專利名稱：一種采用三圓柱推進(jìn)劑貯箱的氮氣冷氣微推進(jìn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于冷氣微推進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種適用于微小衛(wèi)星的氮氣冷氣推進(jìn)裝 置，具體地說是一種采用三圓柱推進(jìn)劑貯箱的氮氣冷氣微推進(jìn)裝置。
背景技術(shù)：
從1957年10月4日前蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造地球衛(wèi)星Sputnik以來，衛(wèi)星已經(jīng)歷了 50年的發(fā)展歷程。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對衛(wèi)星的功能需求也越來越復(fù)雜，衛(wèi)星體積和 重量都逐漸增大，造價越來越高，于是人們又把目光投向微小衛(wèi)星。根據(jù)實際需要生產(chǎn)制造 微小衛(wèi)星是當(dāng)代的一個趨勢，其目的主要是為了節(jié)約成本。所謂小衛(wèi)星就是指系統(tǒng)總重在 500kg以下的衛(wèi)星。通常將重量為IOOkg 500kg的衛(wèi)星稱為小衛(wèi)星，重量為IOkg IOOkg 的衛(wèi)星稱為微衛(wèi)星，而將IOkg以下的衛(wèi)星稱為納衛(wèi)星。Ikg以下的衛(wèi)星稱為皮衛(wèi)星。這樣 看來，微小衛(wèi)星指的是重量在IOkg 500kg范圍內(nèi)的衛(wèi)星。微小衛(wèi)星質(zhì)量輕、成本低、研制 周期短、系統(tǒng)投資少、可以機(jī)動發(fā)射、生存能力強(qiáng)，在許多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，如月球、火 星的無人探測，微小衛(wèi)星的科學(xué)研究、空間偵察，基于微小衛(wèi)星的組網(wǎng)、編隊飛行等。由于推進(jìn)裝置的價格昂貴，系統(tǒng)復(fù)雜，所以早期的微小衛(wèi)星一般都采用無推進(jìn)裝 置。隨著推進(jìn)裝置輕質(zhì)小型化技術(shù)的迅速發(fā)展和成本的不斷降低，以及空間活動對微小衛(wèi) 星要求的日益提高，越來越多的微小衛(wèi)星需要一定的推力，其主要作用是a、星座形成以及星座保持b、阻力補(bǔ)償，使得飛行器保持高度C、姿態(tài)控制d、在壽命到期后的軌道分離e、編隊飛行在衛(wèi)星的推進(jìn)裝置中，研究成熟且最為常用的有雙組元推進(jìn)、單組元推進(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)。雙組元推進(jìn) 裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，發(fā)動機(jī)推力較大(一般大于5N)，且價格昂貴；電推進(jìn)的功耗和質(zhì)量較大；而 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)遠(yuǎn)未成熟。它們均難以滿足微小衛(wèi)星對推 進(jìn)裝置的要求。目前用于微小衛(wèi)星的較為可行的推進(jìn)裝置有單元胼(N2H4)\冷氣推進(jìn)裝置 和液化氣推進(jìn)裝置。N2H4推進(jìn)裝置結(jié)構(gòu)較為簡單，但其推力一般大于1N，且推進(jìn)荊有劇毒， 安全防護(hù)成本高，因而價格比較昂貴。它一般用于需較大速度增量微小衛(wèi)星的主推進(jìn)，而無 法對微小衛(wèi)星實現(xiàn)姿態(tài)控制。因此，微小衛(wèi)星的姿控推進(jìn)裝置多采用冷氣推進(jìn)裝置或液化 氣推進(jìn)裝置。冷氣推進(jìn)裝置的工作過程是冷氣以高壓形式貯存，減壓器把冷氣壓力降到所要求 的壓力之后，氣體通過電磁閥輸送到噴管，它能夠以低成本、高可靠性、低功耗、無污染以 及安全性高的優(yōu)勢為微小衛(wèi)星提供推力。雖然噴管的重量輕，但由于需要配備高壓氣瓶 (貯箱)和分配輸送系統(tǒng)，整個系統(tǒng)的重量是中等的，另因為需要大量的氣瓶來貯存推進(jìn)劑 (氣體狀態(tài))，系統(tǒng)在體積上的利用率不高，典型的冷氣推進(jìn)系統(tǒng)的輸出推力范圍是5mN 250N，當(dāng)噴管面積比為100時，氮氣比沖變化范圍45s 74s，具體取決于噴管(推力器)推 力的大小，因為隨推力器的體積減小，噴管的損失將增加。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用于微小衛(wèi)星進(jìn)行姿態(tài)控制以及軌道維持與控制的 冷氣微推進(jìn)裝置，針對微小衛(wèi)星對推進(jìn)裝置的低質(zhì)量、結(jié)構(gòu)簡單、低功耗、高可靠性的要求。 本發(fā)明微推進(jìn)裝置采用三個圓柱氣瓶作為推進(jìn)劑貯箱，使用氮氣為推進(jìn)劑，無毒無污染；微 推進(jìn)裝置整體安裝在安裝隔板上，便于安裝與替換，與衛(wèi)星其它部件沒有過多的聯(lián)系與干 涉，便于替換與修理。一種采用三圓柱推進(jìn)劑貯箱的氮氣冷氣微推進(jìn)裝置，包括第一推進(jìn)劑貯箱、第二 推進(jìn)劑貯箱、第三推進(jìn)劑貯箱、高壓充氣閥、高壓傳感器、高壓自鎖閥、高壓減壓器、低壓減 壓器、過濾器、推力器與控制線路盒；上述部件均安裝在安裝隔板上；第一推進(jìn)劑貯箱、第二推進(jìn)劑貯箱、第三推進(jìn)劑貯箱分別通過管路連接有三通A、 三通B、三通C ；三通A、三通B、三通C之間通過管路連通。三通C上還連接有高壓傳感器， 三通A與三通B或三通B與三通C之間的管路上通過三通D連接有高壓充氣閥；在三通A上還通過管路依次連接有高壓自鎖閥、高壓減壓器、低壓減壓器和過濾 器；過濾器通過管路與三通E連接，三通E的剩余通口分別連接有供給管路，供給管路的另 一端各連接有二通，在二通上通過供氣管路連接有推力器；推力器上裝有電磁閥；控制線路盒與需要控制的高壓傳感器、高壓自鎖閥以及推力器之間通過電纜連 接，用以供電和傳輸控制信號?？刂凭€路盒可以根據(jù)衛(wèi)星的相關(guān)控制指令發(fā)出控制信號，打 開需要工作的推力器的電磁閥，則氮氣會從中噴出，從而產(chǎn)生推力；由此使推力器可單獨工 作，也可以多個共同工作。本發(fā)明的優(yōu)點在于1、本發(fā)明微推進(jìn)裝置結(jié)構(gòu)簡單，使用氮氣作為推進(jìn)劑，低成本、高可靠性、低功耗、 無污染以及安全性高；2、本發(fā)明微推進(jìn)裝置采用模塊化設(shè)計，便于安裝與替換，與衛(wèi)星其它部件無重大 關(guān)聯(lián)與干涉。


圖1為本發(fā)明氮氣冷氣微推進(jìn)裝置結(jié)構(gòu)俯視圖；圖2為本發(fā)明氮氣冷氣微推進(jìn)裝置在六邊形安裝隔板上安裝結(jié)構(gòu)俯視圖；圖3為本發(fā)明氮氣冷氣微推進(jìn)裝置在六邊形安裝隔板上安裝結(jié)構(gòu)側(cè)視圖。圖中
1-第一推進(jìn)劑貯箱2-第二推進(jìn)劑貯箱3-第三推進(jìn)劑貯箱
4-高壓充氣閥5-高壓傳感器6-高壓自鎖閥
7-高壓減壓器8-低壓減壓器9-過濾器
10-推力器11-控制線路盒12-三通A
13-三通B14-三通C15-三通D
16-三通E17-三通F18-供氣管路
19-安裝隔板20-二通21-供給管路
具體實施例方式本發(fā)明一中氮氣冷氣微推進(jìn)裝置，主要包括第一推進(jìn)劑貯箱1、第二推進(jìn)劑貯箱 2、第三推進(jìn)劑貯箱3、高壓充氣閥4、高壓傳感器5、高壓自鎖閥6、高壓減壓器7、低壓減壓器 8、過濾器9、推力器10與控制線路盒11，如圖1所示，上述部件均安裝在安裝隔板19上，安 裝隔板19的形狀與所需要安裝微推進(jìn)裝置的衛(wèi)星截面形狀相同，與衛(wèi)星其它部件沒有過 多的聯(lián)系與干涉，便于微推進(jìn)裝置的安裝與替換，便于替換與修理。本發(fā)明微推進(jìn)裝置采用第一推進(jìn)劑貯箱1、第二推進(jìn)劑貯箱2、第三推進(jìn)劑貯箱3 共三個推進(jìn)劑貯箱，便于本發(fā)明微推進(jìn)裝置在安裝隔板19上的質(zhì)心調(diào)節(jié)平衡，且在安裝隔 板19的有限的空間內(nèi)減少管路的長度。所述第一推進(jìn)劑貯箱1、第二推進(jìn)劑貯箱2、第三推 進(jìn)劑貯箱3均為圓柱形貯箱，三個貯箱順次在安裝隔板19上圓周分布，便于安裝在安裝隔 板19上，且體積損失小。第一推進(jìn)劑貯箱1、第二推進(jìn)劑貯箱2、第三推進(jìn)劑貯箱3分別通 過管路連接有三通A12、三通B13、三通C14。三通A12、三通B13、三通C14之間通過管路連 通。三通C14上還連接有高壓傳感器5，三通A12與三通B13或三通B13與三通C14之間 的管路上通過三通D15連接有高壓充氣閥4。高壓氮氣通過高壓充氣閥4后經(jīng)三通A12、三 通B13、三通C14分別裝填到第一推進(jìn)劑貯箱1、第二推進(jìn)劑貯箱2與第三推進(jìn)劑貯箱3中， 儲存的壓力為0. 84MPa，裝填氮氣質(zhì)量為0. 6kg，可根據(jù)不同的任務(wù)要求改變裝填氮氣的質(zhì) 量。高壓傳感器5用來檢測第一推進(jìn)劑貯箱1、第二推進(jìn)劑貯箱2與第三推進(jìn)劑貯箱3中氮 氣推進(jìn)劑的壓力，當(dāng)?shù)獨馔七M(jìn)劑壓力達(dá)到設(shè)計值時，即可關(guān)閉高壓充氣閥4，推進(jìn)劑充填結(jié) 束ο在三通A12上還通過管路依次連接有高壓自鎖閥6、高壓減壓器7、低壓減壓器8 和過濾器9。高壓自鎖閥6用來使氮氣推進(jìn)劑與微推進(jìn)裝置中的管路隔離。由于氮氣的存 儲壓力遠(yuǎn)高于推力器10要求的入口壓力，因此打開高壓自鎖閥6，使第一推進(jìn)劑貯箱1、第 二推進(jìn)劑貯箱2、第三推進(jìn)劑貯箱3中流出的推進(jìn)劑通過高壓自鎖閥6進(jìn)入高壓減壓器7進(jìn) 行一級減壓，接著進(jìn)入低壓減壓器8進(jìn)行二級減壓，使氮氣推進(jìn)劑的壓力從20MPa降到推力 器10要求的入口壓力值0. 25Mpa，減壓后的推進(jìn)劑進(jìn)入到過濾器9中進(jìn)行過濾，以免氮氣中 存在雜質(zhì)堵塞推力器10喉部，雖然本發(fā)明微推進(jìn)裝置中采用的是高純氮氣，雜質(zhì)極少，但 由于推力器10喉部直徑極小，即使細(xì)微的雜質(zhì)也會造成推力器10堵塞，因此采用過濾器9 進(jìn)行保證。過濾器9通過管路與三通E16連接，三通E16的剩余兩個通口分別與兩供給管路 21的一端連接，兩供給管路21的另一端各連接有二通20，在二通20上通過供氣管路18連 接有推力器10。若需要在不同位置增加推力器10時，則在供給管路21中增加三通F17，三 通F17通過供氣管路18連接推力器10 ；若需要在同一位置增加推力器10時，則在供給管路 21上連接帶有多個通口的管道連接件，從而連接多個推力器10。氣化后的氮氣推進(jìn)劑通過 三通E16進(jìn)入到供給管路21中，通過供給管路21中的三通F17與二通20進(jìn)入到供氣管路 18中，最終通過供氣管路18進(jìn)入到相應(yīng)的推力器10中。推力器10上裝有電磁閥，打開需 要工作的推力器10的電磁閥，則氮氣會從中噴出，從而產(chǎn)生推力。控制線路盒11與需要控制的高壓傳感器5、高壓自鎖閥6以及推力器10之間通過
5電纜連接，用以供電和傳輸控制信號。控制線路盒11可以根據(jù)衛(wèi)星的相關(guān)控制指令發(fā)出控 制信號，打開需要工作的推力器10的電磁閥，則氮氣會從中噴出，從而產(chǎn)生推力；由此使推 力器10可單獨工作，也可以多個共同工作。推進(jìn)裝置根據(jù)衛(wèi)星三維姿態(tài)調(diào)控要求，微推進(jìn)裝置需要完成衛(wèi)星各個階段姿態(tài)控 制以及軌道維持和控制，由此來確定在供氣管路18上連接的推力器10的數(shù)量，并且確定各 個推力器10在安裝隔板19上的位置布局。上述推力器10的入口壓力與它的推力要求以及尺寸設(shè)計有關(guān)，此處的設(shè)計為推 力器10推力為50mN，喉部尺寸為0. 4mm，擴(kuò)張比為100，入口壓力設(shè)計為0. 2MPa。首先在工作前保證高壓自鎖閥6以及推力器10上的電磁閥是關(guān)閉的，防止推進(jìn)劑 自然流出。當(dāng)工作結(jié)束時，首先關(guān)閉推力器10的電磁閥，接著關(guān)閉高壓自鎖閥6，原因在于推 力器10的電磁閥前需要維持一定的壓力，防止發(fā)生泄漏。下面來通過一實施例來對本發(fā)明中推力器10的數(shù)量以及位置布置做進(jìn)一步說 明。如圖2所示，安裝隔板19采用六邊形隔板，安裝隔板19上安裝有第一推進(jìn)劑貯箱 1，第二推進(jìn)劑貯箱2、第三推進(jìn)劑貯箱3，將第一推進(jìn)劑貯箱1、第二推進(jìn)劑貯箱2和第三推 進(jìn)劑貯箱3分別安裝在六邊形安裝隔板19的三個相互間隔的邊處，并且貯箱軸線與所在邊 平行。第一推進(jìn)劑貯箱1、第二推進(jìn)劑貯箱2、第三推進(jìn)劑貯箱3分別通過管路連接有三 通A12、三通B13、三通C14。三通A12、三通B13、三通C14之間通過管路連通。三通C14上 還連接有高壓傳感器5，三通B13與三通C14之間的管路上通過三通D15連接有高壓充氣閥 4。在三通A12上還通過管路依次連接有高壓自鎖閥6、高壓減壓器7、低壓減壓器8 和過濾器9。高壓自鎖閥6用來使氮氣推進(jìn)劑與微推進(jìn)裝置中的管路隔離。過濾器9通過 管路與三通E16連接，三通E16的另兩個通口分別連接有供給管路21，供給管路21的另一 端各連接有二通20，由此形成本發(fā)明微推進(jìn)裝置的供氣管路18。在供給管路21上分別設(shè) 置有四個三通F17，在二通20與三通上各通過供氣管路18連接有推力器10。所述高壓充氣閥4、高壓傳感器5、高壓自鎖閥6、高壓減壓器7、低壓減壓器8、過濾 器9與控制線路盒11布置在第一推進(jìn)劑貯箱1、第二推進(jìn)劑貯箱2、第三推進(jìn)劑貯箱3內(nèi)圈 的安裝隔板19上。供給管路21布置在第一推進(jìn)劑貯箱1、第二推進(jìn)劑貯箱2、第三推進(jìn)劑 貯箱3外圈的安裝隔板19上。設(shè)六邊形安裝隔板19的內(nèi)角處分別為a、b、c、d、e、f，其中a與d、b與e、c與f 為此正六邊形安裝隔板19的對角，因此將在推力器10布置在a與d、b與e、c與f處，且 在c與f處各設(shè)置有一對推力器10，b與e、a與d處各設(shè)置一個推力器10，且將b與e和 a與d處的推力器10分別設(shè)置在安裝隔板19的兩側(cè)，如圖3所示，由此使丙烷微推進(jìn)裝置 能夠沿衛(wèi)星正交坐標(biāo)系的三個軸線方向為衛(wèi)星提供推力和控制力矩。
權(quán)利要求
一種采用三圓柱推進(jìn)劑貯箱的氮氣冷氣微推進(jìn)裝置，其特征在于包括第一推進(jìn)劑貯箱、第二推進(jìn)劑貯箱、第三推進(jìn)劑貯箱、高壓充氣閥、高壓傳感器、高壓自鎖閥、高壓減壓器、低壓減壓器、過濾器、推力器與控制線路盒；上述部件均安裝在安裝隔板上；第一推進(jìn)劑貯箱、第二推進(jìn)劑貯箱、第三推進(jìn)劑貯箱分別通過管路連接有三通A、三通B、三通C；三通A、三通B、三通C之間通過管路連通；三通C上還連接有高壓傳感器，三通A與三通B之間的管路上，或者三通B與三通C之間的管路上通過三通D連接有高壓充氣閥；在三通A上還通過管路依次連接有高壓自鎖閥、高壓減壓器、低壓減壓器和過濾器；過濾器通過管路與三通E連接，三通E的剩余兩個通口分別連接有供給管路，供給管路的另一端各連接有二通，在二通上通過供氣管路連接有推力器；推力器上裝有電磁閥；控制線路盒與需要控制的高壓傳感器、高壓自鎖閥以及推力器之間通過電纜連接，用以供電和傳輸控制信號；控制線路盒根據(jù)衛(wèi)星的相關(guān)控制指令發(fā)出控制信號，打開需要工作的推力器的電磁閥，則氮氣會從中噴出，從而產(chǎn)生推力。
2.如權(quán)利要求1所述一種采用三圓柱推進(jìn)劑貯箱的氮氣冷氣微推進(jìn)裝置，其特征在 于所述安裝隔板的形狀與所需要安裝微推進(jìn)裝置的衛(wèi)星截面形狀相同。
3.如權(quán)利要求1所述一種采用三圓柱推進(jìn)劑貯箱的氮氣冷氣微推進(jìn)裝置，其特征在 于所述第一推進(jìn)劑貯箱、第二推進(jìn)劑貯箱、第三推進(jìn)劑貯箱采用為圓柱形貯箱。
4.如權(quán)利要求1所述一種氮氣冷氣微推進(jìn)裝置，其特征在于所述推力器推力為50mN， 喉部尺寸為0. 4mm，擴(kuò)張比為100，入口壓力設(shè)計為0. 2MPa。
5.如權(quán)利要求1所述一種采用三圓柱推進(jìn)劑貯箱的氮氣冷氣微推進(jìn)裝置，其特征在 于所述供給管路中設(shè)置至少一個三通F，三通F通過供氣管路連接推力器。
6.如權(quán)利要求1所述一種氮氣冷氣微推進(jìn)裝置，其特征在于所述第一推進(jìn)劑貯 箱、第二推進(jìn)劑貯箱與第三推進(jìn)劑貯箱內(nèi)裝填丙烷推進(jìn)劑總質(zhì)量為0. 6kg，儲存的壓力為 0.84MPa。
7.如權(quán)利要求1所述一種氮氣冷氣微推進(jìn)裝置，其特征在于所述的第一推進(jìn)劑貯箱、 第二推進(jìn)劑貯箱和第三推進(jìn)劑貯箱在安裝隔板上圓周分布，所述的供給管路布置在所述圓 周的外圈，其余部件布置在所述圓周的內(nèi)圈。
全文摘要
本發(fā)明公開一種采用三圓柱推進(jìn)劑貯箱的氮氣冷氣微推進(jìn)裝置，包括第一推進(jìn)劑貯箱、第二推進(jìn)劑貯箱、第三推進(jìn)劑貯箱、高壓充氣閥、高壓傳感器、高壓自鎖閥、高壓減壓器、低壓減壓器、過濾器、推力器與控制線路盒；上述部件均安裝在安裝隔板上；用于微小衛(wèi)星進(jìn)行姿態(tài)控制以及軌道維持與控制；本發(fā)明微推進(jìn)裝置使用氮氣為推進(jìn)劑，無毒無污染；且本發(fā)明微推進(jìn)裝置、結(jié)構(gòu)簡單、低質(zhì)量、低功耗、高可靠性，本發(fā)明微推進(jìn)裝置安裝在安裝隔板上，便于安裝與替換，與衛(wèi)星其它部件沒有過多的聯(lián)系與干涉，便于替換與修理。
文檔編號F02K9/44GK101907039SQ20101023839
公開日2010年12月8日 申請日期2010年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月23日
發(fā)明者晉曉偉, 湯海濱, 蔣建, 訾振鵬, 鄒宇, 閆志勇, 馬鍵 申請人:北京航空航天大學(xué);西安航天動力研究所