一种微型模块化丁烷推进系统结构及推进方法与流程

本发明涉及一种微型模块化丁烷推进系统结构及推进方法。

背景技术：

近期微纳卫星迅速崛起，在未来的全球卫星市场，微纳卫星占据明显优势。相比传统大卫星，微纳卫星具有体积小、重量轻、对用户需求反应迅速、研制周期短、成本低、使用寿命较短等特点，具有快速批量组装、测试、形成空间系统的能力，能更快满足临时提出的空间任务需求，更重要的是它们可以通过组成分布式星座完成以往大卫星的任务，是未来军事空间技术发展的趋势。根据微纳卫星的特点，要求微推进系统具备模块化、体积小、质量轻等特性，而传统推进系统由于设计思路和加工技术的不同，很难实现推进系统的微型化。

为满足微纳卫星对推进系统的需求，本发明提出了一种丁烷液化气微推进模块，此微推进模块与传统推进系统的分体式分布结构不同，具有集成度高、模块化、低成本、预包装的特点，可以满足微纳卫星对微推进系统的需求。

中国专利“用于微纳卫星的微型液体燃料推进系统”(专利号：CN200810220280.1)“用于微纳卫星的微型液体燃料推进系统”是一种将传统的推进系统进行微小型设计，包括有增压气体发生器、微型推进器、为微型推进器提供液体燃料的燃料贮箱以及管路等结构，所有结构均分布在一个平面上，体积较大，很难满足微纳卫星对推进系统体积和重量的要求。

中国专利(专利号：CN201420562343.2)“一种用于微小卫星的高压气体推进系统”其特征在于包括：高压储气瓶，为球形铝合金内胆，并在所述铝合金内胆的外部缠绕碳纤维；高压自锁瓶阀，安装在所述高压储气瓶的瓶口，用于控制所述高压储气瓶内气体的进出。此专利需要进行气体压缩存储，系统压力较大，因此贮箱的体积和重量较大，无法满足微纳卫星对推进系统体积和重量的要求。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明提供了一种微型模块化丁烷推进系统结构，通过将单机进行微型化设计，将传统推进系统中体积占比较大的贮箱、气化室和管路等进行高度集成，空间布局紧凑新颖，实现了结构的模块化、微型化，在确保性能满足微纳卫星需求的前提下，大大的减小了微推进系统的体积和重量。

本发明所采用的技术方案是：一种微型模块化丁烷推进系统结构，包括：模块主体结构、加排阀、加热系统、电磁阀；加热系统位于模块主体结构的中心位置，用于对推进剂进行状态确定和加热；电磁阀并列排列在模块主体结构的上部，用于对推进剂的流通进行通断管理；加排阀位于模块主体结构的一侧凹槽内，通过螺钉与模块主体结构连接，通过加排阀实现推进剂的加注和排出。

还包括金属辅助支架、电磁阀安装支架；电磁阀两端通过电磁阀安装支架进行固定，再通过螺钉将电磁阀支架、金属辅助支架与模块主体结构连接固定。

所述模块主体结构采用非金属材料通过3D打印而成；模块主体结构外形为一个长方体结构，内部包括了贮箱、气化室、流通管道及喷管结构。

所述加热系统包括加热器、温度传感器、压力传感器；其中加热器用于将流入气化室的推进剂进行加热，温度传感器和压力传感器用于监测气化室中推进剂的温度和压力值。

所述加热器包括主加热器和副加热器；主加热器和副加热器分别位于流通管路和气化室中；主加热器和副加热器均由热容和加热丝构成，加热丝缠绕在热容上，热容一般采用多孔介质材料制成

所述模块主体结构的两侧凹槽内放置金属辅助支架，将螺钉依次穿过电磁阀支架、模块主体结构和金属辅助支架，可实现电磁阀支架与模块主体结构的连接。

所述模块主体结构内部贮箱为环形主体结构，气化室位于贮箱的环形中间位置，用于实现将贮箱流出的液体推进剂或者气液混合推进剂完全气化，流通管道位于贮箱和气化室的间隙，为推进剂流通通道，喷管的数量可根据需求为N个，其分布位置也可根据需求布置，气态的推进剂通过喷管喷出，产生推力。

所述流通管道共N+1条，其中1条连接贮箱和气化室，其余N条通道连接气化室与喷管。

所述电磁阀共N+1个，并列排列在模块主体结构的上面，两端由电磁阀支架固定。

一种微型模块化丁烷推进方法，步骤如下：

1)将电磁阀通过金属辅助支架、电磁阀安装支架安装到主体结构上；

2)将推进剂通过加排阀加注到贮箱中；

3)将位于贮箱和气化室之间的电磁阀处于开状态，推进剂通过流通管道，可进入气化室；

4)将气化室中的加热器处于工作状态，同时加热系统也开始工作；

5)将位于气化室和喷管之间的电磁阀处于开状态，加热后的气态推进剂由喷管喷出。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明提出的微型推进系统的模块结构，将贮箱、气化室、管路、以及推力器等结构通过3D打印技术完成，突破了传统加工技术对结构布局的限制，实现了各单机高度集成，不需要专门的管路连接，空间布局紧凑新颖，贮箱设计为圆环形结构，贮箱中间为气化室，管路分布在间隙部分，充分利用空间，实现各单机之间的连接。该特点使得微推进系统的体积和重量大大减小。

(2)本发明中将加热器直接布置在管道和气化室内，加热器可以通过对流换热和传导换热两种方式对推进剂进行加热，在有限的空间和加热功率的前提下，大大提高了加热效率。

(3)本发明中电磁阀、加排阀的安装支架与非金属模块主体之间通过螺钉连接，为了提高金属螺钉与非金属材料连接的可靠性和寿命，设计了金属辅助支架的结构，将金属辅助支架的结构埋入非金属模块主体结构的凹槽内，从而实现金属螺钉与金属辅助支架直接连接，提高了连接的可靠性和寿命。

附图说明

图1为本发明微型模块化丁烷推进系统结构简图；

图2为本发明非金属3D打印模块主体结构简图；

图3为本发明贮箱结构示意图；

图4为本发明加热器结构简图。

具体实施方式

如图1所示，本发明一种微型丁烷推进系统结构，包括：模块主体结构1、加排阀2、加热系统、电磁阀8；加热系统位于模块主体结构1的中心位置，用于对推进剂进行状态确定和加热；电磁阀8并列排列在模块主体结构1的上部，用于对推进剂的流通进行通断管理；加排阀2位于模块主体结构1的一侧凹槽内，通过螺钉与模块主体结构1连接，通过加排阀2实现推进剂的加注和排出。

还包括金属辅助支架6、电磁阀安装支架7；电磁阀8两端通过电磁阀安装支架7进行固定，再通过螺钉将电磁阀支架7、金属辅助支架6与模块主体结构1连接固定。

所述模块主体结构1采用非金属材料通过3D打印而成；模块主体结构1外形为一个长方体结构，内部包括了贮箱9、气化室10、流通管道11及喷管12结构。

所述加热系统包括加热器3、温度传感器4、压力传感器5；其中加热器3用于将流入气化室10的推进剂进行加热，温度传感器4和压力传感器5用于监测气化室10中推进剂的温度和压力值。

所述加热器3包括主加热器和副加热器；主加热器和副加热器分别位于流通管路11和气化室10中；主加热器和副加热器均由热容13和加热丝14构成，加热丝14缠绕在热容13上，热容13一般采用多孔介质材料制成

所述模块主体结构1的两侧凹槽内放置金属辅助支架6，将螺钉依次穿过电磁阀支架7、模块主体结构1和金属辅助支架6，可实现电磁阀支架7与模块主体结构的连接。

所述模块主体结构1内部贮箱9为环形主体结构，气化室10位于贮箱9的环形中间位置，用于实现将贮箱流出的液体推进剂或者气液混合推进剂完全气化，流通管道11位于贮箱9和气化室10的间隙，为推进剂流通通道，喷管12的数量可根据需求为N个，其分布位置也可根据需求布置，气态的推进剂通过喷管12喷出，产生推力。

所述流通管道11共N+1条，其中1条连接贮箱9和气化室10，其余N条通道连接气化室10与喷管12。

所述电磁阀8共N+1个，并列排列在模块主体结构1的上面，两端由电磁阀支架7固定。

本发明一种微型模块化丁烷推进方法，其特征在于步骤如下：

1、将电磁阀8通过金属辅助支架6、电磁阀安装支架7安装到主体结构1上；

2、将推进剂通过加排阀2加注到贮箱9中；

3、将位于贮箱9和气化室10之间的电磁阀8处于开状态，推进剂通过流通管道11，可进入气化室10；

4、将气化室10中的加热器3处于工作状态，同时加热系统也开始工作；

5、将位于气化室10和喷管12之间的电磁阀8处于开状态，加热后的气态推进剂由喷管12喷出。

采用本发明的结构，可以大大降低整个推进系统的质量和体积，从而满足微纳卫星对推进系统的严苛的要求。丁烷推进剂以液态形式贮存，通过加热和气化装置使液态推进剂气化，再通过喷管喷射，从而产生推力。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。