专利名称：一种采用圆环贮箱的氮气冷气微推进装置的制作方法
技术领域：
本发明属于冷气微推进技术领域，涉及一种适用于微小卫星的氮气冷气微推进装 置，具体是一种采用圆环贮箱的氮气冷气微推进装置。
背景技术：
冷气微推进系统是指用于微小卫星的冷气推进系统，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。微小卫星指的是重量在IOkg 500kg范围内的 卫星。微小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 推进系统是一种常用的推进系统，微小卫星能够采用冷气作为其推进系统的推进剂，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，使得推进系统在可靠性、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。推进系统是指用于卫星或航天器上，在控制系统的指令作用下，实现卫星轨道控 制和姿态控制的执行结构。推进系统中应用的一项重要技术是推进技术，即指任何一种依 靠能源使排出推进剂加速的技术。按推进方式划分，卫星推进系统大体上可划分为双组元 推进系统、单组元推进系统和电推进系统三大类，单组元推进系统又包括产生化学反应和 不产生化学反应的两类。参与化学反应的推进剂一般是推进剂通过加热过程而分解，分解 气体由喷管喷出，产生推力。这类典型的推进剂有无水胼和过氧化氢等。不参与化学反应 的推进剂是指这些推进剂，其无须加热，直接由喷管喷出，即可产生推力。而冷气推进系统， 系指推进系统没有热源，由喷管排出推进剂气体即可产生推力，这种推进系统与有热源的 推进系统相比较无须加热，没有热回浸等问题，重复性和可靠性较高。冷气推进系统的工作过程是冷气以高压形式贮存，减压器把冷气压力降到所要求 的压力之后，气体通过电磁阀输送到喷管，它的优点是安全、成本低、响应快，重复性好，并 因为系统简单而可靠性高。虽然喷管的重量轻，但由于需要配备高压气瓶(贮箱)和分配 输送系统，整个系统的重量是中等的，另因为需要大量的气瓶来贮存推进剂(气体状态)， 系统在体积上的利用率不高，典型的冷气推进系统的输出推力范围是5mN 250N，当喷管 面积比为100时，氮气比冲变化范围45s 74s，具体取决于喷管(推力器)推力的大小，因 为随推力器的体积减小，喷管的损失将增加。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于微小卫星进行姿态控制以及轨道维持与控制的 氮气冷气微推进装置；本发明微推进装置采用一个圆环形气瓶作为推进剂贮箱，使用氮气为推进剂，无毒无污染；微推进装置结构简单，元器件较少，可以降低系统的功耗和质量，提 高可靠性和安全性，降低生产成本；微推进装置整体安装在安装隔板上，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。本发明一种微小卫星氮气冷气微推进装置，主要包括高压充气阀、圆环形推进剂 贮箱、高压充气阀、高压减压器、低压减压器、高压自锁阀、推力器、高压传感器、过滤器与控 制线路盒。上述部件均安装在安装隔板上；推进剂贮箱上连接有高压充气阀，通过高压充气阀向推进系统的推进剂贮箱装填 高压氮气；推进剂贮箱上还连接有三通A，三通A上连接有高压传感器，推进剂贮箱内的氮 气压力可通过高压传感器进行监测；三通A上还依次连接有高压自锁阀、高压减压器、低压 减压器和过滤器，高压自锁阀、高压减压器、低压减压器和过滤器间通过管路连接；过滤器通过管路与三通E连接，三通E的剩余两个通口分别连接有供给管路，供 给管路的另一端各连接有二通，在二通上通过供气管路连接有推力器；推力器上装有电磁 阀；控制线路盒与需要控制的高压传感器、高压自锁阀以及推力器之间通过电缆连 接，用以供电和传输控制信号。控制线路盒可以根据卫星的相关控制指令，发出控制信号， 打开需要工作的推力器的电磁阀。本发明的优点在于(1)本发明微推进装置结构简单，使用氮气作为推进剂，低成本、高可靠性、低功 耗、无污染以及安全性高；(2)本发明微推进装置整体安装在安装隔板上，便于安装与替换。
图1为本发明氮气冷气微推进装置结构俯视图；图2为本发明氮气冷气微推进装置在六边形安装隔板上的安装结构俯视3为本发明氮气冷气微推进装置在六边形安装隔板上的安装结构侧视图<图中1-推进剂贮箱 2-高压充气阀 3-高压传感器4-高压自锁阀 5-高压减压器 6-低压减压器7-过滤器8-三通A9-三通B10-三通C 11-二通12-供气管路13-推力器 14-控制线路盒 15-安装隔板16-供给管路
具体实施例方式本发明一种微小卫星氮气冷气微推进装置，主要由推进剂贮箱1、高压充气阀2、 高压减压器5、低压减压器6、高压自锁阀4、推力器13、高压传感器3、过滤器7、与控制线路 盒14。如图1所示，上述部件均安装在安装隔板15上，便于微推进装置的安装与替换、修 理。所述安装隔板15的形状与所需要安装微推进装置的卫星截面形状相同。其中推进剂贮箱1为圆环形贮箱，可以最大的利用安装隔板15的安装空间，并且有利于将推进系统整体的质心调整到安装隔板15的中轴线上。推进剂贮箱1上连接有高 压充气阀2，通过高压充气阀2向推进系统的推进剂贮箱1装填高压氮气。推进剂贮箱1上 还连接有三通A8，三通A8上连接有高压传感器3，推进剂贮箱1内的氮气压力可通过高压 传感器3进行监测。三通A8上还依次连接有高压自锁阀4、高压减压器5、低压减压器6和 过滤器7，高压自锁阀4、高压减压器5、低压减压器6和过滤器7间通过管路连接。高压自 锁阀4用来使推进剂贮箱1中的氮气推进剂与本发明微推进装置中的管路隔离。由于氮气 的存储压力远高于推力器13要求的入口压力，因此打开高压自锁阀4，使推进剂贮箱1中流 出的推进剂通过高压自锁阀4进入高压减压器5进行一级减压，接着进入低压减压器6进 行二级减压，使氮气推进剂的压力从20MPa降到推力器13要求的入口压力值0. 25Mpa，减压 后的推进剂进入到过滤器7中进行过滤，以免氮气中存在杂质堵塞推力器13喉部，系统采 用的是高纯氮气，杂质极少，但由于推力器13喉部直径极小，即使细微的杂质也会造成推 力器13堵塞，因此采用过滤器7进行保证。过滤器7通过管路与三通B9连接，三通B9的剩余两个通口分别与两供给管路16 的一端连接，两供给管路16的另一端各连接有二通11，在二通11上通过供气管路12连接 有推力器13。若需要在不同位置增加推力器13时，只需要在供给管路16中增加三通C10， 再通过供气管路12将推力器13与三通ClO连接；若需要在同一位置增加推力器13时，可 在供给管路16上连接带有多个通口的管道连接件，从而连接多个推力器13。气化后的丙烷 推进剂通过三通B9进入到供给管路16中，通过供给管路16中的三通ClO与二通11进入 到供气管路12中，最终通过供气管路12进入到相应的推力器13中。推力器13上装有电 磁阀，打开需要工作的推力器13的电磁阀，则丙烷气体会从中喷出，从而产生推力。控制线路盒14与高压传感器3、高压自锁阀4以及推力器13之间通过电缆连接， 用以供电和传输控制信号。控制线路盒14可以根据卫星的相关控制指令发出控制信号，打 开需要工作的推力器13的电磁阀，则氮气会从中喷出，从而产生推力；由此使推力器13可 单独工作，也可以多个共同工作。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12上连接的推力器13的数量，并且确定各 个推力器13在安装隔板15上的位置布局。上述推力器13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13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。首先在工作前保证高压自锁阀4以及推力器13上的电磁阀是关闭的，防止推进剂 自然流出。当工作结束时，首先关闭推力器13的电磁阀，接着关闭高压自锁阀4，原因在于推 力器13的电磁阀前需要维持一定的压力，防止发生泄漏。下面通过一实施例来对本发明中推力器13的数量以及位置布置做进一步说明。如图2所示，安装隔板15采用六边形隔板，安装隔板15上安装有环形推进剂贮箱 1，使环形推进剂贮箱1与安装隔板15同轴心。推进剂贮箱1上连接有高压充气阀2和三通A8，三通A8上连接有高压传感器3。 三通A8上还依次连接有高压自锁阀4、高压减压器5、低压减压器6和过滤器7，高压自锁阀 4、高压减压器5、低压减压器6和过滤器7间通过管路连接。
过滤器7通过管路与三通B9连接，三通B9的另两个通口分别连接有供给管路16， 供给管路16的另一端各连接有二通11，由此形成本发明微推进装置的供气管路12。在供 给管路16上分别设置有四个三通C10，在二通11与三通ClO上各通过供气管路12连接有 推力器13。所述高压充气阀、高压传感器3、高压自锁阀4、高压减压器5、低压减压器6、过滤 器7与控制线路盒14布置在圆环推进剂贮箱1内圈的安装隔板15上。供给管路16布置 在圆环推进剂贮箱1外圈的安装隔板15上。设六边形安装隔板15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15的对角，因此将在推力器13布置在a与d、b与e、c与f处，且 在c与f处各设置有一对推力器13，b与e、a与d处各设置一个推力器13，且将b与e和 a与d处的推力器13分别设置在安装隔板15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
一种采用圆环贮箱的氮气冷气微推进装置，其特征在于包括圆环形推进剂贮箱、高压充气阀、高压减压器、低压减压器、高压自锁阀、推力器、高压传感器、过滤器和控制线路盒；上述部件均安装在安装隔板上；所述圆环形推进剂贮箱上连接有高压充气阀，通过高压充气阀向圆环形推进剂贮箱装填高压氮气；圆环形推进剂贮箱上还通过三通A连接有高压传感器，用来监测圆环形推进剂贮箱内的氮气压力；三通A上还依次通过管路连接有高压自锁阀、高压减压器、低压减压器和过滤器；过滤器通过管路与三通E连接，三通E的剩余两个通口分别连接有供给管路，供给管路的另一端各连接有二通，在二通上通过供气管路连接有推力器；推力器上装有电磁阀；控制线路盒分别与需要控制的高压传感器、高压自锁阀以及推力器之间通过电缆连接，用以供电和传输控制信号；所述的控制线路盒根据卫星控制指令发出控制信号，控制需要工作的推力器的电磁阀。
2.如权利要求1所述一种氮气冷气微推进装置，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。
3.如权利要求1所述一种氮气冷气微推进装置，其特征在于所述供给管路中设置至 少一个三通C，三通C通过供气管路连接推力器。
4.如权利要求1所述一种氮气冷气微推进装置，其特征在于所述圆环形推进剂贮箱 内装填液氮推进剂，装填液氮推进剂总质量为0. 6kg，储存的压力为0. 84MPa。
5.如权利要求1所述一种氮气冷气微推进装置，其特征在于所述高压充气阀、高压传 感器、高压自锁阀、高压减压器、低压减压器、过滤器与控制线路盒布置在圆环推进剂贮箱 内圈的安装隔板上；供给管路布置在圆环推进剂贮箱外圈的安装隔板上。
全文摘要
本发明公开一种采用圆环贮箱的氮气冷气微推进装置，包括推进剂贮箱、高压充气阀、高压减压器、低压减压器、高压自锁阀、推力器、高压传感器、过滤器；用于微小卫星进行姿态控制以及轨道维持与控制；本发明微推进装置使用氮气为推进剂，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F02K9/44GK101907040SQ201010238399
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