面向微納衛(wèi)星的氙氣工質(zhì)冷氣推進系統(tǒng)研制

韓羅峰，朱康武，黃文斌，于學文，李云濤

(1.上海航天控制技術研究所，上海 201108；2.上海市空間智能控制技術重點實驗室，上海 201108)

引言

目前空間中得到應用的推進系統(tǒng)有冷氣推進、化學推進和電推進。對于姿態(tài)保持和小軌道機動來說，冷氣推進和電推進都可以選擇。如果是長期使用，衛(wèi)星控制需要的總沖量大，電推進比沖要比冷氣推進高2個數(shù)量級，則電推進系統(tǒng)有效比沖較大，應選擇電推進作為空間推進系統(tǒng)。對于短期使用來說，當衛(wèi)星控制需要的總沖量較小時，冷氣推進系統(tǒng)的有效比沖大于電推進。對于微小衛(wèi)星來說，推進系統(tǒng)主要用于衛(wèi)星軌道保持和姿態(tài)控制，需要的推力小，工作時間短，因此，在裝載空間和總質(zhì)量要求滿足的前提下，首選冷氣推進系統(tǒng)作為微小衛(wèi)星的空間推進系統(tǒng)[1-2]。

針對微納衛(wèi)星的超精密控制要求，國內(nèi)外學者相繼開發(fā)出不同類別的冷氣推進系統(tǒng)。祝喬等[3]開發(fā)了基于DSP的微小比例冷氣推進系統(tǒng)，通過控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制對推進系統(tǒng)的流量進行精密控制。梁振華等[4]研究了固體冷氣推進系統(tǒng)，將氮氣以固態(tài)形式貯存，通過加熱使推進劑產(chǎn)生氮氣，大大提高了系統(tǒng)的有效比沖。張濤等[5]研究了超高壓冷氣推進系統(tǒng)，對超高壓推進系統(tǒng)的關鍵模塊開展了仿真研究，驗證了壓力流量模塊的有效性。孫書劍等[6]提出一種面向微納衛(wèi)星的自主汽化管理液氨推進系統(tǒng)，相比常規(guī)冷氣或液化氣推進系統(tǒng)，提出多路平行篩孔式汽化裝置和對應汽化控制方法，發(fā)揮液氨推進劑高貯存密度和高比沖性能優(yōu)勢。朱成財?shù)萚7]使用氧化亞氮作為推進劑，開展了推進劑配比、發(fā)動機設計和燃燒特性研究，驗證了氧化亞氮單組元系統(tǒng)的可行性。

雖然國內(nèi)外研究了多種不同應用場合的高精度冷氣推進系統(tǒng)，但該系統(tǒng)存在著控制復雜、功率高、可靠性低的問題。氧化亞氮、固態(tài)和液氨推進系統(tǒng)需要對工質(zhì)進行加熱，功耗高；超高壓冷氣推進系統(tǒng)工質(zhì)壓力較高，系統(tǒng)可靠性難以保證；微小比例推進系統(tǒng)控制邏輯復雜，難以滿足商業(yè)衛(wèi)星對推進系統(tǒng)的要求。本研究針對20 kg微納衛(wèi)星的應用場合，采用高密度比沖的氙氣作為推進劑，開發(fā)了一種控制簡單、小體積、低功耗、高精度、高可靠性的氙氣工質(zhì)的冷氣推進系統(tǒng)。

1 氙氣工質(zhì)冷氣推進系統(tǒng)組成

高精度氙氣冷氣推力器利用噴管直接噴出推進劑產(chǎn)生推力，是一種專為微小衛(wèi)星設計的可變推力特種推力器。工作原理：氣體工質(zhì)以高壓形式貯存，減壓閥把冷氣壓力降低到所要求的壓力后，氣體經(jīng)過自鎖閥輸送到噴管，無需加熱和化學反應，直接由噴管噴出產(chǎn)生推力。

冷氣推進系統(tǒng)原理如圖1所示，系統(tǒng)主要組成部分有氣瓶、瓶口閥、自鎖閥、控制板、噴嘴等。2路自鎖閥并聯(lián)布置，2路噴嘴電磁閥并聯(lián)布置，自鎖閥和噴嘴電磁閥串聯(lián)分布，提高系統(tǒng)可靠性。噴嘴電磁閥可長期打開，持續(xù)輸出推力；也可以點動控制，實現(xiàn)脈沖推力輸出。

圖1 氙氣工質(zhì)冷氣推進系統(tǒng)原理圖

圖2為冷氣推進系統(tǒng)的結(jié)構圖，主要分為4個部分：氣瓶和瓶口閥、自鎖閥、噴嘴和控制器。瓶口閥集成了充氣閥、減壓閥、機械截止閥、壓力傳感器等單元，主要作用是將高壓轉(zhuǎn)換成低壓；自鎖閥包含2個并聯(lián)自鎖閥，是整個系統(tǒng)的總開關；噴嘴包含高頻電磁閥和噴嘴，是整個系統(tǒng)的執(zhí)行機構；控制器是推進系統(tǒng)的中樞，控制電磁閥和自鎖閥動作。主要技術指標如表1所示，輸出推力可實現(xiàn)1～50 mN連續(xù)可調(diào)，系統(tǒng)功耗小于5 W，體積小于2 L，重量小于1.8 kg，各指標均滿足微納衛(wèi)星的使用要求。

圖2 氙氣工質(zhì)冷氣推進系統(tǒng)結(jié)構圖

表1 氙氣工質(zhì)冷氣推進系統(tǒng)性能指標

2 氙氣工質(zhì)冷氣推進系統(tǒng)的關鍵技術

2.1 采用氙氣推進劑

選擇冷氣推進劑時，推進劑比沖和密度比沖是2個重要的參考指標。比沖大，需要的推進劑裝載量小，有利于衛(wèi)星的輕型化；密度比沖大，需要的貯箱體積和質(zhì)量小，有利于衛(wèi)星的小型化[8]。常用冷氣推進劑(氫氣、氦氣、氮氣、氖氣和氙氣)的理想比沖和密度比沖如圖3所示[9-10]。從圖中可以看出，單純考慮比沖時，氫氣和氦氣的比沖較大；但是由于氫氣和氦氣的密度較小，使得氫氣和氦氣的密度比沖較小。氙氣的比沖較小，但是密度比沖最大，這意味著：同樣總沖的情況下，氙氣工質(zhì)冷氣推進系統(tǒng)所占體積最小，符合微小衛(wèi)星對推進系統(tǒng)的需求。因此選用氙氣工質(zhì)的冷氣推進系統(tǒng)。

圖3 不同冷氣推進劑比沖對比

使用氙氣工質(zhì)有以下優(yōu)勢：

(1) 選擇氙氣作為工質(zhì)，在同樣的體積情況下，可以獲得最大的總沖；

(2) 氙氣飽和蒸氣壓為5.8 MPa，對貯存氣瓶和減壓系統(tǒng)要求低，可靠性高；

(3) 氙氣為惰性氣體，無毒無害，不易燃，使用安全可靠；

(4) 液化溫度低，使用溫度下無需加熱氣化，功耗低。

2.2 高精度多模式工作

冷氣推進系統(tǒng)直接噴出工質(zhì)產(chǎn)生推力，常規(guī)的噴嘴電磁閥為自鎖式電磁閥，存在控制精度不高的問題。衛(wèi)星姿態(tài)調(diào)節(jié)或者變軌任務往往關注元沖量大小，即單位時間內(nèi)產(chǎn)生的沖量，其決定了推進系統(tǒng)的控制精度。為彌補控制精度的不足，噴嘴電磁閥采用高頻脈沖閥，可長時間開啟，也可高頻脈沖工作。噴嘴結(jié)構如圖4所示，電磁閥的主要參數(shù)如表2所示,該閥門最小開啟時間小于10 ms，系統(tǒng)額定推力為20 mN，元沖量小于0.2 mN·s。通過噴嘴電磁閥高頻脈沖工作，從而實現(xiàn)了推力輸出的精密控制。

圖4 推進系統(tǒng)噴嘴

在軌工作分為兩種模式，一種是持續(xù)推力輸出模式，噴嘴電磁閥完全打開，工質(zhì)壓力維持不變，由于噴嘴出口尺寸確定，因此輸出推力維持不變，可用于微納衛(wèi)星姿態(tài)調(diào)整、軌道轉(zhuǎn)移和離軌；另一種是點動脈沖輸出，電磁閥以一定頻率開啟和關閉，與衛(wèi)星控制系統(tǒng)組成閉環(huán)反饋，當衛(wèi)星姿態(tài)需要調(diào)整時，推進系統(tǒng)輸出脈沖力，并根據(jù)衛(wèi)星姿態(tài)調(diào)整情況調(diào)節(jié)脈沖力的頻率和占空比，適用于微納衛(wèi)星的精密姿態(tài)調(diào)節(jié)。

表2 脈沖電磁閥性能指標

2.3 小型化和減重設計

對于微納衛(wèi)星的推進系統(tǒng)來說，不僅僅要保證推進器的性能，而且要實現(xiàn)推進系統(tǒng)的小型化和輕量化。冷氣推進系統(tǒng)原理簡單，功能實現(xiàn)一般不存在問題，實際應用的瓶頸是總沖和質(zhì)量、體積之間的矛盾。冷氣推進比沖較低，除了選用高比沖氣體工質(zhì)外，還可以通過結(jié)構和材料優(yōu)化來減小系統(tǒng)質(zhì)量和體積，減少工質(zhì)的重量和體積占比，從而提高了系統(tǒng)的有效比沖和密度比沖。

為減小系統(tǒng)體積，采用了模塊化和集成化的設計方案。如圖5所示，一體式瓶口閥將過濾器、截止閥、減壓閥、充氣閥、單向閥、高低壓壓力傳感器等部件集成到一起，自鎖閥模塊將溢流閥、自鎖閥組和單向閥集成到1個模塊中。流道分布在閥座中，各模塊安裝到閥座上，減少了管路和接頭數(shù)量，對外只有1個入口和出口，方便安裝和裝配。集成化設計的閥門減重40%以上，體積減小60%以上。由于對外接口減少、系統(tǒng)泄漏減少，可靠性大大提高。

為減少系統(tǒng)重量，采用鎂鋰合金MA21代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋁合金。鋁合金和鎂鋰合金的性能對比如表3所示，可以看出，鎂鋰合金的密度是鋁合金的3/5，但其比強度和比模量大于鋁合金[11]。因此，將推進系統(tǒng)中的支架、自鎖閥外殼、一體閥外殼均更換為鎂鋰合金，更換完成后，重量降低30%～40%，系統(tǒng)重量降低0.7 kg。

3 氙氣工質(zhì)冷氣推進系統(tǒng)試驗驗證

3.1 推力器性能測試

在軌工作分為2種模式：一種是持續(xù)推力輸出模式，系統(tǒng)保持恒定推力不變；另一種是點動脈沖輸出，電磁閥以一定頻率開啟和關閉。為驗證推力器的輸出性能，通過測量噴嘴前端壓力來衡量輸出推力，由于工質(zhì)為常溫低壓氣體，可通過下式來計算推力：

表3 鋁合金與鎂鋰合金性能指標對比[12]

圖5 一體式瓶口閥和自鎖閥模塊

F=p×Sn

(1)

式中，F(xiàn)—— 推力，N

p—— 噴嘴前端壓力，MPa

Sn—— 噴嘴喉管面積，mm2

圖6為連續(xù)輸出模式試驗曲線圖，可以看出連續(xù)輸出模式下噴嘴前端壓力保持恒定，測試時間內(nèi)波動幅度小于1%，由于噴嘴參數(shù)確定，因此輸出推力恒定。圖7為點動脈沖輸出的試驗曲線圖，壓力和推力以脈沖形式輸出，從圖中可以看出，單個工作周期為300 ms，電磁閥工作脈寬小于10 ms，每個周期均能實現(xiàn)脈沖輸出。從圖6和圖7可以得出結(jié)論，系統(tǒng)可實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定輸出和點動脈沖輸出，滿足使用要求。

圖6 連續(xù)輸出模式噴嘴前端壓力曲線

圖7 點動脈沖輸出模式噴嘴前端壓力曲線

3.2 壓力性能測試

系統(tǒng)中主要有2個高壓元件：氣瓶和瓶口閥。氣瓶通過3D打印技術打印出2個半球，然后將2個半球焊接在一起，打壓試驗主要驗證焊縫的質(zhì)量。瓶口閥直接安裝到氣瓶上，內(nèi)部集成了高壓截止閥和高壓傳感器，打壓試驗主要驗證各密封接口是否可靠。

為驗證氣瓶和瓶口閥的耐壓性能，分別對氣瓶和瓶口閥進行耐壓、壓力循環(huán)和爆破試驗，試驗中采用水壓進行打壓。氣瓶打壓到目標爆破壓力后繼續(xù)打壓，直至爆破，驗證氣瓶設計裕度。其壓力加載曲線如圖8所示，20 MPa以下，每隔5 min增加5 MPa；20 MPa以上，每隔5 min增加2.5 MPa。

圖8 壓力試驗加載圖

表4 壓力試驗結(jié)果

如圖9和表4所示，減壓閥和氣瓶試驗過程中無泄漏、無變形，均能滿足耐壓、壓力循環(huán)和爆破試驗要求。其中，球形氣瓶爆破壓力為55 MPa，遠高于要求的30 MPa，安全裕度足夠。

圖9 氣瓶壓力試驗

3.3 系統(tǒng)泄漏率測試

泄漏率的測量可以通過壓力的測量進行換算，對壓力的測量需要進行不少于48 h。換算公式:

QL=V×(p1-p2)/ (360×Δt)

(2)

式中，QL—— 泄漏率，Pa·m3/s

V—— 儲箱容積，m3

p1—— 試驗前壓力，MPa

p2—— 試驗后壓力，MPa

Δt—— 前后時間差，h

決定推進系統(tǒng)泄漏率的關鍵是系統(tǒng)內(nèi)部密封件的性能，密封件往往采用橡膠或者塑料材質(zhì)，容易受到高溫和振動的影響[13-16]，因此密封試驗需要綜合考慮推進系統(tǒng)的使用環(huán)境，在溫升、真空、振動等不同環(huán)境中進行測試，振動和溫升試驗如圖10所示。試驗時氣瓶內(nèi)部充入15 MPa氮氣，試驗前后測量氣瓶內(nèi)部壓力，根據(jù)壓力變化計算系統(tǒng)的泄漏率。由表5可以看出，在不同工況下，冷氣推進系統(tǒng)的泄漏率均小于5.6×10-9Pa·m3/s，衛(wèi)星泄漏率要求為10-8Pa·m3/s，因此該冷氣推進系統(tǒng)滿足衛(wèi)星使用要求。

圖10 冷氣推進系統(tǒng)振動和溫升試驗

表5 不同工況下密封試驗結(jié)果

4 結(jié)論

(1) 根據(jù)微納衛(wèi)星的需求，采用氙氣作為推進劑，選用高頻脈沖閥控制推力輸出，并設計了一體式閥門組件，研制出一款適用于微納衛(wèi)星的氙氣工質(zhì)高精度冷氣推進系統(tǒng)；

(2) 氙氣工質(zhì)冷氣推進系統(tǒng)具有體積小、多模式工作、功耗低、精度高和可靠性高的特點，滿足微納衛(wèi)星的軌道保持、姿態(tài)調(diào)節(jié)和離軌等多任務需求；

(3) 對冷氣推進系統(tǒng)進行了性能、壓力和泄漏試驗研究，試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，能夠滿足衛(wèi)星對推進系統(tǒng)的要求。