液化气推进剂控制系统及控制方法与流程

本发明公开一种微小卫星推进系统控制技术，具体涉及一种液化气推进剂控制系统及控制方法。

背景技术：

以液化气为推进剂的冷气推进技术具有实施成本低、可靠性好等优点，因此是目前应用较多的空间推进技术。实际应用中，为了克服冷气贮存密度较低的缺点，将推进剂液化贮存，需要工作时，再通过加热使之汽化。目前，对于这种工作时推进剂要由液态转换为气态的推进系统，其工作模式主要有两种：冷气推进模式和闪蒸射流模式，这两种方式各有优缺点。

冷气推进模式的液气转换发生在贮箱内部，其特点是液气转换相对充分，比冲和密度比冲高。此方案中，贮箱内部设计有推进剂管理装置（pmd），将液态推进剂约束在贮箱内部，使气态工质覆盖瓶口；同时能提供足够的气液转换界面保证充足的气液转换，不影响气相推进剂的供应。存在的问题，pmd尺寸不能太小，推进剂充液量高时，若液位高过管理器，管理器作用有限，而减小加注量显然是不经济的；pmd尺寸设计大时，会使贮箱重量增加较多。同时由于pmd内置于贮箱内，贮箱的设计、加工成本高，制作周期长。实际采用内置pmd方案时亦难以完全避免液态工质喷出。

闪蒸射流工作模式，液态工质从贮箱直接到推力器，其液气转换发生在喷管喉部，利用液体温度高于所处压力下饱和蒸汽温度时发生剧烈蒸发（闪蒸）的现象进行。闪蒸射流形成过程中，气体蒸发所需热量来自于其余部分液体的显热，即通过一部分液体温度下降供给另一部分液体蒸发，工作期间贮箱温度和推力较恒定。这种模式的缺点是液气转换不完全，比冲较低。

技术实现要素：

本发明提供一种液化气推进剂控制系统及控制方法，能提高推进系统比冲，降低贮箱加工难度和成本。

为实现上述目的，本发明提供一种液化气推进剂控制系统，其特点是，该控制系统包含：

贮箱，其存储液态推进剂；

推进剂管理装置，其连接贮箱的输出端；

推力器，其连接推进剂管理装置的输出端；

在微小冲量输出时，推进剂管理装置束缚液态推进剂在贮箱与推进剂管理装置之间，推进剂管理装置内的气态推进剂输出至推力器喷出，系统处于冷气推进模式；在较大冲量输出时，贮箱下游压力下降，贮箱内的气泡压力驱动液态推进剂漫过推进剂管理装置，输出至推力器并在喷管处进行闪蒸射流。

上述推进剂管理装置采用外置式，与贮箱分离布置。

上述推进剂管理装置内设置有呈辐射状的叶片结构，叶片之间设有使液体曲率半径变化产生的表面张力压差的角缝隙。

上述贮箱与推进剂管理装置之间可以加设加排阀，液态推进剂通过加排阀加注入贮箱。

上述推进剂管理装置至推力器之间的管路上可设过滤器，过滤器过滤推进剂中的杂质。

上述推进剂管理装置至推力器之间的管路上可设有自锁阀；推力器工作时自锁阀保持打开，推力器停止工作时自锁阀保持关闭。

上述推进剂管理装置至推力器之间的管路上可设压力传感器，检测控制系统内的压力。

一种上述液化气推进剂控制系统的控制方法是：

在需求冲量小于预设阈值时，推进剂管理装置利用表面张力原理将液态推进剂束缚在贮箱和推进剂管理装置之间，推进剂管理装置内积蓄及蒸发产生的气态推进剂供给推力器，推力器喷出气态推进剂时处于冷气推进模式；

在需求冲量大于预设阈值时，由于贮箱下游工作压力的下降，贮箱内的气泡压力驱动液态推进剂漫过推进剂管理装置，到达推力器处并在喷管处发生闪蒸射流，进入闪蒸射流模式。

上述推力器工作时，自锁阀保持打开；推力器停止工作时，自锁阀保持关闭。

上述预设阈值为0.5n·s。

本发明液化气推进剂控制系统及控制方法和现有技术相比，其优点在于，本发明通过推进剂管理装置能够适应冲量需求多变的场合，当在微小冲量需求时，处于冷气推进模式，提高推进系统的比冲，当冲量需求较大时，进入闪蒸射流模式，满足大冲量需求；

本发明相比于现有的冷气工作模式，由推进剂管理装置相比贮箱体积小得多，因此，相同的热控功率可有效提高管理器内液体的气化效率，提升系统效率；同时由于贮箱内压力相对稳定，其对下游工质的推挤作用能减小下游压力变化，有利于冷气模式下推力稳定输出；

本发明中由于贮箱与推进剂管理装置分离，贮箱的设计、加工成本降低，生产周期大大缩短；

本发明由于贮箱与推进剂管理装置分离，能够有效减小推进剂管理装置的设计尺寸，降低整个系统的重量。

附图说明

图1为本发明液化气推进剂控制系统实施例一的结构示意图；

图2为本发明液化气推进剂控制系统实施例二的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图，进一步说明本发明的具体实施例。

如图1所示，揭示了一种液化气推进剂控制系统实施例一的结构示意图，该控制系统包含：贮箱101、推进剂管理装置（pmd）102和系统管路103、推力器104，以及外围元件105。

贮箱101用于存储液态推进剂，该液态推进剂为加压液化的推进剂。

推进剂管理装置102采用外置式，与贮箱101相互分离，推进剂管理装置102通过系统管路103连接贮箱101的输出端。推进剂管理装置102内设置有呈辐射状的金属叶片结构，利用叶片间角缝隙间的液体曲率半径变化产生的表面张力压差，驱使液体在微重力的环境下流动，达到在其几何形状下的平衡，从而实现对液态工质进行束缚，并促进气态工质向下游排出。

推力器104通过系统管路103连接推进剂管理装置102的输出端。

另外，外围元件105根据系统需要配置，可以包含过滤器、自锁阀、加排阀、压力传感器、温度传感器等设备之一或若干设备的组合。

本实施例一的液化气推进剂控制系统的工作原理如下：

在需求冲量小于0.5n·s时，外置式的推进剂管理装置102利用表面张力原理将液态推进剂束缚在贮箱101和推进剂管理装置102之间的管路中，推进剂管理装置102内积蓄及蒸发产生的气态推进剂供给下游用户，当气态推进剂输送至推力器104，气态推进剂从推力器104喷出时，推力器104所在的推进系统处于冷气推进工作模式。

在需求冲量大于0.5n·s时，由于下游工作压力的下降，贮箱101内的气泡压力驱动液态工质通过外置的推进剂管理装置102，到达推力器104处并在推力器104的喷管处发生闪蒸射流，推力器104所在的推进系统进入闪蒸射流模式。

如图2所示，为一种液化气推进剂控制系统实施例二的结构示意图，该控制系统包含：贮箱201、推进剂管理装置（pmd）202和过滤器203、自锁阀204、压力传感器205、推力器206、加排阀207和系统管路208。

贮箱201用于存储液态推进剂，该液态推进剂为加压液化的推进剂。

推进剂管理装置（pmd）202采用外置式，与贮箱201相互分离，设置于贮箱201外，为外置式pmd，推进剂管理装置202通过系统管路208连接贮箱201的输出端。推进剂管理装置202内设置有呈辐射状的金属叶片结构，利用叶片间角缝隙间的液体曲率半径变化产生的表面张力压差，驱使液体在微重力的环境下流动，达到在其几何形状下的平衡，从而实现对液态工质进行束缚，并促进气态工质向下游排出。

推进剂管理装置202用于控制贮箱201至推力器206之间的推进剂输送。

推力器206通过系统管路208连接至推进剂管理装置202的输出端。并且，过滤器203、自锁阀204和压力传感器205由推进剂管理装置202向推力器206方向依次设置于推进剂管理装置202与推力器206之间的系统管路208中。

过滤器203用于过滤推进剂中的杂质。

自锁阀204用于在推力器206工作时自锁阀204保持打开，推力器206停止工作时自锁阀204保持关闭。

压力传感器205用于实时检测控制系统内的系统压力。

加排阀207设置于贮箱201与推进剂管理装置202之间的管路中，加排阀207用于将液态推进剂通过加排阀207加注入贮箱201。

本实施例二中，推进系统（包含推力器206）工作时，自锁阀204保持打开，在需求冲量小于0.5n·s时，推进剂管理装置202中积蓄及蒸发产生的气态推进剂供给下游用户，进入推力器206中产生冲量，气态推进剂从推力器206喷出时，推力器206所在的推进系统处于冷气推进工作模式。

在需求冲量大于0.5n·s时，，由于下游工作压力的下降，贮箱201内的气泡压力驱动液态工质漫过外置的推进剂管理装置202，推进剂以液态形式进入推力器206中，并在喷管中快速蒸发汽化，以气液两相状态喷射出去，形成推力，工作于闪蒸射流模式。

当推进系统不工作时，自锁阀204保持关闭。

本发明及还公开了适用于上述一种液化气推进剂控制系统的控制方法，该控制方法具体包含以下步骤：

s1、推力器启动工作，自锁阀保持打开。

s2、根据接收的控制指令，推力器对应相应的开口量，在微小冲量需求下，推力器开口量较小，在大冲量需求下，推力器开口量较大。若进行微小冲量输出则跳转到s3，若进行大冲量输出则跳转到s4。

s3、在需求冲量小于预设阈值0.5n·s时，推进剂管理装置利用表面张力原理将液态推进剂束缚在贮箱和推进剂管理装置之间，推进剂管理装置内积蓄及蒸发产生的气态推进剂供给推力器，推力器喷出气态推进剂时处于冷气推进模式，跳转到s5。

s4、在需求冲量大于预设阈值0.5n·s时，由于贮箱下游工作压力的下降，贮箱内的气泡压力驱动液态推进剂漫过推进剂管理装置，到达推力器处并在喷管处发生闪蒸射流，进入闪蒸射流模式，跳转到s5。

s5、当控制系统收到推进系统停止指令，则推进系统及其推力器停止工作，自锁阀关闭，且在推进系统停止工作时保持关闭。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。