓力傳感器。貯罐加熱片給貯罐中的推進(jìn)劑加熱，可以控制貯罐內(nèi)壓，調(diào)節(jié)截止閥流速。此外，由于貯罐加熱片的加熱可以使貯罐內(nèi)的推進(jìn)劑升溫：

Q＝CmΔT

式中C為液氨比熱容，m貯罐內(nèi)為推進(jìn)劑余量，ΔT為升溫值。若加熱片的加熱功率為P，加熱效率為η，開(kāi)啟時(shí)間為t_h，則推進(jìn)劑吸收的熱量Q：

Q＝Pηt_h

綜上，可得：

$m=\frac{{\mathrm{P\ηt}}_h}{C\mathrm{\Δ}T}$

因此，只需開(kāi)啟一段時(shí)間貯罐加熱片，用溫度傳感器精確測(cè)定推進(jìn)劑的溫度變化，即可求算出推進(jìn)劑的余量。但由于加熱可能存在不均勻的情況，溫度傳感器測(cè)量值不能完全等同于推進(jìn)劑的實(shí)際溫度變化，因此設(shè)置貯罐高精度壓力傳感器，將測(cè)量推進(jìn)劑的溫度變化轉(zhuǎn)變?yōu)闇y(cè)量對(duì)應(yīng)的飽和蒸氣壓變化，可以精確反算推進(jìn)劑余量。

需要指出的是，該實(shí)施例中雖然只列出了一種毫牛級(jí)自主汽化管理微推進(jìn)系統(tǒng)的實(shí)施方法，但不僅限于文中所述的組成、結(jié)構(gòu)、布局等，例如不同的整星約束、軌道控制需求，或作為姿態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，都可以應(yīng)用上述系統(tǒng)或方法。在本實(shí)施例的基礎(chǔ)上，采用不同的加熱恒壓式汽化器結(jié)構(gòu)、不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是顯而易見(jiàn)的，也就是說(shuō)，在本實(shí)施例的基礎(chǔ)上作出的上述改動(dòng)，都應(yīng)該落入本發(fā)明相應(yīng)的權(quán)利要求保護(hù)范圍內(nèi)。