專利名稱：一種采用圓環(huán)貯箱的氮氣冷氣微推進裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于冷氣微推進技術領域，涉及一種適用于微小衛(wèi)星的氮氣冷氣微推進裝 置，具體是一種采用圓環(huán)貯箱的氮氣冷氣微推進裝置。
背景技術：
冷氣微推進系統(tǒng)是指用于微小衛(wèi)星的冷氣推進系統(tǒng)，通常將重量為IOOkg 500kg的衛(wèi)星稱為小衛(wèi)星，重量為IOkg IOOkg的衛(wèi)星稱為微衛(wèi)星，而將IOkg以下的衛(wèi)星 稱為納衛(wèi)星。Ikg以下的衛(wèi)星稱為皮衛(wèi)星。微小衛(wèi)星指的是重量在IOkg 500kg范圍內(nèi)的 衛(wèi)星。微小衛(wèi)星的主要特點是開發(fā)計劃緊湊(周期短)、形狀小、功能強和成本低。近十多 年來，世界各國的高性能現(xiàn)代微小衛(wèi)星成功地應用于衛(wèi)星可能應用的幾乎各個領域，比較 典型的使用范圍是在全球通信、地球環(huán)境監(jiān)測、軍事偵察和軍事對抗等方面。另外。航天員 離開空間試驗室或航天飛機進行太空機動飛行的單元航天器，也可算是一種小衛(wèi)星。冷氣 推進系統(tǒng)是一種常用的推進系統(tǒng)，微小衛(wèi)星能夠采用冷氣作為其推進系統(tǒng)的推進劑，是得 益于迅速發(fā)展的微電子學、微型機械、輕型復合材料和超精密加工等基礎工業(yè)的重大發(fā)展， 眾多難題得到突破，使得推進系統(tǒng)在可靠性、實用性方面不斷提高，基本滿足了微小衛(wèi)星的 整體要求，也使得微小衛(wèi)星的應用范圍不斷擴展。推進系統(tǒng)是指用于衛(wèi)星或航天器上，在控制系統(tǒng)的指令作用下，實現(xiàn)衛(wèi)星軌道控 制和姿態(tài)控制的執(zhí)行結構。推進系統(tǒng)中應用的一項重要技術是推進技術，即指任何一種依 靠能源使排出推進劑加速的技術。按推進方式劃分，衛(wèi)星推進系統(tǒng)大體上可劃分為雙組元 推進系統(tǒng)、單組元推進系統(tǒng)和電推進系統(tǒng)三大類，單組元推進系統(tǒng)又包括產(chǎn)生化學反應和 不產(chǎn)生化學反應的兩類。參與化學反應的推進劑一般是推進劑通過加熱過程而分解，分解 氣體由噴管噴出，產(chǎn)生推力。這類典型的推進劑有無水胼和過氧化氫等。不參與化學反應 的推進劑是指這些推進劑，其無須加熱，直接由噴管噴出，即可產(chǎn)生推力。而冷氣推進系統(tǒng)， 系指推進系統(tǒng)沒有熱源，由噴管排出推進劑氣體即可產(chǎn)生推力，這種推進系統(tǒng)與有熱源的 推進系統(tǒng)相比較無須加熱，沒有熱回浸等問題，重復性和可靠性較高。冷氣推進系統(tǒng)的工作過程是冷氣以高壓形式貯存，減壓器把冷氣壓力降到所要求 的壓力之后，氣體通過電磁閥輸送到噴管，它的優(yōu)點是安全、成本低、響應快，重復性好，并 因為系統(tǒng)簡單而可靠性高。雖然噴管的重量輕，但由于需要配備高壓氣瓶(貯箱)和分配 輸送系統(tǒng)，整個系統(tǒng)的重量是中等的，另因為需要大量的氣瓶來貯存推進劑(氣體狀態(tài))， 系統(tǒng)在體積上的利用率不高，典型的冷氣推進系統(tǒng)的輸出推力范圍是5mN 250N，當噴管 面積比為100時，氮氣比沖變化范圍45s 74s，具體取決于噴管(推力器)推力的大小，因 為隨推力器的體積減小，噴管的損失將增加。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用于微小衛(wèi)星進行姿態(tài)控制以及軌道維持與控制的 氮氣冷氣微推進裝置；本發(fā)明微推進裝置采用一個圓環(huán)形氣瓶作為推進劑貯箱，使用氮氣為推進劑，無毒無污染；微推進裝置結構簡單，元器件較少，可以降低系統(tǒng)的功耗和質(zhì)量，提 高可靠性和安全性，降低生產(chǎn)成本；微推進裝置整體安裝在安裝隔板上，便于安裝與替換， 與衛(wèi)星其它部件沒有過多的聯(lián)系與干涉，便于替換與修理。本發(fā)明一種微小衛(wèi)星氮氣冷氣微推進裝置，主要包括高壓充氣閥、圓環(huán)形推進劑 貯箱、高壓充氣閥、高壓減壓器、低壓減壓器、高壓自鎖閥、推力器、高壓傳感器、過濾器與控 制線路盒。上述部件均安裝在安裝隔板上；推進劑貯箱上連接有高壓充氣閥，通過高壓充氣閥向推進系統(tǒng)的推進劑貯箱裝填 高壓氮氣；推進劑貯箱上還連接有三通A，三通A上連接有高壓傳感器，推進劑貯箱內(nèi)的氮 氣壓力可通過高壓傳感器進行監(jiān)測；三通A上還依次連接有高壓自鎖閥、高壓減壓器、低壓 減壓器和過濾器，高壓自鎖閥、高壓減壓器、低壓減壓器和過濾器間通過管路連接；過濾器通過管路與三通E連接，三通E的剩余兩個通口分別連接有供給管路，供 給管路的另一端各連接有二通，在二通上通過供氣管路連接有推力器；推力器上裝有電磁 閥；控制線路盒與需要控制的高壓傳感器、高壓自鎖閥以及推力器之間通過電纜連 接，用以供電和傳輸控制信號。控制線路盒可以根據(jù)衛(wèi)星的相關控制指令，發(fā)出控制信號， 打開需要工作的推力器的電磁閥。本發(fā)明的優(yōu)點在于(1)本發(fā)明微推進裝置結構簡單，使用氮氣作為推進劑，低成本、高可靠性、低功 耗、無污染以及安全性高；(2)本發(fā)明微推進裝置整體安裝在安裝隔板上，便于安裝與替換。
圖1為本發(fā)明氮氣冷氣微推進裝置結構俯視圖；圖2為本發(fā)明氮氣冷氣微推進裝置在六邊形安裝隔板上的安裝結構俯視3為本發(fā)明氮氣冷氣微推進裝置在六邊形安裝隔板上的安裝結構側(cè)視圖<圖中1-推進劑貯箱 2-高壓充氣閥 3-高壓傳感器4-高壓自鎖閥 5-高壓減壓器 6-低壓減壓器7-過濾器8-三通A9-三通B10-三通C 11-二通12-供氣管路13-推力器 14-控制線路盒 15-安裝隔板16-供給管路
具體實施例方式本發(fā)明一種微小衛(wèi)星氮氣冷氣微推進裝置，主要由推進劑貯箱1、高壓充氣閥2、 高壓減壓器5、低壓減壓器6、高壓自鎖閥4、推力器13、高壓傳感器3、過濾器7、與控制線路 盒14。如圖1所示，上述部件均安裝在安裝隔板15上，便于微推進裝置的安裝與替換、修 理。所述安裝隔板15的形狀與所需要安裝微推進裝置的衛(wèi)星截面形狀相同。其中推進劑貯箱1為圓環(huán)形貯箱，可以最大的利用安裝隔板15的安裝空間，并且有利于將推進系統(tǒng)整體的質(zhì)心調(diào)整到安裝隔板15的中軸線上。推進劑貯箱1上連接有高 壓充氣閥2，通過高壓充氣閥2向推進系統(tǒng)的推進劑貯箱1裝填高壓氮氣。推進劑貯箱1上 還連接有三通A8，三通A8上連接有高壓傳感器3，推進劑貯箱1內(nèi)的氮氣壓力可通過高壓 傳感器3進行監(jiān)測。三通A8上還依次連接有高壓自鎖閥4、高壓減壓器5、低壓減壓器6和 過濾器7，高壓自鎖閥4、高壓減壓器5、低壓減壓器6和過濾器7間通過管路連接。高壓自 鎖閥4用來使推進劑貯箱1中的氮氣推進劑與本發(fā)明微推進裝置中的管路隔離。由于氮氣 的存儲壓力遠高于推力器13要求的入口壓力，因此打開高壓自鎖閥4，使推進劑貯箱1中流 出的推進劑通過高壓自鎖閥4進入高壓減壓器5進行一級減壓，接著進入低壓減壓器6進 行二級減壓，使氮氣推進劑的壓力從20MPa降到推力器13要求的入口壓力值0. 25Mpa，減壓 后的推進劑進入到過濾器7中進行過濾，以免氮氣中存在雜質(zhì)堵塞推力器13喉部，系統(tǒng)采 用的是高純氮氣，雜質(zhì)極少，但由于推力器13喉部直徑極小，即使細微的雜質(zhì)也會造成推 力器13堵塞，因此采用過濾器7進行保證。過濾器7通過管路與三通B9連接，三通B9的剩余兩個通口分別與兩供給管路16 的一端連接，兩供給管路16的另一端各連接有二通11，在二通11上通過供氣管路12連接 有推力器13。若需要在不同位置增加推力器13時，只需要在供給管路16中增加三通C10， 再通過供氣管路12將推力器13與三通ClO連接；若需要在同一位置增加推力器13時，可 在供給管路16上連接帶有多個通口的管道連接件，從而連接多個推力器13。氣化后的丙烷 推進劑通過三通B9進入到供給管路16中，通過供給管路16中的三通ClO與二通11進入 到供氣管路12中，最終通過供氣管路12進入到相應的推力器13中。推力器13上裝有電 磁閥，打開需要工作的推力器13的電磁閥，則丙烷氣體會從中噴出，從而產(chǎn)生推力?？刂凭€路盒14與高壓傳感器3、高壓自鎖閥4以及推力器13之間通過電纜連接， 用以供電和傳輸控制信號。控制線路盒14可以根據(jù)衛(wèi)星的相關控制指令發(fā)出控制信號，打 開需要工作的推力器13的電磁閥，則氮氣會從中噴出，從而產(chǎn)生推力；由此使推力器13可 單獨工作，也可以多個共同工作。推進裝置根據(jù)衛(wèi)星三維姿態(tài)調(diào)控要求，微推進裝置需要完成衛(wèi)星各個階段姿態(tài)控 制以及軌道維持和控制，由此來確定在供氣管路12上連接的推力器13的數(shù)量，并且確定各 個推力器13在安裝隔板15上的位置布局。上述推力器13的入口壓力與它的推力要求以及尺寸設計有關，此處的設計為推 力器13推力為50mN，喉部尺寸為0. 4mm，擴張比為100，入口壓力設計為0. 2MPa。首先在工作前保證高壓自鎖閥4以及推力器13上的電磁閥是關閉的，防止推進劑 自然流出。當工作結束時，首先關閉推力器13的電磁閥，接著關閉高壓自鎖閥4，原因在于推 力器13的電磁閥前需要維持一定的壓力，防止發(fā)生泄漏。下面通過一實施例來對本發(fā)明中推力器13的數(shù)量以及位置布置做進一步說明。如圖2所示，安裝隔板15采用六邊形隔板，安裝隔板15上安裝有環(huán)形推進劑貯箱 1，使環(huán)形推進劑貯箱1與安裝隔板15同軸心。推進劑貯箱1上連接有高壓充氣閥2和三通A8，三通A8上連接有高壓傳感器3。 三通A8上還依次連接有高壓自鎖閥4、高壓減壓器5、低壓減壓器6和過濾器7，高壓自鎖閥 4、高壓減壓器5、低壓減壓器6和過濾器7間通過管路連接。
過濾器7通過管路與三通B9連接，三通B9的另兩個通口分別連接有供給管路16， 供給管路16的另一端各連接有二通11，由此形成本發(fā)明微推進裝置的供氣管路12。在供 給管路16上分別設置有四個三通C10，在二通11與三通ClO上各通過供氣管路12連接有 推力器13。所述高壓充氣閥、高壓傳感器3、高壓自鎖閥4、高壓減壓器5、低壓減壓器6、過濾 器7與控制線路盒14布置在圓環(huán)推進劑貯箱1內(nèi)圈的安裝隔板15上。供給管路16布置 在圓環(huán)推進劑貯箱1外圈的安裝隔板15上。設六邊形安裝隔板15的內(nèi)角處分別為a、b、c、d、e、f，其中a與d、b與e、c與f 為此正六邊形安裝隔板15的對角，因此將在推力器13布置在a與d、b與e、c與f處，且 在c與f處各設置有一對推力器13，b與e、a與d處各設置一個推力器13，且將b與e和 a與d處的推力器13分別設置在安裝隔板15的兩側(cè)，如圖3所示，由此使丙烷微推進裝置 能夠沿衛(wèi)星正交坐標系的三個軸線方向為衛(wèi)星提供推力和控制力矩。
權利要求
一種采用圓環(huán)貯箱的氮氣冷氣微推進裝置，其特征在于包括圓環(huán)形推進劑貯箱、高壓充氣閥、高壓減壓器、低壓減壓器、高壓自鎖閥、推力器、高壓傳感器、過濾器和控制線路盒；上述部件均安裝在安裝隔板上；所述圓環(huán)形推進劑貯箱上連接有高壓充氣閥，通過高壓充氣閥向圓環(huán)形推進劑貯箱裝填高壓氮氣；圓環(huán)形推進劑貯箱上還通過三通A連接有高壓傳感器，用來監(jiān)測圓環(huán)形推進劑貯箱內(nèi)的氮氣壓力；三通A上還依次通過管路連接有高壓自鎖閥、高壓減壓器、低壓減壓器和過濾器；過濾器通過管路與三通E連接，三通E的剩余兩個通口分別連接有供給管路，供給管路的另一端各連接有二通，在二通上通過供氣管路連接有推力器；推力器上裝有電磁閥；控制線路盒分別與需要控制的高壓傳感器、高壓自鎖閥以及推力器之間通過電纜連接，用以供電和傳輸控制信號；所述的控制線路盒根據(jù)衛(wèi)星控制指令發(fā)出控制信號，控制需要工作的推力器的電磁閥。
2.如權利要求1所述一種氮氣冷氣微推進裝置，其特征在于所述推力器推力為50mN， 喉部尺寸為0. 4mm，擴張比為100，入口壓力設計為0. 2MPa。
3.如權利要求1所述一種氮氣冷氣微推進裝置，其特征在于所述供給管路中設置至 少一個三通C，三通C通過供氣管路連接推力器。
4.如權利要求1所述一種氮氣冷氣微推進裝置，其特征在于所述圓環(huán)形推進劑貯箱 內(nèi)裝填液氮推進劑，裝填液氮推進劑總質(zhì)量為0. 6kg，儲存的壓力為0. 84MPa。
5.如權利要求1所述一種氮氣冷氣微推進裝置，其特征在于所述高壓充氣閥、高壓傳 感器、高壓自鎖閥、高壓減壓器、低壓減壓器、過濾器與控制線路盒布置在圓環(huán)推進劑貯箱 內(nèi)圈的安裝隔板上；供給管路布置在圓環(huán)推進劑貯箱外圈的安裝隔板上。
全文摘要
本發(fā)明公開一種采用圓環(huán)貯箱的氮氣冷氣微推進裝置，包括推進劑貯箱、高壓充氣閥、高壓減壓器、低壓減壓器、高壓自鎖閥、推力器、高壓傳感器、過濾器；用于微小衛(wèi)星進行姿態(tài)控制以及軌道維持與控制；本發(fā)明微推進裝置使用氮氣為推進劑，無毒無污染；且本發(fā)明微推進裝置、結構簡單、低質(zhì)量、低功耗、高可靠性，本發(fā)明微推進裝置安裝在安裝隔板上，便于安裝與替換，與衛(wèi)星其它部件沒有過多的聯(lián)系與干涉，便于替換與修理。
文檔編號F02K9/44GK101907040SQ201010238399
公開日2010年12月8日 申請日期2010年7月23日 優(yōu)先權日2010年7月23日
發(fā)明者晉曉偉, 湯海濱, 蔣建, 訾振鵬, 鄒宇, 閆志勇, 馬鍵 申請人:北京航空航天大學;西安航天動力研究所