專利名稱：一種固體鋰推進(jìn)劑恒溫液態(tài)輸送裝置及其輸送方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁等離子體動(dòng)力學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)(MPDT)地面試驗(yàn)領(lǐng)域，具體來說，是一種磁等離子體動(dòng)力學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)(MPDT)地面試驗(yàn)領(lǐng)域中的固體鋰推進(jìn)劑恒溫液態(tài)輸送方法。
背景技術(shù)：
磁等離子體動(dòng)力學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)(MPDT)是一種典型的電磁式空間電推進(jìn)系統(tǒng)，具有高比沖、大推力范圍、長壽命、高控制精度、可重復(fù)啟動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，在航天器姿軌控、深空探測和星際航行等任務(wù)中具有廣闊應(yīng)用前景。磁等離子體動(dòng)力學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)可以以氫氣、鋰、氖、氬、氙等為推進(jìn)劑，利用磁場和電流相互作用生成洛倫茲力來加速等離子體態(tài)推進(jìn)劑產(chǎn)生推力，因此也被稱為洛倫茲力加速器 (Lorentz Force Accelerator) 0 MPDT的基本形式是由頭部為錐形的棒狀陰極和環(huán)繞陰極的圓柱形陽極組成。MPDT工作時(shí)，通過在陰極和陽極之間放電形成電弧，推進(jìn)劑形成的高溫等離子體。對(duì)于自身磁場磁等離子體動(dòng)力學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)，電流通過等離子體生成感生磁場，感生的磁場與電流相互作用形成軸向的洛侖茲力，加速推進(jìn)劑排出發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生推力；對(duì)于外加磁場磁等離子體動(dòng)力學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)，推進(jìn)劑在外加磁場、感生磁場和電流的共同作用下實(shí)現(xiàn)加速。通過地面試驗(yàn)對(duì)MPDT發(fā)動(dòng)機(jī)的各種性能進(jìn)行研究正在世界范圍內(nèi)開展。試驗(yàn)測試表明鋰可以為磁等離子體動(dòng)力學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)提供優(yōu)秀的推進(jìn)性能，是磁等離子體動(dòng)力學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑的首選。有效的實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰磁等離子體動(dòng)力學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑供給是進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)的基礎(chǔ)，直接影響試驗(yàn)效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種固體鋰推進(jìn)劑恒溫液態(tài)輸送裝置及其輸送方法，適用于以固體堿金屬鋰為推進(jìn)劑的磁等離子體動(dòng)力學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)液態(tài)推進(jìn)劑供給，針對(duì)磁等離子體動(dòng)力學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)所采用的推進(jìn)劑在常溫下是固體的情況，解決了推進(jìn)劑固體堿金屬鋰可控溫度液化和流量精確控制的難題。一種固體鋰推進(jìn)劑恒溫液態(tài)輸送裝置，包括液態(tài)鋰推進(jìn)劑供給分裝置和冷卻水控制分裝置。所述液態(tài)鋰推進(jìn)劑供給分裝置包括鋰貯箱、活塞、步進(jìn)電機(jī)與推進(jìn)劑管路；其中， 鋰貯箱底部通過推進(jìn)劑管路與磁等離子體動(dòng)力學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)相連；鋰貯箱外壁上安裝有鋰貯箱加熱膜，活塞設(shè)置在鋰貯箱內(nèi)部，通過由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)活塞在鋰貯箱內(nèi)進(jìn)行活塞運(yùn)動(dòng)；在推進(jìn)劑管路的外壁上安裝有推進(jìn)劑管路加熱膜。冷卻水控制分裝置包括循環(huán)冷卻水貯箱、第一冷卻水管路和第二冷卻水管路；其中，第一冷卻水管路盤繞在推進(jìn)劑管路上，兩端均與冷卻水貯箱連通；在第一冷卻水管路的出水端處安裝有第一出水閥與第一過濾器，回水端安裝有第一回水閥。第二冷卻水管路盤繞在鋰貯箱上部，兩端均與循環(huán)冷卻水貯箱連通；在第二冷卻水管路的出水端處安裝有第二出水閥與第二過濾器，第二冷卻水管路的回水端處安裝有第二回水閥。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于1、本發(fā)明輸送裝置針對(duì)鋰磁等離子體動(dòng)力學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)中推進(jìn)劑供給裝置的特殊要求，采用帶有加熱膜的推進(jìn)劑貯箱和推進(jìn)劑管路分別存儲(chǔ)、輸送液態(tài)鋰推進(jìn)劑，并通過調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)工作控制活塞實(shí)現(xiàn)了液態(tài)鋰推進(jìn)劑的流量可控精確供給，且全部裝置實(shí)現(xiàn)了溫度監(jiān)測，增強(qiáng)了輸送裝置的穩(wěn)定性、實(shí)用性、易操作性和精度；2、本發(fā)明裝置中采用冷卻水管以盤繞的方式固定在推進(jìn)劑管路外壁上，由此實(shí)現(xiàn)了推進(jìn)劑管路的控制，可避免使用普通閥門容易造成的閥門凝結(jié)損耗，大大延長了推進(jìn)劑管路的壽命，并且有效提高了試驗(yàn)效率和操作的實(shí)用性；3、本發(fā)明裝置可有效的解決地面試驗(yàn)中磁等離子體動(dòng)力學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)液態(tài)鋰推進(jìn)劑恒溫供給間題，可使推進(jìn)劑有效、向磁等離子體動(dòng)力學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)輸送。


圖1為本發(fā)明輸送裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為基于本發(fā)明輸送裝置的輸送方法流程圖<圖中


I"液態(tài)鋰推進(jìn)劑供給分裝置2-冷卻水控制分裝置3-磁等離子體動(dòng)力學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)
4-真空艙 103-步進(jìn)電機(jī) 106-推進(jìn)劑管路加熱膜 201-循環(huán)冷卻水貯箱 202a-第一出水閥 203a-第二出水閥
101-鋰貯箱 104-推進(jìn)劑管路 107-第一溫度傳感器 202-第一冷卻水管路 202b-第一回水閥 203b-第二回水閥
102-活塞 105-鋰貯箱加熱膜 108-第二溫度傳感器 203-第二冷卻水管路 202c-第一過濾器 203c-第二過濾器
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。本發(fā)明一種固體鋰推進(jìn)劑恒溫液態(tài)輸送裝置，包括液態(tài)鋰推進(jìn)劑供給分裝置1和冷卻水控制分裝置2。所屬液態(tài)鋰推進(jìn)劑供給分裝置1用來為磁等離子體動(dòng)力學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)輸送液態(tài)鋰推進(jìn)劑，包括鋰貯箱101、活塞102、步進(jìn)電機(jī)103、推進(jìn)劑管路104。其中，鋰貯箱101用來盛放作為推進(jìn)劑的固態(tài)鋰，底部通過推進(jìn)劑管路104與磁等離子體動(dòng)力學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)3相連。鋰貯箱101外壁上安裝有鋰貯箱加熱膜105，用來對(duì)鋰貯箱101中的固態(tài)鋰加熱，使其轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)鋰。活塞102設(shè)置在鋰貯箱101內(nèi)部，通過由步進(jìn)電機(jī)103驅(qū)動(dòng)活塞102在鋰貯箱101 內(nèi)進(jìn)行活塞運(yùn)動(dòng)，擠壓鋰貯箱101內(nèi)的液態(tài)鋰，使液態(tài)鋰進(jìn)入推進(jìn)劑管路104，最終隨推進(jìn)劑管路104進(jìn)入到磁等離子體動(dòng)力學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)3中。步進(jìn)電機(jī)103還可用來控制活塞102進(jìn)行活塞運(yùn)動(dòng)的速度，從而達(dá)到推進(jìn)劑的流量控制。為了使液態(tài)鋰由鋰貯箱101到達(dá)磁等離子體動(dòng)力學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)3的過程中始終保持液態(tài)，因此本發(fā)明在推進(jìn)劑管路104的外壁上安裝有推進(jìn)劑管路加熱膜106，來為在推進(jìn)劑管路104中流動(dòng)的液態(tài)鋰加熱。在鋰貯箱101外壁以及推進(jìn)劑管路104外壁上分別安裝有第一溫度傳感器107與第二溫度傳感器108，分別用來監(jiān)測鋰貯箱101以及推進(jìn)劑管路104的溫度，保證鋰貯箱101以及推進(jìn)劑管路104 內(nèi)的液態(tài)鋰始終處于液態(tài)，第一溫度傳感器107與第二溫度傳感器108均采用PT100。由于固態(tài)鋰具有強(qiáng)還原性，在空氣和水中極易受到污染，因此整套液態(tài)鋰推進(jìn)劑供給分裝置1 設(shè)置在真空環(huán)境的真空艙4中。冷卻水控制分裝置2位于真空艙4外部，包括循環(huán)冷卻水貯箱201、第一冷卻水管路202、第二冷卻水管路203。其中，循環(huán)冷卻水貯箱201用來盛放循環(huán)冷卻水；第一冷卻水管路202盤繞在推進(jìn)劑管路104上，盤繞處與推進(jìn)劑管路104外壁貼合，兩端均與冷卻水貯箱201連通。在第一冷卻水管路202的出水端處安裝有第一出水閥20 與第一過濾器 202c,回水端安裝有第一回水閥202b。第一出水閥20 與第一回水閥202b分別控制第一冷卻水管路202出水端和回水端處管路的通斷，第一過濾器202c用來過濾由第一冷卻水管路202出水端放出的循環(huán)冷卻水。由此當(dāng)開啟第一出水閥20 后，循環(huán)冷卻水由第一冷卻水管路202的出水端進(jìn)入第一冷卻水管路202中，經(jīng)過第一過濾器202c濾清循環(huán)冷卻水中的雜質(zhì)后，繼續(xù)流向第一冷卻水管路202的回水端，當(dāng)循環(huán)冷卻水流過第一冷卻水管路202 在推進(jìn)劑管路104上的盤繞處時(shí)，使盤繞處附近的推進(jìn)劑管路104溫度下降，使推進(jìn)劑管路 104中的液態(tài)鋰凝固，由此使推進(jìn)劑管路104封閉，推進(jìn)劑供給停止。當(dāng)循環(huán)冷卻水到達(dá)第一冷卻水管路202的出水端后，通過開啟第一回水閥202b，使循環(huán)冷卻水流回循環(huán)冷卻水貯箱201中。當(dāng)需要恢復(fù)推進(jìn)劑供給時(shí)，關(guān)閉第一出水閥20加，使循環(huán)冷卻水出水中斷，在推進(jìn)劑管路加熱膜106的作用下，推進(jìn)劑管路104中的固態(tài)鋰再次轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，從而再次實(shí)現(xiàn)液態(tài)鋰的穩(wěn)定輸送。第二冷卻水管路203盤繞在鋰貯箱101上部，盤繞處與鋰貯箱101外壁貼合，兩端均與循環(huán)冷卻水貯箱201連通。在第二冷卻水管路203的出水端處安裝有第二出水閥203a 與第二過濾器203c，第二冷卻水管路203的回水端處安裝有第二回水閥20北。第二出水閥 203a與第二回水閥203c分別控制第二冷卻水管路203的出水端和回水端處管路的通斷， 第二過濾器203c用來過濾由第二冷卻水管路203出水端放出的循環(huán)冷卻水。由此當(dāng)開啟第二出水閥203a后，循環(huán)冷卻水由第二冷卻水管路203的出水端進(jìn)入第二冷卻水管路203 中，經(jīng)過第二過濾器203c濾清循環(huán)冷卻水中的雜質(zhì)后，繼續(xù)流向第二冷卻水管路203的回水端，當(dāng)循環(huán)冷卻水流過第二冷卻水管路203在鋰貯箱101上部的盤繞處時(shí)，會(huì)對(duì)鋰貯箱 101中持續(xù)加熱的液態(tài)鋰所產(chǎn)生的上升鋰蒸汽冷卻液化，避免鋰蒸氣從鋰貯箱101內(nèi)壁與活塞102間的空隙溢出，循環(huán)冷卻水到達(dá)第二冷卻水管路203的出水端后，通過開啟第二回水閥20北，使循環(huán)冷卻水流回冷卻水貯箱201中。本發(fā)明輸送裝置中各管路均為不銹鋼管，采用的材料為lCrl8Ni9Ti，具有良好的耐腐蝕性，各管路之間以及推進(jìn)機(jī)管路104與鋰貯箱101間均采用氬弧焊或其他惰性氣體保護(hù)焊，由此可減少焊接處的氧化物，且焊接完畢后經(jīng)過酸洗鈍化，再進(jìn)行超聲波清洗、氮?dú)獯党M(jìn)而保證本發(fā)明輸送裝置的清潔度。基于上述固體鋰推進(jìn)劑恒溫液態(tài)輸送裝置的輸送方法通過下述四個(gè)步驟來實(shí)現(xiàn)步驟1 吹除推進(jìn)劑管路104中的雜質(zhì)；試驗(yàn)開始前，開啟鋰貯箱加熱膜105與推進(jìn)劑管路加熱膜106分別加熱鋰貯箱101和推進(jìn)劑管路104，使鋰貯箱101與推進(jìn)劑管路104中殘留的鋰推進(jìn)劑處于液化狀態(tài)；向鋰貯箱101中通入氬氣，氬氣通過鋰貯箱101進(jìn)入到推進(jìn)劑管路104中，通過氬氣吹除鋰貯箱 101以及推進(jìn)劑管路104中的雜質(zhì)，保持鋰貯箱101與推進(jìn)劑管路104的干燥。步驟2 鋰貯箱101中放入固體鋰；試驗(yàn)開始前，在鋰貯箱101中放入固體鋰，鋰貯箱101中的固態(tài)鋰受熱轉(zhuǎn)為液態(tài)； 打開第二出水閥203a、第二回水閥20北，保證液態(tài)鋰在推進(jìn)劑管路104內(nèi)可以穩(wěn)定流動(dòng)；同時(shí)關(guān)閉第一出水閥20 、第一回水閥202b，避免鋰蒸氣從鋰貯箱101內(nèi)壁與活塞102的空隙溢出。步驟3 向磁等離子體動(dòng)力學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)3中輸送推進(jìn)劑；啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)103，推動(dòng)活塞102往復(fù)運(yùn)動(dòng)，調(diào)整步進(jìn)電機(jī)103轉(zhuǎn)速控制流量大小， 通過活塞102使鋰貯箱101中的液態(tài)鋰進(jìn)入到推進(jìn)劑管路104中，最后到達(dá)磁等離子體動(dòng)力學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)3。步驟4 停止推進(jìn)劑的供給；實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)閉步進(jìn)電機(jī)3，同時(shí)打開第一出水閥20la、第一回水閥202b，使推進(jìn)劑管路104中的液態(tài)鋰凝固轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)鋰，封閉推進(jìn)劑管路104，推進(jìn)劑輸送停止。當(dāng)需要恢復(fù)推進(jìn)劑輸送時(shí)，關(guān)閉第一出水閥20 ，循環(huán)冷卻水出水中斷，在推進(jìn)劑管路加熱膜 106的作用下，推進(jìn)劑管路104中的固態(tài)鋰再次轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，實(shí)現(xiàn)液態(tài)鋰的穩(wěn)定輸送。
權(quán)利要求
1.一種固體鋰推進(jìn)劑恒溫液態(tài)輸送裝置，其特征在于包括液態(tài)鋰推進(jìn)劑供給分裝置和冷卻水控制分裝置；所述液態(tài)鋰推進(jìn)劑供給分裝置包括鋰貯箱、活塞、步進(jìn)電機(jī)與推進(jìn)劑管路；其中，鋰貯箱底部通過推進(jìn)劑管路與磁等離子體動(dòng)力學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)相連；鋰貯箱外壁上安裝有鋰貯箱加熱膜，活塞設(shè)置在鋰貯箱內(nèi)部，通過由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)活塞在鋰貯箱內(nèi)進(jìn)行活塞運(yùn)動(dòng)；在推進(jìn)劑管路的外壁上安裝有推進(jìn)劑管路加熱膜；冷卻水控制分裝置包括循環(huán)冷卻水貯箱、第一冷卻水管路和第二冷卻水管路；其中，第一冷卻水管路盤繞在推進(jìn)劑管路上，兩端均與冷卻水貯箱連通；在第一冷卻水管路的出水端處安裝有第一出水閥與第一過濾器，回水端安裝有第一回水閥；第二冷卻水管路盤繞在鋰貯箱上部，兩端均與循環(huán)冷卻水貯箱連通；在第二冷卻水管路的出水端處安裝有第二出水閥與第二過濾器，第二冷卻水管路的回水端處安裝有第二回水閥。
2.如權(quán)利要求1所述一種固體鋰推進(jìn)劑恒溫液態(tài)輸送裝置，其特征在于所述液態(tài)鋰推進(jìn)劑供給分裝置設(shè)置在真空艙中。
3.如權(quán)利要求1所述一種固體鋰推進(jìn)劑恒溫液態(tài)輸送裝置，其特征在于所述鋰貯箱外壁以及推進(jìn)劑管路外壁上分別安裝有第一溫度傳感器與第二溫度傳感器。
4.如權(quán)利要求3所述一種固體鋰推進(jìn)劑恒溫液態(tài)輸送裝置，其特征在于所述第一溫度傳感器與第二溫度傳感器均采用PT 100。
5.如權(quán)利要求1所述一種固體鋰推進(jìn)劑恒溫液態(tài)輸送裝置，其特征在于第一冷卻水管路在推進(jìn)劑管路上的盤繞處與推進(jìn)劑管路貼合；第二冷卻水管路在鋰貯箱上的盤繞處與鋰貯箱貼合。
6.如權(quán)利要求1所述一種固體鋰推進(jìn)劑恒溫液態(tài)輸送裝置，其特征在于所述推進(jìn)劑管路、第一冷卻水管路與第二冷卻水管路均為不銹鋼管，采用的材料為lCrl8M9Ti。
7.如權(quán)利要求1所述一種固體鋰推進(jìn)劑恒溫液態(tài)輸送裝置，其特征在于所述第一冷卻水管路、第二冷卻水管路與循環(huán)冷卻水貯箱間，以及推進(jìn)機(jī)管路與鋰貯箱間均采用氬弧焊接或惰性氣體保護(hù)焊接，且焊接完畢后依次經(jīng)過酸洗鈍化，再進(jìn)行超聲波清洗、氮?dú)獯党?br> 8.基于權(quán)利要求1所述一種固體鋰推進(jìn)劑恒溫液態(tài)輸送裝置的輸送方法，其特征在于通過下述四個(gè)步驟來實(shí)現(xiàn)步驟1 吹除推進(jìn)劑管路中的雜質(zhì)；試驗(yàn)開始前，開啟鋰貯箱加熱膜與推進(jìn)劑管路加熱膜分別加熱鋰貯箱和推進(jìn)劑管路， 向鋰貯箱中通入氬氣，通過氬氣吹除鋰貯箱以及推進(jìn)劑管路中的雜質(zhì)；步驟2 鋰貯箱中放入固體鋰推進(jìn)劑；試驗(yàn)開始前，在鋰貯箱中放入固體鋰，并打開第二出水閥、第二回水閥，關(guān)閉第一出水閥、第一回水閥；步驟3 向磁等離子體動(dòng)力學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)中輸送推進(jìn)劑；啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，活塞向下運(yùn)動(dòng)，調(diào)整步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制流量大??；步驟4:停止推進(jìn)劑的供給；實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)閉步進(jìn)電機(jī)，同時(shí)打開第一出水閥、第一回水閥；當(dāng)需要恢復(fù)供給時(shí)，關(guān)閉第一出水閥。
全文摘要
本發(fā)明一種固體鋰推進(jìn)劑恒溫液態(tài)輸送裝置及其輸送方法，包括液態(tài)鋰推進(jìn)劑供給分裝置與冷卻水控制分裝置。液態(tài)鋰推進(jìn)劑供給分裝置可實(shí)現(xiàn)在溫度監(jiān)測下，開啟加熱膜將鋰貯箱中固體鋰推進(jìn)劑加熱液化，通過活塞推動(dòng)液態(tài)鋰隨推進(jìn)劑管路輸送到磁等離子體動(dòng)力學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)。冷卻水控制分裝置通過向推進(jìn)劑供給管路外壁通入冷卻水，使液態(tài)鋰轉(zhuǎn)為固態(tài)，實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑管路的通斷控制。在液態(tài)推進(jìn)劑供給過程中，冷卻水控制分裝置關(guān)閉，開啟加熱膜以及活塞，由此保證鋰的液態(tài)穩(wěn)定流動(dòng)；發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)時(shí)，開啟冷卻水控制分裝置，推進(jìn)劑管路中液態(tài)鋰轉(zhuǎn)為固態(tài)，實(shí)現(xiàn)管路的自動(dòng)關(guān)閉。本發(fā)明輸送裝置易操作，且推進(jìn)劑輸送穩(wěn)定、精度高，有效提高了試驗(yàn)效率和操作的實(shí)用性。
文檔編號(hào)F02K9/24GK102392757SQ20111030115
公開日2012年3月28日 申請(qǐng)日期2011年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月29日
發(fā)明者王海興, 耿金越, 陳士強(qiáng) 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)