一種用于微納衛(wèi)星的丙烷微推進(jìn)系統(tǒng)

晉曉偉，童 飛，馬 鍵，李 平

（西安航天動(dòng)力研究所，陜西 西安710100）

0 引言

微型航天器一直是空間應(yīng)用領(lǐng)域一個(gè)重要的分支。從國內(nèi)外發(fā)展情況來看，衛(wèi)星走了一條從小到大，又從大到小的道路。衛(wèi)星的大小分類，經(jīng)過多年發(fā)展基本形成以下共識(shí)：10～100 kg量級(jí)為微衛(wèi)星 (Micro satellite)，1～10 kg量級(jí)為納衛(wèi)星 (Nano satellite)。從國外統(tǒng)計(jì)情況看，小型衛(wèi)星更具有成本上的優(yōu)勢(shì)。

微納衛(wèi)星具有重量輕、體積小、成本低、研制周期短及可批量生產(chǎn)的特點(diǎn)，具有較好的適應(yīng)性，便于實(shí)現(xiàn)空間組網(wǎng)形成星座或星群，是未來航天領(lǐng)域的一個(gè)重要方展方向，在軍用、民用及科研領(lǐng)域均具有廣闊的發(fā)展空間。與此配套的輕量化且低成本的微推進(jìn)系統(tǒng)也將大量應(yīng)用。

在微納衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)中，目前技術(shù)成熟的有化學(xué)推進(jìn)、冷氣推進(jìn)和電推進(jìn)等技術(shù)；在研的有固體推進(jìn)、膠體推進(jìn)和微機(jī)電系統(tǒng)微推進(jìn)等技術(shù)。從工程應(yīng)用情況看，其中只有冷氣推進(jìn)和電推進(jìn)技術(shù)適用于要求微小推力（毫牛量級(jí)）調(diào)節(jié)的微型航天器。

1 微納衛(wèi)星對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)要求

微納衛(wèi)星一般對(duì)重量、體積、功耗和推力量級(jí)有著嚴(yán)格的要求。微納衛(wèi)星一般對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)有以下技術(shù)要求：

1） 重量輕；

2）功耗低，減小衛(wèi)星電源負(fù)荷；

3）推力小，推力從幾毫牛到幾十毫牛量級(jí)；

4）推力精確，以滿足高精度控制要求。

此外，某些微納衛(wèi)星要求推進(jìn)系統(tǒng)具有較寬的工作溫度范圍。

本研究中，微納衛(wèi)星總質(zhì)量大約10 kg，推進(jìn)系統(tǒng)干重要求不大于3 kg，長(zhǎng)期功耗要求不大于5.3 W，推力50 mN。

2 推進(jìn)劑比較

由于微納衛(wèi)星對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)的功耗限制，微推進(jìn)系統(tǒng)選擇冷氣推進(jìn)較為合適。冷氣推進(jìn)包括壓縮氣推進(jìn)和液化氣推進(jìn)。液化氣推進(jìn)是指推進(jìn)劑以液態(tài)貯存，通過加熱或氣化裝置使液態(tài)推進(jìn)劑氣化，再通過推力器噴射產(chǎn)生推力的推進(jìn)方式。液化氣推進(jìn)系統(tǒng)以低成本、低功耗、高可靠性和小型化的優(yōu)點(diǎn)，適應(yīng)了低成本微型航天器要求，越來越受到國內(nèi)外航天推進(jìn)研究機(jī)構(gòu)的重視。

目前已實(shí)際應(yīng)用的幾種液化氣推進(jìn)劑有丙烷、丁烷、氨和一氧化二氮等，性能見表1。

上述幾種液化氣推進(jìn)系統(tǒng)中，一氧化二氮和二氧化碳貯存壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他3種推進(jìn)劑的貯存壓力，造成貯存單元和系統(tǒng)管路質(zhì)量較大，系統(tǒng)質(zhì)量難以滿足微納衛(wèi)星的要求。

表1 幾種常用液化氣推進(jìn)劑性能Tab.1 Properties of typical liquefied gas propellants

圖1 丙烷、丁烷和氨的氣化熱Fig.1 Evaporation heat of propane,butane and ammonia

圖2 丙烷、丁烷和氨的蒸氣壓Fig.2 Vapor pressure of propane,butane and ammonia

常用的丙烷、丁烷和氨三種推進(jìn)劑中，雖然氨的飽和蒸氣壓與丙烷相當(dāng)，貯箱壓力也相對(duì)較低，且比沖較高，但是氨的氣化熱較大（見圖1），充分氣化需要的加熱功率較大。丙烷和丁烷在性能上差別不大。兩者密度比沖接近，氣化熱比較接近，具有無毒、無污染和貯存壓力低的特點(diǎn)，安全性好，推進(jìn)系統(tǒng)簡(jiǎn)單，質(zhì)量較小，因此在微納衛(wèi)星上被廣泛應(yīng)用。

兩者相比，丙烷的飽和蒸氣壓較高（見圖2），沸點(diǎn)為-42℃，在-40℃仍能提供不小于0.1 MPa的壓力，丙烷氣體溫度適應(yīng)范圍比較寬。丁烷的飽和蒸氣壓較低，在0℃時(shí)為0.1 MPa左右，明顯低于丙烷，在沒有足夠加熱的情況下，容易液化，難以滿足微納衛(wèi)星的工作環(huán)境溫度。通過分析，丙烷能夠完全滿足微納衛(wèi)星提供的工作環(huán)境溫度條件。

綜上所述，從減小質(zhì)量和降低功耗，滿足工作溫度范圍等方面綜合考慮，該量級(jí)的微納衛(wèi)星選擇丙烷微推進(jìn)系統(tǒng)較為合適。

3 丙烷微推進(jìn)系統(tǒng)

推進(jìn)系統(tǒng)主要由貯箱、加排閥、自鎖閥、換熱器、減壓閥、穩(wěn)壓罐、過濾器、推力器、推進(jìn)控制器以及壓力傳感器等組成（見圖3）。

圖3 丙烷微推進(jìn)系統(tǒng)Fig.3 Propane micro propulsion system

其中壓力傳感器包括一個(gè)高壓傳感器和低壓傳感器，分別用于監(jiān)測(cè)貯箱壓力和推力器入口壓力。衛(wèi)星在飛行過程中的特定時(shí)刻，推進(jìn)控制器根據(jù)星上控制指令給微推進(jìn)系統(tǒng)的自鎖閥通電，自鎖閥打開。貯箱中處于飽和狀態(tài)的丙烷，經(jīng)自鎖閥節(jié)流孔節(jié)流后初步氣化，流經(jīng)蒸發(fā)器吸收熱量后充分氣化。丙烷氣體經(jīng)減壓閥調(diào)節(jié)壓力后，向穩(wěn)壓罐充填，最終到達(dá)推力器前。待穩(wěn)壓罐壓力達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定壓力時(shí)，系統(tǒng)增壓完畢。

當(dāng)需要某臺(tái)推力器工作時(shí)，推進(jìn)控制器根據(jù)指令給該推力器的控制閥通電，閥門打開，工作氣體進(jìn)入噴嘴，經(jīng)噴嘴加速噴出，產(chǎn)生推力。推進(jìn)系統(tǒng)工作過程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)壓力和各電磁閥狀態(tài)，并將系統(tǒng)工作狀態(tài)信息上傳給星上控制系統(tǒng)。

4 微推進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)

4.1 推進(jìn)劑氣化供應(yīng)

微納衛(wèi)星無法提供單獨(dú)的氣化加熱功率。采用電加熱氣化方式不利于這一要求。為此，微推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一套以衛(wèi)星內(nèi)部散熱單元為熱源氣化裝置，通過吸取星上散熱，對(duì)推進(jìn)劑加熱，減小了衛(wèi)星電源功率的消耗。

推進(jìn)系統(tǒng)氣化裝置主要由推進(jìn)劑貯箱和換熱模塊組成。推進(jìn)系統(tǒng)工作模式為間歇性的，在不工作的時(shí)間內(nèi)，換熱模塊將散熱單元熱量傳遞至推進(jìn)劑貯箱，液態(tài)推進(jìn)劑吸收熱量后，推進(jìn)劑溫度會(huì)升高，可以將能量?jī)?chǔ)存。貯箱出口處的自鎖閥上設(shè)置了節(jié)流元件，當(dāng)自鎖閥打開時(shí)，液體推進(jìn)劑在飽和蒸氣壓作用下從貯箱內(nèi)流出，通過自鎖閥節(jié)流孔壓力降低，初步氣化，隨后進(jìn)入換熱模塊，推進(jìn)劑進(jìn)一步吸收熱量充分氣化。氣化后的推進(jìn)劑經(jīng)過下游的減壓裝置后，壓力下降到工作壓力，由于工作壓力低于推進(jìn)劑飽和蒸氣壓，因此供應(yīng)推力器的工質(zhì)為氣體狀態(tài)。

由于推進(jìn)劑的氣化吸熱，連續(xù)工作情況下，貯箱中剩余推進(jìn)劑的溫度會(huì)不斷下降，飽和蒸氣壓也隨之下降，要保證系統(tǒng)正常工作，飽和蒸氣壓不能低于減壓閥入口最低壓力要求，貯箱中液化氣溫度不能低于維持飽和蒸氣壓對(duì)應(yīng)的溫度。設(shè)減壓閥入口壓力為0.2 MPa，則相應(yīng)的推進(jìn)劑溫度不能低于26℃。圖4為熱量傳遞示意圖。

圖4 熱量傳遞示意圖Fig.4 Schematic of heat transfer

丙烷從液態(tài)轉(zhuǎn)變成氣態(tài)，需要從熱源吸收熱量。推進(jìn)劑的氣化功率按下式計(jì)算

式中：P為氣化功率，W；cP為液體定壓比熱，kJ/kg·K；ΔT為液體溫度升高值，K；c為液體氣化熱，kJ/kg；為推進(jìn)劑質(zhì)量流量g/s。

根據(jù)星上溫度范圍，假設(shè)推進(jìn)劑初始溫度T0為15℃。通過計(jì)算，得到推進(jìn)系統(tǒng)連續(xù)工作時(shí)間，以及貯箱溫度恢復(fù)時(shí)間與貯箱中剩余推進(jìn)劑量關(guān)系，具體結(jié)果如表2所示。

微納衛(wèi)星的姿控工作方式為短期脈沖工作，工作間隔時(shí)間較長(zhǎng)，貯箱中推進(jìn)劑有足夠時(shí)間恢復(fù)到星上環(huán)境溫度，因此可以保證推進(jìn)系統(tǒng)推進(jìn)劑的氣化要求。

表2 推進(jìn)系統(tǒng)工作時(shí)間Tab.2 Operating time of propulsion system

4.2 微小推力精確控制

微納衛(wèi)星要求推力精確，以滿足高精度控制要求。根據(jù)推力公式

式中：pc為推力器內(nèi)工質(zhì)壓力；At為噴嘴喉部面積；動(dòng)壓ω、壓比π和擴(kuò)張比ε為推力器出口氣流馬赫數(shù)的函數(shù)，與推力器結(jié)構(gòu)有關(guān)。在結(jié)構(gòu)一定的情況下，推力精度與室壓精度密切相關(guān)。

微納衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)的推力量級(jí)小，推力精確控制難度較大。由于推力為幾十毫牛量級(jí)，減壓閥的壓力振蕩和推力器的快速動(dòng)作產(chǎn)生的壓力脈沖，均對(duì)推力精度產(chǎn)生明顯的影響。

實(shí)現(xiàn)微小推力的精確控制，關(guān)鍵是壓力控制，為此系統(tǒng)設(shè)置了一個(gè)微型減壓閥和一個(gè)穩(wěn)壓罐（見圖5）。減壓閥將壓力變化的高壓冷氣源壓力降為低壓，壓力相對(duì)穩(wěn)定。穩(wěn)壓罐可以對(duì)減壓閥產(chǎn)生壓力振蕩和推力器的打開關(guān)閉引起的壓力脈沖起到緩沖作用，相當(dāng)于一個(gè)壓力“濾波器”。

通過上述控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)推力器入口壓力穩(wěn)定調(diào)節(jié)和對(duì)壓力脈動(dòng)的抑制，實(shí)現(xiàn)了推力器50 mN±7%量級(jí)推力的精確控制。

圖5 推力精確調(diào)節(jié)示意圖Fig.5 Schematic of thrust accurate control

4.3 輕量化設(shè)計(jì)

微納衛(wèi)星在結(jié)構(gòu)上要求體積小、重量輕，因此對(duì)于微推進(jìn)系統(tǒng)，輕量化設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。微推進(jìn)系統(tǒng)小型化設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)層面和組件層面。

系統(tǒng)層面主要是通過優(yōu)化系統(tǒng)組成及布局，減小不必要的冗余質(zhì)量。推進(jìn)劑的選擇對(duì)系統(tǒng)輕量化非常重要，選取飽和蒸汽壓較低的丙烷液化氣作為推進(jìn)劑，可以降低系統(tǒng)工作壓力，使系統(tǒng)主要承壓件的質(zhì)量明顯減小。推進(jìn)劑密度高，可以減小貯存單元的結(jié)構(gòu)尺寸。

組件層面主要是在滿足功能的基礎(chǔ)上，優(yōu)化結(jié)構(gòu)、材料和工藝，實(shí)現(xiàn)尺寸和質(zhì)量的優(yōu)化。組件小型化設(shè)計(jì)方面，微推進(jìn)系統(tǒng)采用了微型電磁閥、微型壓力調(diào)壓閥門和輕質(zhì)壓力容器等組件。微型電磁閥部分，丙烷微推進(jìn)系統(tǒng)包括8臺(tái)微型推力器和1臺(tái)自鎖閥，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，推力器質(zhì)量?jī)H33.5 g，自鎖閥質(zhì)量?jī)H25.8 g。

通過系統(tǒng)和組件的輕量化設(shè)計(jì)，丙烷微推進(jìn)系統(tǒng)干重不到2.5 kg。

5 結(jié)論

丙烷微推進(jìn)系統(tǒng)具有輕量化、功耗小、推力量級(jí)小、推力精度高、工作時(shí)間長(zhǎng)和溫度適應(yīng)范圍寬的優(yōu)點(diǎn)，完全滿足微納衛(wèi)星應(yīng)用要求。

該研究中丙烷微推進(jìn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了50 mN±7%量級(jí)推力的精確控制，系統(tǒng)干重不到2.5 kg，長(zhǎng)期功耗不大于5.3 W。

丙烷微推進(jìn)系統(tǒng)中的減壓閥和推進(jìn)控制器體積和質(zhì)量較大，與國外目前技術(shù)差距較大，輕量化設(shè)計(jì)方面還有較大的改進(jìn)空間。

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