專利名稱：用于微納衛星的微型液體燃料推進系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及衛星推進系統，特別是涉及一種適用于微納衛星的微型液體燃 料推進系統。
背景技術：
微小衛星具有體積小、重量輕、技術含量高、研制周期短、研制費用低(數 千萬元人民幣)等優點，是近年來空間技術發展的新熱點。多顆微小衛星可組 成編隊飛行衛星，在對地觀測、立體成像、精確定位、大氣探測、天文觀測和 地球物理探測等方面具有廣泛的應用價值。微小衛星還可以作為伴隨衛星，圍 繞空間站或其他空間飛行器飛行，并對其進行觀察、檢測服務。這些微小衛星 均需要有良好的姿態控制和軌道調整能力。在小衛星技術的發展過程當中，衛
星的其它部件一般可采用MEMS等微加工技術比較方便地進行微縮化，而傳統的 液體燃料衛星推進系統采用高壓氮氣或氦氣瓶對燃料進行加壓，對該原理的推 進系統直接進行微型化并非易事。而且推進系統一般在衛星所占的比重是比較 大，約30%左右，在微納衛星當中這個比例更高。因此，具備一個體積小，質量 輕，性能高的推進系統是這類微納衛星成功應用的關鍵。
目前很多微小衛星上主要采用了液化氣推進系統，如神舟七號伴隨小衛星 使用了液氨作為推進劑。液化氣推進系統具有結構簡單等優點，但是以液化氣 作為推進劑本身，它不能像單組分化學液體燃料(如高濃度雙氧水，肼等)那 樣具有很高的化學能，可在推進器中釋放化學熱從而提高比沖。因此，有必要
研制高性能的液體燃料微型推進系統以促進微小衛星的發展應用。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術微型推進系統中以液化氣作為推進劑本 身，因而不能像單組分化學液體燃料具有很高的化學能，無法滿足推進系統的 動力需求，提供一種新穎的微型液體燃料推進系統結構，該系統能夠滿足微納 衛星體積小、重量輕、能耗低的要求。
為實現以上目的，本發明采取了以下的技術方案 一種用于微納衛星的微型液體燃料推進系統，包括有增壓氣體發生器、微型推進器、為微型推進器提 供液體燃料的燃料貯箱，所述增壓氣體發生器用于對所述燃料貯箱充氣增壓； 該燃料貯箱內由隔膜分隔成存儲液體燃料的儲液部分，以及通過輸氣管道與所 述增壓氣體發生器連通的儲氣部分，在該輸氣管道兩端設有壓力傳感器和氣體 加/排閥；所述儲液部分通過輸液管道與所述微型推進器連通，在靠近儲液部分 的輸液管道兩端上設有液體燃料加/排閥和安全閥，該輸液管道上還依次設有膜 片閥、過濾器以及電磁閥。
增壓氣體發生器的工作原理是使用小型加熱器將化學藥品加熱分解產生氣 體，其通過輸氣管道與燃料貯箱連通，對燃料貯箱起到充氣增壓的作用，當燃 料貯箱中的一部分液體被消耗，壓力降低之后，增壓氣體發生器產生氣體，使 壓力恢復預定值；燃料貯箱可以為球形或圓柱形，中間由一張松弛而富有彈性 的隔膜將其分隔成兩半，隔膜一側貯存液體燃料，而另一側與增壓氣體發生器
連通，增壓氣體發生器產生的壓力氣體將所需的液體燃料壓入推進器；燃料貯 箱內部的壓力可以由壓力傳感器來檢測，增壓氣體發生器和微型推進器的數量 可根據微納衛星的具體需要可為單個或多個。
在所述輸液管道上、所述過濾器和電磁閥之間設有節流圈。當需要改變微 型推進器推力大小時，可通過節流圈的設置調節流量的大小來實現。
所述增壓氣體發生器為多個，并分別與所述輸氣管道連通。增壓氣體發生 器為多個，可同時為燃料貯箱增壓，多個增壓氣體發生器各分擔一部分化學藥 品粉末，僅需要很小的加熱功率就可以將其加熱至分解溫度；冗余的設計增加 系統可靠性，當一個增壓氣體發生器失效時，其它情況正常的增壓氣體發生器 仍可使系統增壓。
在所述燃料貯箱內的儲氣部分中預先沖入有二氧化碳氣體。在燃料貯箱內 的儲氣部分中預先充入一定壓力的二氧化碳氣體，有助于減小增壓氣體發生器 內的藥品用量。
所述增壓氣體發生器包括密閉容器及頂蓋，該密閉容器內設有裝藥桶，裝 藥桶內填充有易揮發化學藥品，以及用于對所述易揮發化學藥品加熱的加熱器， 該易揮發化學藥品受熱后分解產生氣體。增壓氣體發生器的基本工作原理是加 熱器對易揮發化學藥品進行加熱，化學藥品被加熱溫度升高到一定程度以后即 分解產生氣體。所述加熱器與所述頂蓋之間夾設有絕熱密封塊，該密封塊為中間開有通孔的 圓柱體，在通孔中穿設有螺絲桿，該螺絲桿與加熱器的外殼焊接成一體，在螺 絲桿伸出頂蓋的部分上設有緊固螺母；所述加熱器的電源線和熱電偶線通過通 孔穿出所述頂蓋，所述加熱器靠近裝藥桶并與易揮發化學藥品緊密接觸。加熱 器置密閉容器當中，需要電源導線引出到容器外部，但又要保證容器的氣密性， 因此在加熱器與頂蓋之間夾有一塊既絕熱又可密封的絕熱密封塊，該絕熱密封 塊可為聚四氟乙烯制成，能夠耐兩百至三百攝氏度的高溫，通過螺絲桿和螺母 將加熱器、絕熱密封塊和頂蓋緊密結合在一起，這樣，加熱器的電源線和熱電 偶線在頂蓋中打兩個小孔引出而不影響密閉容器的氣密性，達到了密封的效果。
在所述絕熱密封塊與所述頂蓋接觸的端面上還開有用于安置密封圈的密封 槽。密封圈的設置進一步保證了密閉容器內的密封效果。
所述易揮發化學藥品的成分包括NH4HC03。冊03被加熱至8(TC左右時分解 產生二氧化碳，氨氣和水。
在所述密閉容器的內壁上設有多孔硅藻土層。由于NH4HC03固體本身具有一 定的揮發性，特別是受熱之后揮發性更強，工作一段時間后會有一小部分固體 凝結在密閉容器的內壁上，為了提高碳酸氫銨的利用率，通過設置一層多孔硅 藻土層，該層經過浸漬酸液(如磷酸等)、烘干的處理工序，變成酸性負載物， 使揮發出的NH4HC03與酸性硅藻土即發生酸堿中和反應放出C02增壓氣體；硅藻 土層的另一個作用是起到一定的絕熱保溫作用，減小散熱損失，從而減小微納 衛星能耗。
在所述裝藥桶的底部或側壁上安設有彈簧。由于NH4HC03分解后全部變為 氣體和水，分解無殘渣，緊貼加熱器的易揮發化學藥品最先分解消失，如果不采
取一定的措施就不能使余下的藥品與加熱器相互接觸，造成導熱不良，散熱損 失嚴重，為在裝藥桶的底部安置有彈簧，當接觸加熱器的易揮發化學藥品分解消 失后，在彈簧的彈力作用下，裝藥桶被頂起，使余下的藥品持續與加熱器緊密 接觸；另一方面彈簧安裝在底部和側壁上有利于縮短氣體發生器的長度，從而 減小系統體積和重量。
本發明與現有技術相比，具有如下優點該微型推進系統擺脫了傳統的液 體燃料衛星推進系統采用高壓氣瓶對燃料進行加壓，結構笨重的缺陷，特別適 用于微納衛星當中，各方面性能優于液化氣微型推進系統；該系統能夠滿足微納衛星體積小、重量輕、能耗低的要求。
圖1為為木發明微型液體燃料推進系統組成示意圖； 圖2為增壓氣體發生器內部結構示意附圖標記說明1、增壓氣體發生器，2、壓力傳感器，3、氣體加/排閥， 12、微型推進器，4、燃料貯箱，41、儲氣部分，42、儲液部分，5、隔膜，6、 液體燃料加/排閥，7、安全閥，8、膜片閥，9、過濾器，10、節流圈，11、電 磁閥，13、輸氣管道，14、輸液管道，101、頂蓋，102、密閉容器，103、多孔 硅藻土層，104、螺絲桿，1041、外殼，105、緊固螺母，106、電源線，107、熱 電偶線，108、絕熱密封塊，1081、密封槽，109、加熱器，110、彈簧，111、 裝藥桶，112、易揮發化學藥品，118、通孔，1012、頂蓋螺絲孔，1021、容器 螺絲孔，1022、安置密封圈的密封槽，1081、密封槽。
具體實施例方式
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明的內容做進一步詳細說明。
實施例
請參閱圖1所示，本發明的液體燃料微型推進系統主要包括增壓氣體發 生器1、微型推進器12、為微型推進器12提供液體燃料的燃料貯箱4，增壓氣 體發生器1用于對燃料貯箱4充氣增壓；該燃料貯箱4內由隔膜5分隔成存儲
液體燃料的儲液部分42，以及通過輸氣管道13與增壓氣體發生器1連通的儲氣 部分41，為減小增壓氣體發生器內的藥品用量，在燃料貯箱4的儲氣部分41中 預先沖入有二氧化碳氣體，隔膜5的作用是將液體燃料與增壓氣體分開，在太 空失重狀態下能使液體不夾帶氣泡順利排出，在該輸氣管道13兩端設有壓力傳 感器2和氣體加/排閥3，壓力信號傳入控制電路并控制增壓氣體發生器1加熱 產生氣體，壓力隨之增高，可以在系統的控制電路上設定某一壓力值，當隔膜式 燃料貯箱4中的液體燃料被消耗一部分之后，由壓力傳感器2感應到燃料貯箱4 的壓力降低，并由壓力控制器根據壓力信號的大小控制氣體發生器的電加熱器 電源的通斷，具體為當系統內壓力小于設定值時，加熱器電源接通，增壓氣 體發生器開始分解產生氣體，使系統內的壓力升高；當壓力超過設定值時，控制電路斷開加熱器的電源，停止加熱產氣，維持設定壓力，由此可使燃料貯箱4 維持一定的壓力，這樣，燃料貯箱4也可為微型推進器12恒壓供應液體燃料；
儲液部分42通過輸液管道14與微型推進器12連通，在靠近儲液部分42的輸 液管道M兩端上設有液體燃料加/排閥6和安全閥7，該輸液管道14上還依次 設有膜片閥8、過濾器9以及電磁閥11。
進一步的，為改變推力的大小，在輸液管道14上、過濾器9和電磁閥11 之間設有節流圈10。
為增加系統可靠性，增壓氣體發生器1可設置多個，并分別與輸氣管道13連通。
增壓氣體發生器1包括密閉容器102，在密閉容器102開口處設有頂蓋101， 該密閉容器102內設有裝藥桶111，裝藥桶111內填充有易揮發化學藥品112， 以及用于對易揮發化學藥品112加熱的加熱器109，該易揮發化學藥品112受熱 后分解產生氣體。
加熱器109與頂蓋101之間夾設有絕熱密封塊108，該密封塊108為中間 開有通孔118的圓柱體，在通孔118中穿設有螺絲桿104,該螺絲桿104與加熱 器109的外殼1041焊接成一體，在螺絲桿104伸出頂蓋101的部分上設有緊固 螺母105;加熱器109的電源線106和熱電偶線107通過通孔118穿出頂蓋101， 與外界電源取電，加熱器109靠近裝藥桶111并與易揮發化學藥品112緊密接 觸，保證了充分利用加熱器109的熱能，使得易揮發化學藥品112受熱后更容 易揮發，在絕熱密封塊108與頂蓋101接觸的端面上還開有用于安置密封圈的 密封槽1081或1022。
本實施例中易揮發化學藥品112的成分包括NH4HC03，當然也可為其他化學 藥品，只要保證其具有加熱后容易揮發的特性即可；增壓氣體發生器的工作原 理就是使用小型加熱器將化學藥品(如碳酸氫銨)加熱分解產生氣體。化學反 應式為W4J CC>3 ~^M/3個+C02 T +/f2C> 。
為保證裝藥桶111最上層與加熱器109接觸的易揮發化學藥品112反應揮 發完畢后，余下藥品能更好與加熱器109接觸受熱，在裝藥桶111的底部和側 壁上安設有彈簧110;由于購買的NHJiC03—般為松軟的白色粉末，故在裝入裝 藥桶111時可將NH4HC03粉末112壓嚴實，這樣可充分利用裝藥桶1U的空間， 可裝載更多的藥品，減小增壓氣體發生器1的體積；而且嚴實的易揮發化學藥品頂得住彈簧110的應力不至于使加熱器109 —開始就深陷入易揮發化學藥品
112當中。
為充分利用碳酸氫銨發生反應后凝結在密閉容器的內壁上的剩余固體，在
密閉容器102的內壁上設有多孔硅藻土層103，其可以與碳酸氫銨發生中和反應 繼續釋放C02增壓氣體。
在頂蓋101上開設有頂蓋螺絲孔1012，在密閉容器102上開設有容器螺絲 孔1021，該兩螺絲孔互相配合將頂蓋101和容器102用螺絲鎖緊。
本實施例中微型推進器可以是微型液體燃料火箭發動機，或用MEMS工藝制 作的微型電加熱式推進器，如芯片式的液體蒸發式微型推進器(VLM)等。
上列詳細說明是針對本發明可行實施例的具體說明，該實施例并非用以限
制本發明的專利范圍，凡未脫離本發明所為的等效實施或變更，均應包含于本 案的專利范圍中。
權利要求
1、一種用于微納衛星的微型液體燃料推進系統，其特征在于包括有增壓氣體發生器(1)、微型推進器(12)、為微型推進器(12)提供液體燃料的燃料貯箱(4)，所述增壓氣體發生器(1)用于對所述燃料貯箱(4)充氣增壓；該燃料貯箱(4)內由隔膜(5)分隔成存儲液體燃料的儲液部分(42)，以及通過輸氣管道(13)與所述增壓氣體發生器(1)連通的儲氣部分(41)，在該輸氣管道(13)兩端設有壓力傳感器(2)和氣體加/排閥(3)；所述儲液部分(42)通過輸液管道(14)與所述微型推進器(12)連通，在靠近儲液部分(42)的輸液管道(14)兩端上設有液體燃料加/排閥(6)和安全閥(7)，該輸液管道(14)上還依次設有膜片閥(8)、過濾器(9)以及電磁閥(11)。
2、 如權利要求l所述的用于微納衛星的微型液體燃料推進系統，其特征在于 在所述輸液管道(14)上、所述過濾器(9)和電磁閥(11)之間設有節流 圈(10)。
3、 如權利要求2所述的用于微納衛星的微型液體燃料推進系統，其特征在于 所述增壓氣體發生器(1)為多個，并分別與所述輸氣管道(13)連通。
4、 如權利要求3所述的用于微納衛星的微型液體燃料推進系統，其特征在于 在所述燃料貯箱(4)的儲氣部分(41)中預先沖入有二氧化碳氣體。
5、 如權利要求1到4中任一所述的用于微納衛星的微型液體燃料推進系統，其 特征在于所述增壓氣體發生器(1)包括密閉容器(102)及頂蓋(101)， 該密閉容器(102)內設有裝藥桶(lll)，裝藥桶(lll)內填充有易揮發化學 藥品(112),以及用于對所述易揮發化學藥品(112)加熱的加熱器(109)， 該易揮發化學藥品(112)受熱后分解產生氣體。
6、 如權利要求5所述的用于微納衛星的微型液體燃料推進系統，其特征在于 所述加熱器(109)與所述頂蓋(101)之間夾設有絕熱密封塊(108)，該密 封塊(108)為中間開有通孔(118)的圓柱體，在通孔(118)中穿設有螺 絲桿(104)，該螺絲桿(104)與加熱器(109)的外殼(1041)焊接成一體， 在螺絲桿(104)伸出頂蓋(101)的部分上設有緊固螺母(105);所述加熱 器(109)的電源線(106)和熱電偶線(107)通過通孔(118)穿出所述頂 蓋(101)，所述加熱器(109)靠近裝藥桶(lll)并與易揮發化學藥品(112) 緊密接觸。
7、 如權利要求6所述的用于微納衛星的微型液體燃料推進系統，其特征在于 在所述絕熱密封塊(108)與所述頂蓋(101)接觸的端面上還開有用于安置密封圈的密封槽(1081)。
8、 如權利要求7所述的用于微納衛星的微型液體燃料推進系統，其特征在于所述易揮發化學藥品(112)的成分包括NH4HC03。
9、 如權利要求8所述的用于微納衛星的微型液體燃料推進系統，其特征在于 在所述密閉容器(102)的內壁上設有多孔硅藻土層(103)。
10、 如權利要求9所述的用于微納衛星的微型液體燃料推進系統，其特征在于 在所述裝藥桶(111)的底部和側壁上安設有彈簧aio)。
全文摘要
本發明公開了一種用于微納衛星的微型液體燃料推進系統，包括有增壓氣體發生器、微型推進器、為微型推進器提供液體燃料的燃料貯箱，增壓氣體發生器用于對所述燃料貯箱充氣增壓；該燃料貯箱內由隔膜分隔成存儲液體燃料的儲液部分，以及通過輸氣管道與所述增壓氣體發生器連通的儲氣部分，在該輸氣管道兩端設有壓力傳感器和氣體加/排閥；儲液部分通過輸液管道與所述微型推進器連通，在靠近儲液部分的輸液管道兩端上設有液體燃料加/排閥和安全閥，該輸液管道上還依次設有膜片閥、過濾器以及電磁閥。該微型推進系統擺脫了傳統的液體燃料衛星推進系統采用高壓氣瓶對燃料進行加壓，結構笨重的缺陷，能夠滿足微納衛星體積小、重量輕、能耗低的要求。
文檔編號B64G1/40GK101445160SQ200810220280
公開日2009年6月3日 申請日期2008年12月23日 優先權日2008年12月23日
發明者岑繼文, 徐進良 申請人:中國科學院廣州能源研究所