专利名称：一种适用于微纳卫星的丙烷液化气微推进装置的制作方法
技术领域：
本发明属于液化气微推进技术领域，具体来说是一种适用于微纳卫星的丙烷液化 气推进装置。
背景技术：
根据实际需要生产制造小型卫星是当代的一个趋势，其目的主要是为了节约成 本。通常将重量为IOOkg 500kg的卫星称为小卫星，重量为IOkg IOOkg的卫星称为微 卫星，而将IOkg以下的卫星称为纳卫星。Ikg以下的卫星称为皮卫星。微纳卫星的主要特 点是开发计划紧凑(周期短)、形状小、功能强和成本低。近十多年来，世界各国的高性能现 代微小卫星成功地应用于卫星可能应用的几乎各个领域，比较典型的使用范围是在全球通 信、地球环境监测、军事侦察和军事对抗等方面。另外。航天员离开空间试验室或航天飞机 进行太空机动飞行的单元航天器，也可算是一种小卫星。冷气推进装置是一种常用的推进 装置，微小卫星能够采用冷气作为其推进装置的推进剂，是得益于迅速发展的微电子学、微 型机械、轻型复合材料和超精密加工等基础工业的重大发展，众多难题得到突破，使得推进 装置在可靠性、实用性方面不断提高，基本满足了微小卫星的整体要求，也使得微小卫星的 应用范围不断扩展。传统上，微小卫星的微推进装置一般选择推进剂为氮气的冷气微推进装置，但是 对于质量体积更小的微纳卫星而言，体积上的限定要比质量的限定更重要。微纳卫星微推 进装置的容积比冲(微推进装置单位体积的冲量)同比冲一样重要。相比于传统的氮气冷 气微推进装置，液化气微推进装置的推进剂以液体形式储存，经过气化以气体形式从推力 器中喷出，因此液化气微推进装置的推进剂具有比高压气体更高的密度的优势，能够得到 更高的容积比冲。液化气微推进装置的推进剂贮藏压力也要低于高压气体，这样微推进装 置的安全性大大提高。例如，在一些高压氮气不能够满足特定要求的情况下，液化气微推进 装置能够满足要求，而不必使用更加复杂和昂贵的胼微推进装置。但液化气为推进装置的 推进剂由于需要经过一个气化过程变成气体完成工作，因此需要吸收大量热量，如果微推 进装置热控措施不好，则会有部分推进剂以液体形式从推力器喷出，会造成微推进装置工 作性能的降低以及推进剂的浪费。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于微纳卫星的微推进装置，用来对微纳卫星进行 姿态控制以及轨道维持与控制，且针对微纳卫星对推进装置的低质量、结构简单、低功耗、 高可靠性的要求。推进剂气化的热源可直接利用卫星内部散热部件所散发的热量，并因此 选用对卫星的温控要求不是很高的丙烷作为推进装置的推进剂。本发明一种适用于微纳卫星的丙烷液化气微推进装置，包括加排阀、第一推进剂 贮箱、第二推进剂贮箱、第一导热模块、第二导热模块、减压器、稳压罐、安全阀、推力器、压 力传感器A、压力传感器B、过滤器和控制线路盒。
第一推进剂贮箱与第二推进剂贮箱上分别安装有第一导热模块与第二导热模块， 第一导热模块与第二导热模块通过管路连通。第二导热模块通过管路与安全阀连接，安全阀与贮箱四通连接，贮箱四通通过管 路与第一推进剂贮箱、第二推进剂贮箱以及充气三通连接，充气三通上还连接有压力传感 器B与加排阀。通过开启加排阀，可以将外界的液态丙烷推进剂装填到第一推进剂贮箱与 第二推进剂贮箱中，装填完毕后需关闭加排阀。也可以通过开启加排阀将第一推进剂贮箱、 第二推进剂贮箱内残存的丙烷推进剂排出。压力传感器A用来对第一推进剂贮箱与第二推 进剂贮箱内的丙烷贮存压力进行监测，当推进剂压力达到设计值时，关闭加排阀，推进剂充 填结束。当打开安全阀时，液态丙烷推进剂会在压力作用下从第一推进剂贮箱、第二推进剂 贮箱内流出，并随着压力的变化，开始气化，并依次进入第一导热模块和第二导热模块内。 所述第一导热模块与第二导热模块内部设计有U形管路，未被气化的液态丙烷推进剂在U 形管路中流动，吸收第一导热模块与第二导热模块由卫星内部散热部件获得的热量，使未 被气化的丙烷推进剂进一步气化，形成丙烷气体。第一导热模块通过管路依次连接有减压器、稳压罐、过滤器；过滤器通过三通A与 压力传感器A连接，且三通A上通过管路还连接有推进四通。大部分气化后的丙烷推进剂 以及小部分未被气化的丙烷推进剂由第一导热模块进入减压器中进行减压，经过减压器的 压降过程，即使全部的丙烷推进剂气化，由此保证推进剂充分气化，至此推进剂气化过程完 成。推进四通中的两个通口间通过管路形成回路，在推进四通上通过供气管路连接推 力器；推力器上装有电磁阀。所述回路作为推进剂供给管路为推力器供给气态丙烷推进剂。 打开需要工作的推力器的电磁阀，则丙烷推进剂会从推力器中喷出，从而产生推力。控制线路盒通过电缆与安全阀、压力传感器A、压力传感器B以及推力器连接，用 来接收卫星发出的控制信号进而来控制安全阀以及控制推力器上的电磁阀的开或关，并向 卫星反馈微推进装置的工作信息。本发明的优点在于(1)本发明丙烷液化气微推进装置，结构简单，装置整体质量小，并具有低成本、高 可靠性、低功耗、无污染以及安全性高的优势；(2)本发明丙烷液化气微推进装置，设计有安装隔板，便于微推进装置的安装与替 换，与卫星其它部件无重大关联与干涉。
图1为本发明丙烷液化气微推进装置结构俯视图；图2为本发明丙烷液化气微推进装置在六边形安装隔板上安装结构俯视图；图3为本发明丙烷液化气微推进装置在六边形安装隔板上安装结构结构侧视图。图中1-加排阀2-充气三通3-压力传感器A 4-贮箱四通5-安全阀6-第一推进剂贮箱 7-第二推进剂贮箱8-第一导热模 块9-第二导热模块 10-减压器11-稳压罐12-过滤器
13-压力传感器B 14-三通A17-推进四通18-推力器
15-三通B16-供气管路
19-控制线路盒 20-安装隔板
说明书
具体实施例方式本发明一种适用于微纳卫星的丙烷液化气微推进装置，主要包括加排阀1、第一推 进剂贮箱6、第二推进剂贮箱7、第一导热模块8、第二导热模块9、减压器10、稳压罐11、安 全阀5、推力器18、压力传感器A3、压力传感器B13、过滤器12和控制线路盒19，如图1所 示，上述部件均安装在安装隔板20上。安装隔板20的形状与所需要安装微推进装置的卫 星截面形状相同，与卫星其它部件没有过多的联系与干涉，由此便于微推进装置的安装、替 换与修理。所述安装隔板20的另一侧安装控制线路盒19。第一推进剂贮箱6与第二推进剂贮箱7用来装填丙烷推进剂，丙烷推进剂以液体 形式储存在第一推进剂贮箱6与第二推进剂贮箱7中，储存的压力最大达到0. 84MPa，装填 丙烷推进剂总质量为0. 6kg，可以满足本发明微推进装置一年的工作需求，并且可根据不同 的任务要求改变丙烷推进剂的质量。第一推进剂贮箱6与第二推进剂贮箱7上分别安装有 第一导热模块8与第二导热模块9，第一导热模块8与第二导热模块9分别具有一个推进剂 入口和一个推进剂出口，所述的第二导热模块9的推进剂出口与第一导热模块8的推进剂 入口通过管路连通。第一推进剂贮箱6与第二推进剂贮箱7为圆柱形贮箱，便于在安装隔 板20上固定，且体积损失小。第二导热模块9的推进剂入口通过管路与安全阀5连接，安全阀5与贮箱四通4 连接，贮箱四通4上通过管路与第一推进剂贮箱6、第二推进剂贮箱7以及充气三通2连接， 充气三通2上还连接有压力传感器A3与加排阀1。开启加排阀1后，外界的液态丙烷推进 剂可以依次通过三通2和贮箱四通4装填到第一推进剂贮箱6与第二推进剂贮箱7中，在 装填的过程中，压力传感器A3用来对第一推进剂贮箱6与第二推进剂贮箱7内的丙烷贮存 压力进行监测，根据不同的任务要求，当推进剂压力达到设计值时，关闭加排阀1，推进剂充 填结束。在本发明的微推进装置使用过程中，加排阀1是关闭的；当使用结束后，也可以通 过开启加排阀1将两推进剂贮箱内残存的丙烷推进剂排出。安全阀5用来使装填后的推进 剂贮箱内的丙烷推进剂与微推进装置其他管路隔离。第一导热模块8与第二导热模块9与 卫星热控单元的散热体接触，由卫星内部散热部件获得热量。由于液态的丙烷推进剂具有 一定的热容，可以将热量储存，因此液态丙烷推进剂的温度会升高；由于液态丙烷推进剂贮 存在较高压力的第一推进剂贮箱6与第二推进剂贮箱7内，而外部连接管路压力为真空，因 此当打开安全阀5时，液态丙烷推进剂会在压力作用下从第一推进剂贮箱6、第二推进剂贮 箱7内流出，并随着压力的变化，开始气化，并通过安全阀5依次进入第二导热模块9和第 一导热模块8。所述第一导热模块8与第二导热模块9内部设计有U形管路，未被气化的液 态丙烷推进剂在U形管路中流动，吸收第一导热模块8与第二导热模块9上的热量，使未被 气化的丙烷推进剂进一步气化。第一导热模块8的推进剂出口通过管路依次连接有减压器10、稳压罐11和过滤器 12，大部分气化后的丙烷推进剂以及小部分未被气化的丙烷推进剂由第一导热模块8进入 减压器10中进行进一步减压，经过减压器10的压降过程，使全部的丙烷推进剂气化，由此 保证推进剂充分气化，至此推进剂气化过程完成。通过减压器10还可使丙烷推进剂压力从0. 84MPa降到推力器18入口所要求的压力。减压器10减压后的丙烷气体进入稳压罐11， 使推进剂压力保持稳定，保证推进剂能够平稳的进入推力器18，并且在微推进装置工作时， 推进剂的压力不会出现波动。气化并平稳后的丙烷推进剂进入到过滤器12中进行过滤，由 于推力器18喉部直径极小，即使细微的杂质也会造成推力器18堵塞，因此设置过滤器12 以避免丙烷气体中存在杂质堵塞推力器18喉部。过滤器12上连接一个三通A14，通过三通A14与压力传感器B13连接，且三通A14 上通过管路还连接有推进四通17。压力传感器B13用来监测丙烷推进剂的压力。推进四通 17中的两个通口间通过管路形成回路，在回路中连接有至少一个三通B15，此回路即推进 剂供给管路。在推进四通17上以及三通B15上均可通过供气管路16连接一个推力器18。 若需要在不同位置增加推力器18时，则在推进剂供给管路中增加三通B15，在三通B15上通 过供气管路16连接推力器18 ；若需要在同一位置增加推力器18时，则在供气管路16上连 接带有多个通口的管路连接件，如三通和四通等，从而连接多个推力器18。气化后的丙烷推 进剂一部分由推进四通17进入到与推进四通17相连的供气管路16中，另一部分由推进四 通17进入到供给管路16中，通过供给管路16中的三通B15进入到与三通B15相连的供气 管路16中，最终均通过供气管路16进入到相应的推力器18中。推力器18上装有电磁阀。控制线路盒19通过电缆与安全阀5、压力传感器A3、压力传感器B13以及推力器 18连接，用来接收卫星发出的控制信号实现对安全阀5的开关控制，以及控制推力器18上 的电磁阀的开关，使推力器18可单独工作，也可以多个共同工作；并且通过控制线路盒19 可将微推进装置的相关信息传输给卫星。推进装置根据卫星三维姿态调控要求，微推进装置需要完成卫星各个阶段姿态控 制以及轨道维持和控制，由此来确定在供气管路上连接的推力器18的数量，并且确定了各 个推力器18在安装隔板20上的位置布局。上述推力器18的入口压力与它的推力要求以 及尺寸设计有关，此处的设计为推力器18推力为50mN，喉部尺寸为0. 4mm,扩张比为100，入 口压力设计为0. 2MPa。在工作前保证安全阀5以及推力器18上的电磁阀是关闭的，防止推进剂自然流
出ο当工作结束时，首先关闭推力器18的电磁阀，接着关闭安全阀5，原因在于推力器 18的电磁阀前需要维持一定的压力，防止发生泄漏。下面来通过一实施例来对本发明中推力器的数量以及位置布置做进一步说明。如图2所示，安装隔板20采用六边形隔板，第一推进剂贮箱6与第二推进剂贮箱 7上分别安装第一导热模块8与第二导热模块9，第一导热模块8的推进剂入口与第二导热 模块9的推进剂出口通过管路连接。第二导热模块9的推进剂入口通过管路与安全阀5连接，安全阀5与贮箱四通4 连接，贮箱四通4上通过管路与第一推进剂贮箱6、第二推进剂贮箱7以及充气三通2连接， 充气三通2上还连接有压力传感器B13与加排阀1。第一导热模块8的推进剂出口通过管路依次连接有减压器10、稳压罐11和过滤器 12，过滤器12通过三通A14与压力传感器A3连接，且三通A14上通过管路还连接有推进四 通17。推进四通17中的两个通口间通过管路形成回路，在回路中连接有5个三通B15，每个三通B15通过供气管路连接有推力器18。设六边形安装隔板20的内角处分别为a、b、c、 d、e、f，其中a与d、b与e、c与f为此正六边形安装隔板20的对角，因此将在推力器18布 置在a与d、b与e、c与f处，且在a与d处各设置有两个推力器18，b与e、c与f处各设 置一个推力器18，且将b与e和c与f处的推力器18分别设置在安装隔板的两侧，如图3 所示，由此使丙烷微推进装置能够沿卫星正交坐标系的三个轴线方向为卫星提供推力和控 制力矩。
权利要求
一种适用于微纳卫星的丙烷液化气微推进装置，其特征在于包括加排阀、第一推进剂贮箱、第二推进剂贮箱、第一导热模块、第二导热模块、减压器、稳压罐、安全阀、推力器、压力传感器A、压力传感器B、过滤器和控制线路盒；上述部件均布置在安装隔板上，并且相连接的部件之间通过管路连接；第一推进剂贮箱与第二推进剂贮箱上分别安装有第一导热模块与第二导热模块，第一导热模块与第二导热模块之间通过管路连接；第二导热模块还通过管路与安全阀连接，安全阀与贮箱四通连接，贮箱四通上通过管路与第一推进剂贮箱、第二推进剂贮箱以及充气三通连通，充气三通上还连接有压力传感器B与加排阀；第一导热模块通过管路依次连接有减压器、稳压罐、过滤器；过滤器通过三通A与压力传感器A和推进四通连接；推进四通中的两个通口间通过管路形成回路，第四个通口上通过供气管路连接推力器；推力器上装有电磁阀；控制线路盒通过电缆与安全阀、压力传感器A、压力传感器B以及推力器连接，用来接收卫星发出的控制信号进而来控制安全阀以及控制推力器上的电磁阀的开或关，并向卫星反馈微推进装置的工作信息。
2.如权利要求1所述一种适用于微纳卫星的丙烷液化气微推进装置，其特征在于所 述第一推进剂贮箱与第二推进剂贮箱为圆柱形贮箱。
3.如权利要求1所述一种适用于微纳卫星的丙烷液化气微推进装置，其特征在于所 述回路中连接有至少一个三通B，三通B通过供气管路连接推力器。
4.如权利要求1所述一种适用于微纳卫星的丙烷液化气微推进装置，其特征在于所 述第一推进剂贮箱与第二推进剂贮箱内装填液态丙烷推进剂，装填丙烷推进剂总质量为 0. 6kg，储存的压力为0. 84MPa。
5.如权利要求1所述一种适用于微纳卫星的丙烷液化气微推进装置，其特征在于所 述推力器推力为50mN，喉部尺寸为0. 4mm，扩张比为100，入口压力设计为0. 2MPa。
6.如权利要求1所述一种适用于微纳卫星的丙烷液化气微推进装置，其特征在于所 述第一导热模块与第二导热模块内部为U形管路。
全文摘要
本发明的目的在于提供一种适用于微纳卫星的丙烷液化气微推进装置，包括加排阀、第一推进剂贮箱、第二推进剂贮箱、第一导热模块、第二导热模块、减压器、稳压罐、安全阀、推力器、压力传感器A、压力传感器B、过滤器和控制线路盒；本发明微推进装置使用丙烷为推进剂，无毒无污染；且本发明微推进装置，结构简单、低质量、低功耗、高可靠性，本发明微推进装置安装在安装隔板上，便于安装与替换，与卫星其它部件没有过多的联系与干涉，便于替换与修理。
文档编号B64G1/40GK101907041SQ201010238400
公开日2010年12月8日 申请日期2010年7月23日 优先权日2010年7月23日
发明者晋晓伟, 汤海滨, 蒋建, 訾振鹏, 邹宇, 闫志勇, 马键 申请人:北京航空航天大学;西安航天动力研究所