本发明涉及一种基于增材制造技术的单组元微推进模块装置及其增压方法。
背景技术：
随着微纳卫星技术的快速发展，微纳卫星承担的任务复杂性也提高了，组网编队构建分布式系统、对微纳卫星的使用寿命、轨道机动性、快速响应等都提出了一定的要求，因此要求微推进系统具有高总冲、较大推力的能力，可模块化、可预包装。现阶段的推进系统采用常规的管路进行连接，重量重、体积大，不适用于微纳卫星上使用。同时，采用高压气体的方式进行系统的增压，不利于货架式长期储存。
技术实现要素：
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于增材制造技术的单组元微推进模块装置及其增压方法，保障整个系统可靠工作，提高整个系统的工作性能。
本发明的技术方案是：基于增材制造技术的单组元微推进模块装置，包括微推力器组件、气加排阀、液加排阀、固体氮气生成器、温度传感器、压力传感器、爆破片安全装置、贮箱组件和控制驱动电路；气加排阀、固体氮气生成器、温度传感器、压力传感器、贮箱组件、液加排阀、爆破片安全装置和微推力器组件依次串联后安装在模块的气室内；在地面时，通过气加排阀对单组元微推进模块抽真空，通过液加排阀实现对单组元微推进模块的推进剂加注，推进剂储存在贮箱内；单组元微推进模块随卫星入轨后，控制驱动电路接收星载计算机指令，驱动固体氮气生成器点火开始工作，产生气体为单组元微推进模块进行增压，爆破片安全装置打开，在气体的压力驱动下，推进剂进入到微推力器组件入口处，控制驱动电路驱动微推力器组件工作，同时，控制驱动电路通过压力传感器、温度传感器实时采集贮箱内的温度、压力，根据贮箱内的压力判断是否驱动下一个固体氮气生成器工作。
所述气加排阀、液加排阀、爆破片安全装置、贮箱组件的壳体材料均采用钛合金材质。
各个部件的安装接口通过增材制造实现。
微推力器组件由微型阀门以及微型推力器组成。
爆破片安全装置由爆破膜片以及安装结构构成。
贮箱组件由贮箱隔膜以及隔膜骨架组成。
单组元微推进模块装置推进剂包括无水肼、二硝酰胺铵基推进剂、硝酸羟铵基推进剂、凝胶推进剂。
所述单组元微推进模块外包络尺寸为100mm×100mm×100mm，所述微型推力器组件包括4台微型推力器，分别安装在由外包络尺寸100mm×100mm×100mm构成的正方体的的四个角上。
控制驱动电路根据贮箱内的压力判断是否驱动下一个固体氮气生成器工作德具体过程为：设定气室初始压力为p0，第一个固体氮气生成器工作后，气室压力达到第一阈值p0，当压力低于第二阈值pf时，控制驱动电路驱动下一个固体氮气生成器工作，为整个模块增压，保证整个模块工作在较高的箱压。
一种利用上述装置进行增压的方法，步骤如下：
1)单组元微推进模块随整星入轨后，固体氮气生成器工作后，实现对整个系统的增压，建立整个系统的工作驱动压力；
2)当检测压力低于一定的阈值后，后续发生器继续工作，为整个模块继续增压，一直保持整个模块工作在较高的箱压范围内。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)模块集成度高，主结构及安装接口基于增材制造一体化实现。在100mm×100mm×100mm的包络尺寸内，集成了推进系统的所有部件，包括压力传感器、温度传感器、4台微型推力器组件、增压气源、爆破片安全装置等，总冲量可以达到900ns。部件安装接口、内部流道以及贮箱采用增材制造的方法一体化实现，不通过常规管路连接。
(2)采用新型的增压方式以及绿色推进剂，可以实现货架式长期储存。采用固体氮气气体生成器为整个微推进系统进行增压，氮气生成器可以长期常压储存，不需要进行高压维护，推进剂可采用adn基、han基绿色高能无毒推进剂、无水肼、凝胶推进剂等，采用常压地面存储，货架式管理。
(3)保障整个系统可靠工作，提高整个系统的工作性能。模块通过固体氮气气体生成器进行系统增压，可以保持整个系统工作在较高的箱压工作，提高微型推力器工作压力，保证流量供给量，同时，推力器工作在较高箱压，可提高推力器的比冲性能，进而提高总冲性能。
(4)高效率空间利用率。将四台推力器组件布置在单组元微推进模块的四个角上，可以充分利用10cm×10cm的空间，能够提高推进剂的装填量，提高整个模块的总冲量。
(5)集成控制驱动电路，即插即用设计。该模块集成控制驱动电路能够驱动控制微型阀门、生成器等，同时可以采集温度、压力等信号，实现与星载计算机的即时通信，直接接受星载计算机的控制指令，实现即插即用。
(6)常压贮存，实现货架式管理。模块安装固体氮气生成器，在地面存储时，采用常压储存，安全性高，可以实现货架式管理。入轨后，通过控制驱动电路驱动固体氮气生成器工作，为贮箱增压。
(7)提出一种新的推进系统安全隔离方法，有利于高度集成，降低了系统复杂性。采用固体氮气生成器和爆破片安全装置实现了推进剂的安全隔离。在火箭发射阶段，贮箱内存贮1atm～3atm气体，通过爆破片安全装置实现推进剂的安全隔离，防止推进剂在力学振动过程中进行推力器内。在入轨后，通过固体氮气生成器进行模块的增压，爆破片打开，推进剂进入到推力器中。
附图说明
图1为本发明装置组成示意图。
图2为单组元微推进模块装置连续工作的系统压力变化曲线。
具体实施方式
如图1所示，一种基于增材制造技术的单组元微推进模块装置，包括4台微推力器组件、1个气加排阀、1个液加排阀、多个氮气生成器、1个温度传感器、1个压力传感器、爆破片安全装置、贮箱组件、控制驱动电路等组成。所述气加排阀、液加排阀、爆破片安全装置、贮箱组件的壳体材料均采用钛合金材质。各个部件的安装接口通过增材制造实现。微推力器组件由微型阀门以及微型推力器组成。爆破片安全装置由爆破膜片以及安装结构构成。贮箱组件由贮箱隔膜以及隔膜骨架组成。单组元微推进模块装置推进剂包括无水肼、二硝酰胺铵基推进剂、硝酸羟铵基推进剂、凝胶推进剂单组元微推进模块随卫星入轨后，控制驱动电路接收星载计算机指令，驱动气体生成器点火开始工作，产生气体为系统进行增压，根据控制需要，控制驱动电路驱动微推力器组件工作，同时，控制驱动电路实时采集贮箱内的温度、压力等参数，根据贮箱内的压力判断是否驱动下一个气体生成器工作，现设定气室初始压力为p0，第一发发生器工作后，气室压力达到p0，当压力低于pf时，控制驱动电路驱动下一个发生器工作，为整个模块增压，保证整个模块工作在较高的箱压。所述单组元微推进模块外包络尺寸为100mm×100mm×100mm，所述微型推力器组件包括4台微型推力器，分别安装在由外包络尺寸100mm×100mm×100mm构成的正方体的四个角上。
增压方法
模块初始气容为v，通过理想气体状态方程进行计算，计算出初始增压p0所需要的发生器产气量，设置一定的增压下限值pf，当达到pf，下一个发生器工作，进行系统增压。
先根据气容进行发生器的初步计算，根据发生器的外形尺寸等进行整个模块的安装布局。初步假设整个模块气容为0.1l，p0＝2mpa，pf＝1.5mpa，如图2所示。气体量计算环境温度为20℃。
表1冷气生成量计算