一种磁等离子体动力推进系统的推进剂供给装置
阅读说明：本技术 一种磁等离子体动力推进系统的推进剂供给装置 (Propellant supply device of magnetic plasma power propulsion system ) 是由 周成 韩道满 李永 王戈 丛云天 王宝军 姚兆普 刘旭辉 赵博强 亢淼 应磊 于 2021-08-31 设计创作，主要内容包括：一种磁等离子体动力推进系统的推进剂供给装置,包括推进剂低温存贮模块、压力调节模块、流量调节模块；推进剂低温存贮模块用于对推进剂进行冷却、压缩、存储；推进剂低温存贮模块输出的推进剂依次经压力调节模块、流量调节模块提供给推进系统的阴极和阳极；压力调节模块用于将降低推进剂的压力；流量调节模块用于对输出给推进系统阴极和阳极的流量进行调节。本发明采用主动制冷零蒸发方案,大幅降低推进剂贮箱体积和重量；且采用大范围推进剂流量调节模块,能够同时完成推进剂流量精准控制；推进剂低温存贮模块、压力调节模块和流量调节模块一体化集成,大幅降低推进剂供给系统体积重量；采用氩气作为推进剂节省了推进剂消耗成本。(A propellant supply device of a magnetic plasma power propulsion system comprises a propellant low-temperature storage module, a pressure regulation module and a flow regulation module; the propellant low-temperature storage module is used for cooling, compressing and storing the propellant; the propellant output by the propellant low-temperature storage module is sequentially supplied to the cathode and the anode of the propulsion system through the pressure regulation module and the flow regulation module; the pressure regulating module is used for reducing the pressure of the propellant; the flow regulating module is used for regulating the flow output to the cathode and the anode of the propulsion system. The invention adopts an active refrigeration zero-evaporation scheme, so that the volume and the weight of the propellant storage tank are greatly reduced; the large-range propellant flow adjusting module is adopted, so that the precise control of the propellant flow can be completed simultaneously; the propellant low-temperature storage module, the pressure regulating module and the flow regulating module are integrated, so that the volume weight of the propellant supply system is greatly reduced; the use of argon as the propellant saves the propellant cost.)
技术领域
本发明涉及一种磁等离子体动力推进系统的推进剂供给装置，特别是一种大功率磁等离子体动力推进系统低温推进剂供给装置，属于空间航天器电推进动力系统设计技术领域。
背景技术
大功率磁等离子体动力电推力器(MPDT)是一种利用超强电磁力加速等离子体高速喷出的先进动力装置，具有超高比冲、大推力密度、结构紧凑等技术优势，其比冲等核心指标远高于目前已有空间推进技术，是决定未来载人火星探测、超大型天基武器平台实在部署等重大航天任务成败的关键技术之一。
传统离子、霍尔电推进技术，为静电场加速工作模式，加速电压相对较高，一般使用分子量较重的氙气作为推进剂，从而获得较高的比冲性能，在轨工作时推进剂采用高压常温存储方案。与之不同的是，在MPDT中，等离子体处于复杂的电磁加速模式，加速电压相对较小，使用分子量相对较轻的气体作为推进剂，可以获得较高比冲和效率。然而，相对分子量较轻的气体，存储通常在高压常温下，其存储密度较低，致使在轨工作时所需的推进剂贮箱体积大幅提升，极大限制了大功率磁等离子体动力推进系统的在轨应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种磁等离子体动力推进系统的推进剂供给装置，包括推进剂低温存贮模块、压力调节模块、流量调节模块；推进剂低温存贮模块用于对推进剂进行冷却、压缩、存储；推进剂低温存贮模块输出的推进剂依次经压力调节模块、流量调节模块提供给推进系统的阴极和阳极；压力调节模块用于将降低推进剂的压力；流量调节模块用于对输出给推进系统阴极和阳极的流量进行调节。本发明采用主动制冷零蒸发方案，大幅降低推进剂贮箱体积和重量；且采用大范围推进剂流量调节模块，能够同时完成推进剂流量精准控制；推进剂低温存贮模块、压力调节模块和流量调节模块一体化集成，大幅降低推进剂供给系统体积重量；采用氩气作为推进剂节省了推进剂消耗成本。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：
一种磁等离子体动力推进系统的推进剂供给装置，包括推进剂低温存贮模块、压力调节模块、流量调节模块；
推进剂低温存贮模块用于对推进剂进行冷却、压缩、存储；
推进剂低温存贮模块输出的推进剂依次经压力调节模块、流量调节模块提供给推进系统的阴极和阳极；
压力调节模块用于将推进剂的压力降低到流量调节模块需要的工作压力；
流量调节模块用于对输出给推进系统阴极和阳极的流量进行调节。
优选的，推进剂低温存贮模块采用主动制冷零蒸发的方法将推进剂进行冷却、压缩。
优选的，推进剂采用氩气。
优选的，压力调节模块中的推进剂输出管路分为两部分，一部分经流量调节模块为推进系统的阴极提供推进剂，另一部分经流量调节模块为推进系统的阳极提供推进剂；两部分推进剂输出管路内的压力不同。
优选的，压力调节模块的上游包括4个上游高压自锁阀，4个上游高压自锁阀采用并串联形式，用于将高压区与低压区安全隔离。
优选的，推进剂低温存贮模块包括制冷机和贮箱；
制冷机用于对推进剂进行冷却；
贮箱用于存储冷却后的推进剂。
优选的，推进剂低温存贮模块出口与压力调节模块的入口为钛管焊接；压力调节模块出口和流量控制模块出入口均为标准M8螺接头，之间通过不锈钢管和球头进行螺接安装。
优选的，压力调节模块内包括高压压力传感器，用于监测推进剂低温存贮模块中贮箱内的压力，对推进剂的剩余量进行估算。
优选的，流量调节模块包括流量控制自锁阀、流量控制器；
流量控制自锁阀用于控制各路推力器流量通断，流量控制器用于控制输出流量。
优选的，流量调节范围为50mg/s～150mg/s。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
(1)本发明采用斯特林制冷机主动制冷零蒸发方案，能够将氩气从常温冷却至85K，贮箱存储压力1.5MPa，进而能够将氩气存储密度从23.15kg/m3提高至1413.4kg/m3，进而大幅降低推进剂贮箱体积和重量。
(2)本发明采用大范围推进剂流量调节模块，能够同时完成磁等离子体动力推力器阴极和阳极推进剂流量精准控制，实现阴阳极供气流量最优匹配，配合推力器完成推力器工作功率大范围可调(50kW～100kW)。
(3)本发明采用推进剂低温存贮模块、压力调节模块和流量调节模块一体化集成解决方案，系统能够快速完成低温存储，高压向低压调节换和大范围流量控制，从而大幅降低推进剂供给系统体积重量。
(4)本发明采用氩气作为推进剂，和传统选用氙气作为推进剂相比，具有以下优势：①相对于氙气，使用氩气可将MPDT的推进比冲从约3000秒提升至约6000秒，提升一倍，这可以大幅度节省航天器推进剂的消耗量。②由于氩气分子量(39.95g/mol)远低于氙气分子量(131.29g/mol)，比冲约为氙气两倍，进而同等推进携带质量条件下，氩气的总冲相对氙气提高两倍，大幅提高了航天器动力效能。③氩气成本约￥30元/1kg，氙气成本约￥12000元/1kg，采用氩气作为推进剂可以大幅节省推进剂消耗成本。
附图说明
图1为本发明装置的组成示意图(其中C代表阴极，图中带有C标识的部件为阴极支路上的部件；A代表阳极，图中带有A标识的部件为阳极支路上的部件)。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。
一种磁等离子体动力推进系统的推进剂供给装置，包括推进剂低温存贮模块、压力调节模块、流量调节模块；推进剂低温存贮模块用于对推进剂进行冷却、压缩、存储；推进剂低温存贮模块输出的推进剂依次经压力调节模块、流量调节模块提供给推进系统的阴极和阳极；压力调节模块用于将推进剂的压力降低到流量调节模块需要的工作压力；流量调节模块用于对输出给推进系统阴极和阳极的流量进行调节。
推进剂低温存贮模块采用主动制冷零蒸发的方法将推进剂进行冷却、压缩。推进剂采用氩气。
压力调节模块中的推进剂输出管路分为两部分，一部分经流量调节模块为推进系统的阴极提供推进剂，另一部分经流量调节模块为推进系统的阳极提供推进剂；两部分推进剂输出管路内的压力不同。
压力调节模块的上游包括4个上游高压自锁阀，4个上游高压自锁阀采用并串联形式，用于将高压区与低压区安全隔离。
推进剂低温存贮模块包括制冷机和贮箱；制冷机用于对推进剂进行冷却；贮箱用于存储冷却后的推进剂。
推进剂低温存贮模块出口与压力调节模块的入口为钛管焊接；压力调节模块出口和流量控制模块出入口均为标准M8螺接头，之间通过不锈钢管和球头进行螺接安装。
压力调节模块内包括高压压力传感器，用于监测推进剂低温存贮模块中贮箱内的压力，对推进剂的剩余量进行估算。
流量调节模块包括流量控制自锁阀、流量控制器；流量控制自锁阀用于控制各路推力器流量通断，流量控制器用于控制输出流量。流量调节范围为50mg/s～150mg/s。
更具体的：
本发明涉及的一种大功率磁等离子体动力推进系统低温高密度推进剂供给装置，即一种磁等离子体动力推进系统的推进剂供给装置，装置主要包括1套推进剂低温存贮模块、1套压力调节模块和4套流量调节模块，能够为大功率磁等离子体动力推力器提供精度流量供给，如图1所示。
压力调节模块用于将高压气体降低到流量控制器需要的工作压力，模块包括4个上游高压自锁阀(HLV1、HLV2、HLV3、HLV4)、2个加排阀(MV1、MV2)、1个高压压力传感器(HPT)、4个中游高压自锁阀(C-HLV1、C-HLV2、A-HLV1、A-HLV2)、2个低压加排阀(C-MV、A-MV)、4个比例控制阀(C-PPV1、C-PPV2、A-PPV1、A-PPV2)、4个低压压力传感器(C-LPT1、C-LPT2、A-LPT1、A-LPT2)。上游高压自锁阀主要起安全隔离作用，在发射阶段将高压区与低压区分开，在轨工作状态为常开；高压压力传感器监测贮箱内的压力，对气体剩余量进行估算；加排阀是地面试验和加注的对外接口；中游高压自锁阀(C-HLV1、C-HLV2、A-HLV1、A-HLV2)具有安全隔离和压力分支选择的作用，在贮供子系统处于非工作状态时将高压区与低压区分开，每次电推力器工作前发指令打开每个压力分支中的一个，工作结束后发指令关闭；比例阀和低压压力传感器在控制单元的控制下共同构成比例电子减压器，将上游高压气体调节并控制在要求范围内。该模块交付前独立封装，进行系统联试，以模块形式交付，在星上靠近气瓶安装。
流量调节模块用于对输出给推进系统的阴极和阳极的流量进行调节，共有4个完全一样的模块，定义为流量调节模块N1、N2、S1和S2，每个模块包括4个流量控制自锁阀(N1C-FLVA、N1C-FLVB、N1A-FLVA、N1A-FLVB)、2个流量控制器(N1C-FC、N1A-FC)。流量控制自锁阀用于控制各路推力器流量通断；流量控制器在控制单元的控制下，输出额定的流量，流量调节范围50～150mg/s，其中阳极和阴极每个支路的流量范围均可达到20～80mg/s。该模块交付前独立封装以模块形式交付。
本发明涉及的一种大功率磁等离子体动力推进系统低温高密度推进剂供给装置中三种模块之间通过星上管路连接，推进剂低温存贮模块出口与压力调节模块的入口为钛管焊接，压力调节模块出口和流量控制模块出入口均为标准M8螺接头，之间通过不锈钢管和球头进行螺接安装。高压部分管路采用壁厚1mm、外径6mm钛合金管路，低压部分管路可采用壁厚0.8mm、外径4mm的不锈钢管路。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
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