本發(fā)明公開一種微小衛(wèi)星推進系統(tǒng)控制技術(shù)，具體涉及一種液化氣推進劑控制系統(tǒng)及控制方法。

背景技術(shù)：

以液化氣為推進劑的冷氣推進技術(shù)具有實施成本低、可靠性好等優(yōu)點，因此是目前應(yīng)用較多的空間推進技術(shù)。實際應(yīng)用中，為了克服冷氣貯存密度較低的缺點，將推進劑液化貯存，需要工作時，再通過加熱使之汽化。目前，對于這種工作時推進劑要由液態(tài)轉(zhuǎn)換為氣態(tài)的推進系統(tǒng)，其工作模式主要有兩種：冷氣推進模式和閃蒸射流模式，這兩種方式各有優(yōu)缺點。

冷氣推進模式的液氣轉(zhuǎn)換發(fā)生在貯箱內(nèi)部，其特點是液氣轉(zhuǎn)換相對充分，比沖和密度比沖高。此方案中，貯箱內(nèi)部設(shè)計有推進劑管理裝置（pmd），將液態(tài)推進劑約束在貯箱內(nèi)部，使氣態(tài)工質(zhì)覆蓋瓶口；同時能提供足夠的氣液轉(zhuǎn)換界面保證充足的氣液轉(zhuǎn)換，不影響氣相推進劑的供應(yīng)。存在的問題，pmd尺寸不能太小，推進劑充液量高時，若液位高過管理器，管理器作用有限，而減小加注量顯然是不經(jīng)濟的；pmd尺寸設(shè)計大時，會使貯箱重量增加較多。同時由于pmd內(nèi)置于貯箱內(nèi)，貯箱的設(shè)計、加工成本高，制作周期長。實際采用內(nèi)置pmd方案時亦難以完全避免液態(tài)工質(zhì)噴出。

閃蒸射流工作模式，液態(tài)工質(zhì)從貯箱直接到推力器，其液氣轉(zhuǎn)換發(fā)生在噴管喉部，利用液體溫度高于所處壓力下飽和蒸汽溫度時發(fā)生劇烈蒸發(fā)（閃蒸）的現(xiàn)象進行。閃蒸射流形成過程中，氣體蒸發(fā)所需熱量來自于其余部分液體的顯熱，即通過一部分液體溫度下降供給另一部分液體蒸發(fā)，工作期間貯箱溫度和推力較恒定。這種模式的缺點是液氣轉(zhuǎn)換不完全，比沖較低。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種液化氣推進劑控制系統(tǒng)及控制方法，能提高推進系統(tǒng)比沖，降低貯箱加工難度和成本。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種液化氣推進劑控制系統(tǒng)，其特點是，該控制系統(tǒng)包含：

貯箱，其存儲液態(tài)推進劑；

推進劑管理裝置，其連接貯箱的輸出端；

推力器，其連接推進劑管理裝置的輸出端；

在微小沖量輸出時，推進劑管理裝置束縛液態(tài)推進劑在貯箱與推進劑管理裝置之間，推進劑管理裝置內(nèi)的氣態(tài)推進劑輸出至推力器噴出，系統(tǒng)處于冷氣推進模式；在較大沖量輸出時，貯箱下游壓力下降，貯箱內(nèi)的氣泡壓力驅(qū)動液態(tài)推進劑漫過推進劑管理裝置，輸出至推力器并在噴管處進行閃蒸射流。

上述推進劑管理裝置采用外置式，與貯箱分離布置。

上述推進劑管理裝置內(nèi)設(shè)置有呈輻射狀的葉片結(jié)構(gòu)，葉片之間設(shè)有使液體曲率半徑變化產(chǎn)生的表面張力壓差的角縫隙。

上述貯箱與推進劑管理裝置之間可以加設(shè)加排閥，液態(tài)推進劑通過加排閥加注入貯箱。

上述推進劑管理裝置至推力器之間的管路上可設(shè)過濾器，過濾器過濾推進劑中的雜質(zhì)。

上述推進劑管理裝置至推力器之間的管路上可設(shè)有自鎖閥；推力器工作時自鎖閥保持打開，推力器停止工作時自鎖閥保持關(guān)閉。

上述推進劑管理裝置至推力器之間的管路上可設(shè)壓力傳感器，檢測控制系統(tǒng)內(nèi)的壓力。

一種上述液化氣推進劑控制系統(tǒng)的控制方法是：

在需求沖量小于預(yù)設(shè)閾值時，推進劑管理裝置利用表面張力原理將液態(tài)推進劑束縛在貯箱和推進劑管理裝置之間，推進劑管理裝置內(nèi)積蓄及蒸發(fā)產(chǎn)生的氣態(tài)推進劑供給推力器，推力器噴出氣態(tài)推進劑時處于冷氣推進模式；

在需求沖量大于預(yù)設(shè)閾值時，由于貯箱下游工作壓力的下降，貯箱內(nèi)的氣泡壓力驅(qū)動液態(tài)推進劑漫過推進劑管理裝置，到達推力器處并在噴管處發(fā)生閃蒸射流，進入閃蒸射流模式。

上述推力器工作時，自鎖閥保持打開；推力器停止工作時，自鎖閥保持關(guān)閉。

上述預(yù)設(shè)閾值為0.5n·s。

本發(fā)明液化氣推進劑控制系統(tǒng)及控制方法和現(xiàn)有技術(shù)相比，其優(yōu)點在于，本發(fā)明通過推進劑管理裝置能夠適應(yīng)沖量需求多變的場合，當在微小沖量需求時，處于冷氣推進模式，提高推進系統(tǒng)的比沖，當沖量需求較大時，進入閃蒸射流模式，滿足大沖量需求；

本發(fā)明相比于現(xiàn)有的冷氣工作模式，由推進劑管理裝置相比貯箱體積小得多，因此，相同的熱控功率可有效提高管理器內(nèi)液體的氣化效率，提升系統(tǒng)效率；同時由于貯箱內(nèi)壓力相對穩(wěn)定，其對下游工質(zhì)的推擠作用能減小下游壓力變化，有利于冷氣模式下推力穩(wěn)定輸出；

本發(fā)明中由于貯箱與推進劑管理裝置分離，貯箱的設(shè)計、加工成本降低，生產(chǎn)周期大大縮短；

本發(fā)明由于貯箱與推進劑管理裝置分離，能夠有效減小推進劑管理裝置的設(shè)計尺寸，降低整個系統(tǒng)的重量。

附圖說明

圖1為本發(fā)明液化氣推進劑控制系統(tǒng)實施例一的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明液化氣推進劑控制系統(tǒng)實施例二的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖，進一步說明本發(fā)明的具體實施例。

如圖1所示，揭示了一種液化氣推進劑控制系統(tǒng)實施例一的結(jié)構(gòu)示意圖，該控制系統(tǒng)包含：貯箱101、推進劑管理裝置（pmd）102和系統(tǒng)管路103、推力器104，以及外圍元件105。

貯箱101用于存儲液態(tài)推進劑，該液態(tài)推進劑為加壓液化的推進劑。

推進劑管理裝置102采用外置式，與貯箱101相互分離，推進劑管理裝置102通過系統(tǒng)管路103連接貯箱101的輸出端。推進劑管理裝置102內(nèi)設(shè)置有呈輻射狀的金屬葉片結(jié)構(gòu)，利用葉片間角縫隙間的液體曲率半徑變化產(chǎn)生的表面張力壓差，驅(qū)使液體在微重力的環(huán)境下流動，達到在其幾何形狀下的平衡，從而實現(xiàn)對液態(tài)工質(zhì)進行束縛，并促進氣態(tài)工質(zhì)向下游排出。

推力器104通過系統(tǒng)管路103連接推進劑管理裝置102的輸出端。

另外，外圍元件105根據(jù)系統(tǒng)需要配置，可以包含過濾器、自鎖閥、加排閥、壓力傳感器、溫度傳感器等設(shè)備之一或若干設(shè)備的組合。

本實施例一的液化氣推進劑控制系統(tǒng)的工作原理如下：

在需求沖量小于0.5n·s時，外置式的推進劑管理裝置102利用表面張力原理將液態(tài)推進劑束縛在貯箱101和推進劑管理裝置102之間的管路中，推進劑管理裝置102內(nèi)積蓄及蒸發(fā)產(chǎn)生的氣態(tài)推進劑供給下游用戶，當氣態(tài)推進劑輸送至推力器104，氣態(tài)推進劑從推力器104噴出時，推力器104所在的推進系統(tǒng)處于冷氣推進工作模式。

在需求沖量大于0.5n·s時，由于下游工作壓力的下降，貯箱101內(nèi)的氣泡壓力驅(qū)動液態(tài)工質(zhì)通過外置的推進劑管理裝置102，到達推力器104處并在推力器104的噴管處發(fā)生閃蒸射流，推力器104所在的推進系統(tǒng)進入閃蒸射流模式。

如圖2所示，為一種液化氣推進劑控制系統(tǒng)實施例二的結(jié)構(gòu)示意圖，該控制系統(tǒng)包含：貯箱201、推進劑管理裝置（pmd）202和過濾器203、自鎖閥204、壓力傳感器205、推力器206、加排閥207和系統(tǒng)管路208。

貯箱201用于存儲液態(tài)推進劑，該液態(tài)推進劑為加壓液化的推進劑。

推進劑管理裝置（pmd）202采用外置式，與貯箱201相互分離，設(shè)置于貯箱201外，為外置式pmd，推進劑管理裝置202通過系統(tǒng)管路208連接貯箱201的輸出端。推進劑管理裝置202內(nèi)設(shè)置有呈輻射狀的金屬葉片結(jié)構(gòu)，利用葉片間角縫隙間的液體曲率半徑變化產(chǎn)生的表面張力壓差，驅(qū)使液體在微重力的環(huán)境下流動，達到在其幾何形狀下的平衡，從而實現(xiàn)對液態(tài)工質(zhì)進行束縛，并促進氣態(tài)工質(zhì)向下游排出。

推進劑管理裝置202用于控制貯箱201至推力器206之間的推進劑輸送。

推力器206通過系統(tǒng)管路208連接至推進劑管理裝置202的輸出端。并且，過濾器203、自鎖閥204和壓力傳感器205由推進劑管理裝置202向推力器206方向依次設(shè)置于推進劑管理裝置202與推力器206之間的系統(tǒng)管路208中。

過濾器203用于過濾推進劑中的雜質(zhì)。

自鎖閥204用于在推力器206工作時自鎖閥204保持打開，推力器206停止工作時自鎖閥204保持關(guān)閉。

壓力傳感器205用于實時檢測控制系統(tǒng)內(nèi)的系統(tǒng)壓力。

加排閥207設(shè)置于貯箱201與推進劑管理裝置202之間的管路中，加排閥207用于將液態(tài)推進劑通過加排閥207加注入貯箱201。

本實施例二中，推進系統(tǒng)（包含推力器206）工作時，自鎖閥204保持打開，在需求沖量小于0.5n·s時，推進劑管理裝置202中積蓄及蒸發(fā)產(chǎn)生的氣態(tài)推進劑供給下游用戶，進入推力器206中產(chǎn)生沖量，氣態(tài)推進劑從推力器206噴出時，推力器206所在的推進系統(tǒng)處于冷氣推進工作模式。

在需求沖量大于0.5n·s時，，由于下游工作壓力的下降，貯箱201內(nèi)的氣泡壓力驅(qū)動液態(tài)工質(zhì)漫過外置的推進劑管理裝置202，推進劑以液態(tài)形式進入推力器206中，并在噴管中快速蒸發(fā)汽化，以氣液兩相狀態(tài)噴射出去，形成推力，工作于閃蒸射流模式。

當推進系統(tǒng)不工作時，自鎖閥204保持關(guān)閉。

本發(fā)明及還公開了適用于上述一種液化氣推進劑控制系統(tǒng)的控制方法，該控制方法具體包含以下步驟：

s1、推力器啟動工作，自鎖閥保持打開。

s2、根據(jù)接收的控制指令，推力器對應(yīng)相應(yīng)的開口量，在微小沖量需求下，推力器開口量較小，在大沖量需求下，推力器開口量較大。若進行微小沖量輸出則跳轉(zhuǎn)到s3，若進行大沖量輸出則跳轉(zhuǎn)到s4。

s3、在需求沖量小于預(yù)設(shè)閾值0.5n·s時，推進劑管理裝置利用表面張力原理將液態(tài)推進劑束縛在貯箱和推進劑管理裝置之間，推進劑管理裝置內(nèi)積蓄及蒸發(fā)產(chǎn)生的氣態(tài)推進劑供給推力器，推力器噴出氣態(tài)推進劑時處于冷氣推進模式，跳轉(zhuǎn)到s5。

s4、在需求沖量大于預(yù)設(shè)閾值0.5n·s時，由于貯箱下游工作壓力的下降，貯箱內(nèi)的氣泡壓力驅(qū)動液態(tài)推進劑漫過推進劑管理裝置，到達推力器處并在噴管處發(fā)生閃蒸射流，進入閃蒸射流模式，跳轉(zhuǎn)到s5。

s5、當控制系統(tǒng)收到推進系統(tǒng)停止指令，則推進系統(tǒng)及其推力器停止工作，自鎖閥關(guān)閉，且在推進系統(tǒng)停止工作時保持關(guān)閉。

盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過上述優(yōu)選實施例作了詳細介紹，但應(yīng)當認識到上述的描述不應(yīng)被認為是對本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來限定。