基于增材制造的微納衛(wèi)星微推力器貯箱設(shè)計與測試

葛 旭, 李佰威, 李 霞

(南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院,南京 210094, E-mail: 1467718197@qq.com )

微納衛(wèi)星其以體積小、成本低、研發(fā)周期短、發(fā)射方式靈活等特點,可應(yīng)用于通信、遙感、導(dǎo)航、科學(xué)探索等領(lǐng)域,顯現(xiàn)出良好的經(jīng)濟和社會效益,獲得世界各國的高度重視。隨著微納衛(wèi)星技術(shù)的不斷發(fā)展,傳統(tǒng)多功能一體化大衛(wèi)星研制趨勢逐漸向分布式、多星協(xié)同工作的編隊微納衛(wèi)星組網(wǎng)模式轉(zhuǎn)變,因此對衛(wèi)星軌道控制能力即微推力器提出了較高的要求[1-5]。

目前常規(guī)用于微納衛(wèi)星上的推進系統(tǒng)主要包括化學(xué)推進、電推進以及冷氣推進等,其中冷氣推進系統(tǒng)由于其結(jié)構(gòu)簡單、成本低、性能好、研制周期短等優(yōu)勢,可用于微納衛(wèi)星編隊飛行、軌道機動以及軌位保持。傳統(tǒng)冷氣推進系統(tǒng)主要由高壓貯箱、閥門組件、傳感器、噴口等組成,其中高壓貯箱作為推進劑存儲配件,要求其具有強度高、質(zhì)量輕、泄露率低等特點。傳統(tǒng)推進劑貯箱加工一般通過擠壓成型的方式,加工出貯箱組件,再將其焊接,該方式加工工藝復(fù)雜、成本高、研制周期長,不適用于低成本微納衛(wèi)星推進系統(tǒng)[6-9]。

近年來,以PBF(粉末床熔融)和DED(定向能量沉積)為代表的兩大類“傳統(tǒng)”金屬增材制造技術(shù)隨著工藝的成熟、自動化程度的提高,進入爆發(fā)式的規(guī)?；瘧?yīng)用階段。新工藝以顛覆性的方式革新傳統(tǒng)加工工藝,以推進貯箱為例,無支撐金屬3D打印也突破了對設(shè)計復(fù)雜性的限制。隨著金屬增材制造新技術(shù)、新工藝不斷地開發(fā),對航天器上大量金屬零件的新型加工工藝逐漸取代傳統(tǒng)加工工藝。采用增材制造加工工藝可實現(xiàn)推進貯箱一體化加工,從而縮短研制周期,降低貯箱泄露率[10-13]。然而增材制造所選擇的金屬粉末材料與傳統(tǒng)金屬材料相比,存在屈服強度低、抗拉強度弱等問題,在加工推進貯箱過程中,需要根據(jù)推進劑存儲壓力對結(jié)構(gòu)開展優(yōu)化設(shè)計,在減重的過程中,實現(xiàn)貯箱高強度加工。

本文針對微納衛(wèi)星軌控推進系統(tǒng),基于增材制造工藝[14],設(shè)計并研制出推進系統(tǒng)貯箱?？紤]到推進劑存儲壓力與工作壓力,對推進貯箱開展安全性與泄露率測試,從而實現(xiàn)推進系統(tǒng)輕量化、模塊化、空間利用高效化。

1 推進系統(tǒng)貯箱設(shè)計

1.1 微推力器設(shè)計

▲圖1 微推力器貯箱設(shè)計原理

微推力器采用液化氣推進方式,其中貯箱主要由一級貯箱和穩(wěn)壓罐組成。為了減小系統(tǒng)體積并降低總體質(zhì)量使其更加輕量化,將結(jié)構(gòu)與貯箱設(shè)計加工成一體,并將內(nèi)部的管道也集成在結(jié)構(gòu)以內(nèi),且采用內(nèi)嵌式設(shè)計將二級貯箱內(nèi)置于一級貯箱中隔開。工作原理為推進劑在貯箱內(nèi)以液態(tài)形式存儲,通過隔離閥泄壓至穩(wěn)壓罐內(nèi)以氣態(tài)形式存儲,最終通過推力器電磁閥噴出產(chǎn)生推力。選擇R236fa(六氟丙烷)作為推進劑,具有穩(wěn)定、低汽化熱、低飽和蒸氣壓、易于存儲等特點,能夠簡化推進系統(tǒng)設(shè)計,降低系統(tǒng)研制成本。工作期間系統(tǒng)的壓力傳感器可實時測出穩(wěn)壓罐內(nèi)氣壓大小,當(dāng)壓力低于設(shè)定的閾值時,打開隔離閥補充所需要的推進劑;當(dāng)壓力高于設(shè)定的閾值時,關(guān)閉隔離閥。在推力器工作過程中,隔離閥始終保持常閉狀態(tài)。再根據(jù)總體提出的比沖達到80 s以上的需求[15-18],在推進劑噴出之前,利用電熱噴口對推進劑進行加熱,從而提高微推力器的比沖,推進系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計原理如圖1所示。

1.2 基于增材制造工藝貯箱結(jié)構(gòu)設(shè)計

▲圖2 微推力器貯箱三維模型

推力器貯箱由一級貯箱、穩(wěn)壓罐、內(nèi)部管路以及外部相連的隔離閥、電磁閥組成。通過三維軟件對整個貯箱進行了建模,如圖2所示。針對推進劑貯箱高壓存儲(>0.5 MPa)要求以及體積要求,在推進系統(tǒng)外包絡(luò)尺寸滿足10 cm×10 cm×12 cm的要求下,基于SIMP算法,以降低結(jié)構(gòu)最大Von Mises應(yīng)力與結(jié)構(gòu)體積為優(yōu)化目標,提升結(jié)構(gòu)強度,實現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化。將結(jié)構(gòu)設(shè)計加工成一體,并將內(nèi)部的部分管道也集成在結(jié)構(gòu)以內(nèi),外部僅留下管接頭用于將貯箱與電磁閥相連。為使得貯箱質(zhì)量滿足載荷總體所提出要求,對其進行減重設(shè)計。

通過輕量化拓撲優(yōu)化設(shè)計可提高空間利用率及降低質(zhì)量,即在一個確定的連續(xù)區(qū)域內(nèi)尋求結(jié)構(gòu)內(nèi)部非實體區(qū)域位置和數(shù)量的最佳配置,尋求結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件布局及節(jié)點聯(lián)結(jié)方式最優(yōu)化,使結(jié)構(gòu)能在滿足應(yīng)力、位移等約束條件下,將外載荷傳遞到結(jié)構(gòu)支撐位置,同時使結(jié)構(gòu)的某種性態(tài)指標達到最優(yōu)。對貯箱未使用的空間,采用Inspire軟件進行輕量化目標的拓撲優(yōu)化設(shè)計,同時材料分布滿足整體框架的剛度最大化[19-20]。為避免產(chǎn)生共振破壞,可通過提高貯箱的固有頻率避免共振現(xiàn)象的發(fā)生。經(jīng)過剛度最大化和固有頻率最大化的約束,貯箱質(zhì)量可降低為原有的70%左右。

貯箱結(jié)構(gòu)加工完成后,進行熱處理,并將對試樣件進行屈服強度,測試出所加工的零件屈服強度為275 MPa。利用有限元仿真軟件對貯箱進行靜力學(xué)仿真分析,由于推進劑常溫下飽和蒸汽壓為0.40 MPa,考慮的貯箱的安全裕度(大于2),求解貯箱結(jié)構(gòu)在承受0.8 MPa內(nèi)壓時的響應(yīng),貯箱在施加0.8 MPa內(nèi)壓后的有限元仿真結(jié)果如圖3所示。

▲圖3 貯箱整體結(jié)構(gòu)云圖

根據(jù)仿真結(jié)果可知,所研制的貯箱在承受0.8 MPa內(nèi)壓時,貯箱壁面最大應(yīng)力為146 MPa,即貯箱在0.8 MPa內(nèi)壓下,安全系數(shù)為1.88?？紤]到實際在使用過程中貯箱內(nèi)壓不大于0.4 MPa,因此,本文的設(shè)計符合安全指標要求。

2 貯箱制造與性能測試

2.1 貯箱制造

貯箱增材制造采用鋪粉式選區(qū)激光熔化技術(shù)(SLM),加工設(shè)備為Concept Laser公司的M2金屬打印機,材料為太空鋁粉,如圖4所示。

將貯箱模型導(dǎo)入實驗室電腦內(nèi),在與實驗室人員檢查模型的各剖面,確認打印的可行性后將模型導(dǎo)入3D打印軟件,輸入打印參數(shù)后,即可開始打印。貯箱打印過程如圖5所示。

▲圖4 貯箱3D打印機

▲圖5 貯箱打印過程

在進行第一層的打印前設(shè)備會均勻地在打印面上鋪上一層50 μm左右的鋁粉。高能激光束會根據(jù)預(yù)設(shè)路徑將指定位置的金屬粉末融化并重新凝集成形來形成完整的打印面。之后設(shè)備又在該面上鋪上下一層鋁粉,多次堆疊后直至成型。

2.2 貯箱性能測試

▲圖6 真空罐實物圖

貯箱的承壓性能測試和檢漏測試是確保微推力器在軌正常使用的關(guān)鍵測試[21-22]。承壓性能測試和貯箱泄露測試需在真空條件下完成。本文采用國內(nèi)某航天所制的真空罐提供真空環(huán)境。其有效直徑為1 500 mm,最低可以提供8×10-5Pa的真空環(huán)境壓力,如圖6所示。

2.2.1 承壓能力測試

▲圖7 真空承壓性能測試

對推進系統(tǒng)貯箱進行氮氣加注,進行承壓性能測試。測試過程中,將推進系統(tǒng)放置在真空罐內(nèi),抽真空至真空罐內(nèi)的壓力低于10 Pa。貯箱內(nèi)的氣體壓力充至0.7 MPa,靜置后觀察貯箱內(nèi)的壓力變化,是否存在因損壞部組件導(dǎo)致的明顯泄露。測試結(jié)果為:推進系統(tǒng)貯箱在48 h內(nèi)氣體壓力無顯著下降,貯箱能夠承受0.7 MPa壓力,與理論分析結(jié)果一致。由于推進劑飽和蒸汽壓工作溫度下低于0.4 MPa,即貯箱在使用過程中壓力低于0.4 MPa,承壓性能滿足安全性要求。

2.2.2 貯箱檢漏測試

采用氮氣作為工質(zhì),在測試過程中對推進系統(tǒng)主貯箱充氣至壓力達到0.7 MPa。將推進系統(tǒng)放入地面高真空設(shè)備內(nèi)抽真空,真空罐內(nèi)的壓力低于10 Pa后維持氣壓。在真空條件下對推進系統(tǒng)的泄漏率進行測試,記錄壓力/溫度傳感器遙測的壓力與溫度值。采取單一變量原則,以8h的時間間隔對2天內(nèi)壓力/溫度傳感器采集到的數(shù)據(jù)進行記錄,并通過上述原理對氣體泄漏率進行分析,結(jié)果如下:

由表1可知,隨著時間的增加管路系統(tǒng)內(nèi)壓力逐漸降低,但泄漏率呈現(xiàn)減小趨勢,在24 h時泄漏率為211 μg/h,在48 h時泄漏率降至177 μg/h,滿足泄露率設(shè)計需求。

表1 微推力器貯箱質(zhì)量泄露率測試結(jié)果

3 結(jié)論

本文基于增材制造技術(shù)對微納衛(wèi)星微推力器貯箱進行設(shè)計制造,并完成了相關(guān)測試,具體結(jié)論如下:

(1) 基于增材制造技術(shù)設(shè)計的貯箱整體重量減輕達30%。

(2) 本文設(shè)計制造的微推力器貯箱在48 h內(nèi)氣體壓力無顯著下降,貯箱能夠承受0.7MPa壓力,承壓性能滿足安全性要求。

(3) 本文設(shè)計制造的微推力器貯箱隨著時間的增加管路系統(tǒng)內(nèi)壓力逐漸降低,泄漏率呈現(xiàn)減小趨勢,滿足泄露率設(shè)計要求。