阅读说明：本技术 一种减少推进剂溶解气体对电弧推力器影响的结构 (Structure for reducing influence of propellant dissolved gas on electric arc thruster ) 是由 仝颖刚 魏福智 姚兆普 胡大为 沈岩 陈健 夏继霞 吴耀武 于 2020-04-28 设计创作，主要内容包括：一种减少推进剂溶解气体对电弧推力器影响的结构,包括阻尼器、电磁阀和燃气发生器。阻尼器、电磁阀和燃气发生器串联密封连接。当电弧推力器工作时,液体推进剂在通道内流动,按流动方向,先经过第一通道,后经过第二通道,最后经过第三通道进入反应室,在反应室内转换为燃气,燃气进入下游的电弧放电装置。通道至少有一个毛细节流段；沿液体推进剂流动方向,从第一个毛细节流段的入口到通道的出口之间的毛细通道全部为毛细通道；电弧推力器内部推进剂液体的压降全部分布在毛细通道内。本发明能够显著减少液体推进剂中溶解的气体对电弧推力器的影响。(A structure for reducing the influence of propellant dissolved gas on an electric arc thruster comprises a damper, a solenoid valve and a gas generator. The damper, the electromagnetic valve and the gas generator are connected in series and hermetically. When the electric arc thruster works, the liquid propellant flows in the channel, firstly passes through the first channel, then passes through the second channel, and finally enters the reaction chamber through the third channel according to the flowing direction, and is converted into fuel gas in the reaction chamber, and the fuel gas enters the downstream electric arc discharge device. The channel has at least one capillary throttling section; the capillary channels from the inlet of the first capillary throttling section to the outlet of the channel are all capillary channels along the flowing direction of the liquid propellant; the pressure drop of the propellant liquid inside the arc thruster is distributed in the capillary channel. The invention can obviously reduce the influence of the gas dissolved in the liquid propellant on the electric arc thruster.)

一种减少推进剂溶解气体对电弧推力器影响的结构

技术领域

本发明涉及一种电弧放电装置，尤其是一种适用于卫星推进系统的电弧推力器。

背景技术

目前卫星在轨应用的电弧推进系统，大部分都采用表面张力贮箱存贮液体推进剂(例如无水肼)。表面张力贮箱中的挤压气体(一般为氦气)会有一部分溶解在液体推进剂中，当液体推进剂在电弧推力器内部经历节流减压时，推进剂中溶解的部分挤压气体会析出，并在长时间工作过程中积累汇聚成大气泡。当大气泡通过电弧推力器时，会使电弧推力器内部放电区的推进剂质量流量大幅减少，导致电弧放电不稳定、电极烧蚀、推力突然变小和电弧熄灭等问题，制约电弧推力器的性能和寿命。

现有技术主要是在电弧推力器的液体推进剂流动通道上安装气泡拦截和蓄集装置，利用表面张力原理将气泡从液体推进剂中分离开，使不含气泡的液体推进剂通过电弧推力器，拦截和蓄集的气泡通过专用的旁路管道和阀门定期排放，或在电弧关闭状态通过电弧推力器内部排出。这种方式虽然能减少气泡的不利影响，但结构复杂，由于气泡拦截容积的限制，需要定期排出气泡，制约了电弧推力器的单次连续工作时长；排出气泡时容易有部分液体推进剂一并排出，降低了推进剂的利用率；蓄集的大气泡因为排气不及时或受外界扰动，可能突破拦截装置，严重危害电弧推力器的性能和寿命，不利于卫星的工程应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种减少推进剂溶解气体对电弧推力器影响的结构，解决气泡导致的电极烧蚀等问题。

本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：

一种减少推进剂溶解气体对电弧推力器影响的结构，包括：阻尼器、电磁阀和燃气发生器；

阻尼器内部的流道作为第一通道，电磁阀内部的流道作为第二通道，燃气发生器内部设置有反应室；电磁阀和燃气发生器的反应室之间通过第三通道连接；阻尼器第一通道的入口连接外部液体推进剂管路；

阻尼器、电磁阀和燃气发生器依次串联，且两两之间的连接部位密封处理；

所述第一通道、第二通道和第三通道依次连通；

电弧推力器工作时，液体推进剂依次经过第一通道、第二通道和第三通道，最后进入反应室，液体推进剂在反应室内转换为燃气后进入下游的电弧放电装置；

第一通道、第二通道和第三通道中的一个或多个流道内设置有毛细节流段；所述毛细节流段的个数大于或等于1；

将距离第一通道入口最近的毛细节流段的入口作为毛细流道起点，将第三通道的出口作为毛细流道终点，位于毛细流道起点和毛细流道终点之间的流道作为毛细通道；

所述毛细通道的最小截面积位于所述毛细节流段内部；所述毛细通道用于使液体推进剂的压力沿流动方向降低；

电磁阀的衔铁和阀座之间形成空腔，所述空腔与第二通道不连通，或所述空腔与第二通道连通且连通位置的狭缝宽度不大于0.1mm；衔铁能够相对阀座运动。

位于所述第一个毛细节流段上游的流道内设置有用于过滤液体推进剂内杂质颗粒的过滤网；所述过滤网为金属丝编织网，过滤网能阻挡尺寸在10-50微米以上的杂质颗粒。

所述毛细通道的最大横截面积小于1.5mm²，液体推进剂在毛细通道内的流动满足雷诺数Re小于575，雷诺数Re按下式计算：

其中，ρ为液体推进剂的密度，μ为液体推进剂的动力黏度，u为截面上的平均流动速度；A为毛细通道的横截面积，L为毛细通道横截面周长。

所述毛细通道的内壁与液体推进剂浸润，同时毛细通道的内壁材料能够与液体推进剂化学相容，毛细通道内壁壁面的粗糙度小于Ra3.2。

所述反应室内部装填有颗粒状的催化剂，催化剂为内外表面沉积有金属铱的多孔氧化铝颗粒，催化剂用于将肼分解为氮气、氢气和氨气的混合气。

本发明与现有技术相比的有益效果为：

本发明结构简单，不受气泡拦截容积限制，能持续均匀地排出气泡，对电弧推力器的单次连续工作时长无限制；不需要集中排气泡，避免排气时连同部分液体推进剂一并排出，提高了推进剂的利用率；不蓄积气泡，有利于卫星的工程应用。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的电磁阀内部结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细描述：

如图1所示为本发明的结构示意图，由图1可知，一种减少推进剂溶解气体对电弧推力器影响的结构，包括：阻尼器1、电磁阀2和燃气发生器3。液体推进剂为单组元推进剂级无水肼。

阻尼器1内部的流道作为第一通道4，电磁阀2内部的流道作为第二通道5，燃气发生器3内部设置有反应室7；电磁阀2和燃气发生器3的反应室7之间通过第三通道6连接；阻尼器1第一通道4的入口连接外部液体推进剂管路；

阻尼器1、电磁阀2和燃气发生器3依次串联，且两两之间的连接部位密封处理；

所述第一通道4、第二通道5和第三通道6依次连通；

电弧推力器工作时，液体推进剂依次经过第一通道4、第二通道5和第三通道6，最后进入反应室7，液体推进剂在反应室7内转换为燃气后进入下游的电弧放电装置；

第一通道4、第二通道5和第三通道6中的一个或多个流道内设置有毛细节流段9；所述毛细节流段9的个数大于或等于1；

沿液体推进剂流动方向，将距离第一通道4入口最近的毛细节流段9的入口作为毛细流道起点，将第三通道6的出口作为毛细流道终点，位于毛细流道起点和毛细流道终点之间的流道作为毛细通道11；

所述毛细通道11的最小截面积位于所述毛细节流段9内部；所述毛细通道11用于使液体推进剂的压力沿流动方向降低，即电弧推力器内部推进剂液体的压降全部分布在毛细通道11内；

电磁阀2的衔铁16和阀座15之间形成空腔，所述空腔与第二通道5不连通，或所述空腔与第二通道5连通且连通位置的狭缝宽度不大于0.1mm；即，所有与毛细通道11并联的空腔与毛细通道11之间连通间隙宽度小于0.1mm。衔铁16能够相对阀座15运动。

位于所述第一个毛细节流段9上游的流道内设置有用于过滤液体推进剂内杂质颗粒的过滤网12，过滤网12完全覆盖流道横截面，使液体推进剂流入第一个毛细节流段9之前，先通过过滤网12；所述过滤网12为金属丝编织网，过滤网12能阻挡尺寸在10-50微米以上的杂质颗粒。过滤网12为1Cr18Ni9Ti不锈钢丝编织网，过滤精度要能避免上游来流中的颗粒物堵塞毛细通道11，同时要有足够的纳污能力和小的流阻，一般选为10-50微米。

所述毛细通道11的最大横截面积小于1.5mm²，截面优选圆形；液体推进剂在毛细通道11内的流动满足雷诺数Re小于575，为层流状态。雷诺数Re按下式计算：

其中，ρ为液体推进剂的密度，μ为液体推进剂的动力黏度，u为截面上的平均流动速度；A为流道的横截面积，L为流道横截面周长。毛细节流段9是产生节流的主要位置，其节流性能与截面形状尺寸、壁面粗糙度和通道长度等参数有关，需要通过理论初步计算，然后通过试验测定。

毛细通道11的内壁与液体推进剂浸润，同时毛细通道11的内壁材料能够与液体推进剂化学相容，毛细通道11内壁壁面的粗糙度小于Ra3.2。

反应室7内部装填有颗粒状的催化剂13，催化剂13为内外表面沉积有金属铱的多孔氧化铝颗粒，催化剂13用于将肼分解为氮气、氢气和氨气的混合气。

毛细通道11的固体壁面与液体推进剂浸润并与液体推进剂化学相容，粗糙度小于Ra3.2，可进一步减少气泡在固体壁面滞留和汇聚。阻尼器1的材料优选1Cr18Ni9Ti不锈钢；电磁阀2内部第三通道6的壁面材料优选1Cr18Ni9Ti不锈钢、1J36软磁合金和乙丙橡胶；第三通道6和反应室7固体壁面材料优选高温合金。

反应室7内部装填有颗粒状的催化剂13，催化剂13是在内外表面沉积有金属铱的多孔氧化铝颗粒，可将肼分解为氮气、氢气和氨气的混合气。

图2是对图1中的电磁阀2内部结构的放大展示。从图2可知，电磁阀2包括阀体14和阀座15，以及可在电磁力作用下运动的衔铁16，衔铁16上固定有挡板17和片弹簧18。阀座15上有阀口19。电磁阀2的电磁线圈和磁体结构方案属本领域技术人员公知技术，在图2中未详细画出。第二通道5分布于阀体14、阀座15和衔铁16上。衔铁16与阀座15之间安装有o形圈19，将第二通道5与电磁阀内的容腔20隔离。当电磁阀关闭时，挡板17与阀口19紧密接触并密封，第二通道5中断。当电磁阀开启时，挡板17与阀口19之间分离0.2-0.5mm，第二通道5连通，液体推进剂可从阀体14流入阀座15，此时衔铁16与阀体14在位置21的间隙小于0.1mm，由于表面张力作用，液体推进剂将填满此间隙并阻挡气泡进入容腔20。阀体14、阀座15和衔铁16优选为1Cr18Ni9Ti不锈钢和1J36软磁合金的分段组合。

本发明主要通过三个方面限制了微气泡之间的汇聚：1毛细通道11流通面积小，微气泡主要沿通道轴线方向运动，流动速度快，微气泡在通道内滞留时间短；2液体推进剂在毛细通道11内的流动状态为层流，不利于微气泡之间通过掺混汇聚；3毛细通道11内壁与液体推进剂浸润，通道内的容腔被液体充填，回流区小，微气泡难以在通道内停滞和汇聚。因此，本发明能够将析出的气体以微气泡的形式持续均匀地从毛细通道11排入反应室7，不会对电弧推力器的运行产生影响，不需要拦截气泡，也不需要蓄积气泡，可以长期稳定工作，不受气泡拦截容积限制。

对于功率为1.8kW的肼电弧推力器样机，肼流量为60mg/s，毛细通道11的压降为1MPa，毛细通道11出口压力为0.7MPa，毛细节流段9的内径为0.1-0.2mm，毛细通道11其它位置截面直径0.5-1.35mm；挤压气体为氦气；液体推进剂在毛细通道11内的流动雷诺数Re最大为201；该结构可显著减小毛细通道11出口位置的气泡尺度，使气泡持续均匀地进入反应室7，不影响电弧推力器的稳定运行。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。