一種用于皮納衛星的液氨推進系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種用于皮納衛星的液氨推進系統，包括數字信號處理電路和微推進裝置；微推進裝置包括儲存液氮的推進系統貯罐，與推進系統貯罐連通的推力器，以及安裝在推進系統貯罐和推力器間的電磁閥；數字信號處理電路包括信息監測模塊、控制開關模塊、接口通信模塊；信息監測模塊用于監測推進系統當前運行狀態；控制開關模塊用于控制所述的電磁閥，以啟動或關閉所述的推力器；接口與通信模塊用于將推進系統當前運行狀態信息反饋給衛星，并接收衛星發送的遙控指令。本發明不僅體積小、重量輕、功耗低，同時還具有比沖較大、結構簡單研制周期短、安全性能高、一體化多功能、空間即插即用等特點，對10公斤量級的皮納衛星具有普遍的適用性。
【專利說明】一種用于皮納衛星的液氨推進系統
【技術領域】
[0001]本發明屬于液化氣微推進【技術領域】，具體涉及一種適用于皮納衛星的液氨推進系統。
【背景技術】
[0002]皮納衛星具有重量輕、體積小、研制周期短、成本低、功能密度大、發射靈活等特點，在通信、遙感等領域具有廣泛的應用前景。微小衛星的發展，可以說是國際航天技術和空間技術的一場劃時代的革命，同時也使我國航天事業面臨新的機遇和挑戰。小衛星分類一般是依據重量來劃分，國內外在此方面有著不同的標準。國內普遍的劃分原則為:公斤量級的衛星稱為皮衛星，10公斤量級的衛星稱為納衛星。
[0003]單顆皮納衛星可以完成的任務有限，隨著皮納衛星技術的發展和其應用領域的擴大，小衛星編隊飛行和小衛星星座成為皮納衛星發展的必然趨勢。利用多顆衛星在軌組網可以完成許多復雜昂貴的大衛星所無法完成的工作，如組成分布式星載載波雷達、衛星三維立體成像、高辨率合成孔徑對地遙感等等。要完成上述任務，就必然對衛星間相對軌道位置的保持、高精度的姿態控制提出較高的要求。因此，迫切需要發展微推進技術和微推進器。
[0004]綜合國內外微小衛星推進系統的選用經驗，對于總重在50kg級以下的微小衛星，基本局限于常規的冷氣推進。冷氣微推進技術能夠實現HlN級別的微推力，并且已經通過了飛行驗證，技術上是成熟的。傳統的冷氣微推進技術采用氮氣作為推進劑，比沖較低而且容易造成貯箱體積過大，對于質量體積要求更小的微納衛星而言，傳統的冷氣推進系統便不再適用。為了克服傳統推進劑的不足，國內外多采用液化氣推進技術的方案，主要的推進劑有丁烷、丙烷和氨等，目前也得到了飛行驗證。如上海微小衛星工程中心研制的第一顆伴隨衛星神舟七號(SZ-7)伴隨衛星利用液氨在真空中的閃蒸特性，采用了液氨推進技術。
[0005]隨著空間任務日益復雜化，快速研制以滿足空間任務的快速響應成為了微小衛星領域的研究重點。國內現有微推進技術大多是針對微納衛星而言，專門針對10公斤量級的皮納衛星卻很少提及；同時，國內現有微推進技術的相關發明主要是說明微推進裝置的結構特點，沒有從機電一體化的角度完整地公開軌控推進系統的特點與功能等。
【發明內容】
[0006]本發明提供了一種能滿足皮納衛星的液氨推進系統，該推進系統不僅體積小、重量輕、功耗低，同時還具有比沖較大、結構簡單研制周期短、安全性能高、一體化多功能、空間即插即用等特點，對10公斤量級的皮納衛星具有普遍的適用性。
[0007]—種用于皮納衛星的液氨推進系統，包括數字信號處理電路和微推進裝置；所述的微推進裝置包括儲存液氮的推進系統貯罐，與推進系統貯罐連通的推力器，以及安裝在推進系統貯罐和推力器間的電磁閥；所述數字信號處理電路包括信息監測模塊、控制開關模塊、接口通信模塊；
[0008]所述的信息監測模塊，用于監測推進系統當前運行狀態；
[0009]所述的控制開關模塊，用于控制所述的電磁閥，以啟動或關閉所述的推力器；
[0010]所述的接口與通信模塊，用于將推進系統當前運行狀態信息反饋給衛星，并接收衛星發送的遙控指令。
[0011]本發明的液氨推進系統使用液氨作為推進劑，液氨的飽和蒸汽壓跟溫度相關，儲存溫度范圍-30°C?50°C時，貯罐內壓力為0.15?2.4MPa。
[0012]所述的信息監測模塊包括:
[0013]三軸加速度計，用于監測衛星的加速度信息；
[0014]電磁閥電流反饋信息單元，用于監測液氨推進系統是否正常處于開啟狀態或是關閉狀態；
[0015]壓力傳感器，用于獲取推進系統貯罐內的液氨壓力。
[0016]所述控制開關模塊為單片機通過片內產生PWM的方式控制電磁閥的開關，從而控制推進器的開啟與關閉。
[0017]接口與通信模塊用于將推進系統當前運行狀態信息反饋給衛星，同時也接收衛星發送的遙控指令。所述接口通信模塊是單片機通過SPI總線與衛星相互通信，數字信號處理電路實現了本發明一體化多功能的特點，接口通信模塊只需要通過SPI總線與衛星連接通信，即插即用，具有普遍的適用性。
[0018]所述的單片機獲取電磁閥電流反饋信息單元的電磁閥電流信息，并通過片內10位ADC直接轉換成數字量；
[0019]所述的壓力傳感器的信息和三軸加速度計信息，需先通過12位A/D芯片轉成數字量，然后通過單片機片內SPI讀取采樣信息；單片機的采樣頻率為20Hz，即每秒鐘需要循環采樣20次。
[0020]所述的電磁閥采用NMOS管作為開關驅動電路，單片機通過產生高低電平來控制NMOS的導通與關閉，從而控制電磁閥的開關。
[0021]所述的電磁閥與推進系統貯罐之間安裝有過濾器，且所述的推力器為沿軌道前進方向正負安裝的兩組，適應相對兩個方向的推力輸出。
[0022]液氨推進系統的設計滿足震動適應性和溫度適應性，能夠保障推進系統在軌運行的可靠性和安全性。液氨推進系統貯罐不通過管路直接連接過濾器、壓力傳感器和加注口。過濾器依次接有電磁閥、推力器。將罐體和管路進行一體化設計，有效地減小了空間。所述的推進系統貯罐為橢圓截面的近似柱體。
[0023]為確保貯罐上各接口的密封性，所述推進系統貯罐的各接口采用雙密封結構，包括采用球頭外套螺母的一級密封，和以密封圈為輔助的二級密封。
[0024]與現有技術相比，本發明具有的優點是:
[0025](I)本發明是針對皮納衛星設計的推進系統，該推進系統結構簡單，易于研制，可靠性安全性高，元器件較少，能有效地降低系統的功耗和質量。
[0026](2)本發明所述的數字信號處理電路實現了推進系統的一體化多功能，接口通信模塊采用簡單的SPI總線，能夠實現空間即插即用，具有普遍的適用性。
[0027](3)本發明將罐體和管路進行一體化設計，有效地減少空間，更加適用于皮納衛星。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028]圖1是本發明的液氨推進系統原理框圖；
[0029]圖2是本發明的液氨推進系統硬件設計框圖；
[0030]圖3是本發明的單片機工作流程圖；
[0031]圖4是本發明的微推進裝置結構框圖；
[0032]圖5(a)是本發明中的貯罐外形及尺寸俯視圖；
[0033]圖5(b)是本發明中的貯罐外形及尺寸側視圖；
[0034]圖中:1.推進系統貯罐，2.推力器，3.電磁閥，4.過濾器，5.工作接口，6.壓力傳感器接口，7.壓力傳感器，8.加注口，9.隔離閥，10.底板。
【具體實施方式】
[0035]一種用于皮納衛星的液氨推進系統，包括數字信號處理電路和微推進裝置。數字信號處理電路和微推進裝置分別安裝在底板兩面，底板的形狀跟安裝液氨推進系統的衛星截面形狀相同。本發明的具體實現指標為:
[0036]推力大小范圍:30mN?80mN ；
[0037]總沖:24m/s；
[0038]系統總漏率:<I X KT4Pa.m3/s ；
[0039]系統推力分辨率:65ug ；
[0040]系統總質量Ikg(不含推進劑和底板);
[0041]推進劑加注量:0.318kg ;
[0042]貯罐容積:0.60升；
[0043]貯罐耐壓:彡2.4MPa ；
[0044]功耗:
[0045](I)電磁閥完全打開時,系統功耗< 6W ;
[0046](2)電磁閥PWM控制時，系統功耗彡3W ；
[0047](3)電磁閥關閉時，系統功耗彡0.71
[0048]本發明的液氨推進系統原理框圖如圖1所示。數字信號處理電路由信息監測模塊、控制開關模塊、接口通信模塊3個主要模塊組成。
[0049]單片機作為推進系統處理器，3軸加速度計用于監測星體加速度信息，電磁閥電流反饋信息用于監測液氨推進系統是否正常處于開啟狀態或是關閉狀態，壓力傳感器反饋信息用于獲取貯罐的液氨壓力，用于計算理論推力大小和判斷貯箱是否發生故障。由于液氨的飽和蒸汽壓只和溫度相關，我們可以根據星體的當前溫度和液氨壓力的關系來判斷貯罐是否發生泄漏等故障；液氨理論推力大小和溫度與液氨壓力關系可以在地面進行標定。信息監測模塊用于監測推進系統當前運行狀態。即單片機接收3軸加速度計的采樣信息、電磁閥電流信息和壓力傳感器的信息。
[0050]控制開關模塊是指單片機通過發送推進器開關信號來控制電磁閥的開關，從而控制推進器的開啟與關閉。單片機通過片內產生PWM的方式控制電磁閥的開關，可以達到節省功耗的目的。當電磁閥打開時，液氨就會從推力器的噴嘴噴出，從而產生推力，完成軌控任務。
[0051]接口與通信模塊用于將推進系統當前工作狀態信息反饋給衛星綜合電子系統，同時推進系統處理器也接收衛星綜合電子系統發送的軌道控制信號，控制液氨推進器按照策略動作。接口通信模塊是單片機通過SPI總線與衛星相互通信，因此10公斤量級的皮納衛星只要裝配有SPI總線接口，便可以實現液氨推進系統的快速集成，即插即用。
[0052]如圖2所示，電磁閥采用NMOS管作為開關驅動電路，單片機通過產生高低電平來控制NMOS的導通與關閉，從而控制電磁閥的開關。為減小功耗，當單片機拉高電平打開電磁閥時，待電磁閥完全打開后，單片機可以通過片內集成的PCA模塊產生PWM波形，通過PWM方式維持電磁閥的開啟狀態。PWM占空比為50%時，電磁閥的功耗便可以降至一半。電磁閥的電流可以通過單片機片內的10位ADC直接轉換成數字量。3軸加速度計和壓力傳感器信號先通過12位A/D芯片轉成數字量，再通過單片機片內的SPI接口傳輸數據信息。單片機與衛星綜合電子系統通信選用模擬SPI接口，可以自定義SPI協議，具有更好的靈活性和擴展性。
[0053]如圖3所示，單片機的工作流程如下:
[0054]第一步:單片機配置寄存器。單片機主要配置系統時鐘頻率、PWM波形的頻率和占空比、片內SPI寄存器以及片內ADC子系統。本發明中單片機的系統時鐘設為12M，PWM的頻率為3.9K，占空比為50%，片內SPI的時鐘頻率為1M。
[0055]第二步:單片機采樣數據。單片機依次采集電磁閥電流信息、3軸加速度計信息和壓力傳感器信息。單片機直接獲取電磁閥電流信息，并通過片內10位ADC直接轉換成數字量；壓力傳感器的信息和3軸加速度計信息，需先通過12位A/D芯片轉成數字量，然后通過單片機片內SPI讀取采樣信息。單片機的采樣頻率為20Hz，即每秒鐘需要循環采樣20次。由于單片機內存受限以及實際數據需求，我們只存儲最新的10組數據，并將10組最新的采樣數據放在單片機的XRAM中。
[0056]第三步:單片機響應軌道控制信號。當單片機通過外部中斷接收到軌道控制信號時，就會立即中斷數據采樣，并開始與綜合電子系統通過模擬SPI方式進行通信。當單片機接收到的是數據指令，單片機就會通過SPI將最新的10組采樣數據回傳給綜合電子系統。當單片機接受到的是控制指令，單片機首先解析控制指令。控制指令共分為2大類:打開電磁閥、關閉電磁閥。而關閉電磁閥又有3種模式:即時關機、時間關機和速度關機。單次通信中單片機只接收一種控制指令。
[0057]當單片機接收到打開電磁閥的指令時，單片機就會立即拉高相應的管腳電平，NMOS導通，電磁閥打開；當電磁閥完全打開后，單片機相應的管腳就切換成PWM工作模式，用于保持電磁閥的開啟狀態。當接收到關閉電磁閥的指令時，單片機首先對關機模式進行判斷。即時關機時，單片機拉低相應管腳電平，NMOS關閉，電磁閥也立即關閉。時間關機時，綜合電子系統會給單片機發送電磁閥的開啟時長，單片機便會在電磁閥打開的同時啟動定時器進行計時。到達指定的開啟時長后，單片機便自動關閉電磁閥。速度關機時，綜合電子系統會給單片機發送速度增量。單片機利用采集到的加速度計信息進行累積積分，得到當前速度增量，當到達指定的速度增量時，便自動關閉電磁閥。
[0058]當單片機執行完控制指令時，就會中斷返回，繼續采樣數據。
[0059]本發明的微推進裝置包括安裝在底板10上的推進系統貯罐1、管路、隔離閥9、電磁閥3、過濾器4、推力器2、壓力傳感器7。微推進裝置結構框圖如圖4所示。
[0060]本發明使用液氨作為推進劑。相比傳統的推進劑如氮、丙烷、丁烷等，氨的比沖和密度比沖最大，那么所需體積和質量都將明顯減小，更加適用于微小衛星。同時液氨還具有常溫下可加壓液化的特點，既具有冷氣推進簡單的優點，又由于推進工質的液化貯存，在不高的貯存壓力下，提高了密度比沖。液氨的飽和蒸汽壓跟溫度相關，儲存溫度范圍_30°C?50°C時，貯罐內壓力0.15?2.4MPa。
[0061]推力器沿軌道前進方向正負安裝兩組，適應相對兩個方向的推力輸出。
[0062]如圖5(a)和圖5(b)所示，本發明中的液氨貯罐是橢圓截面的近似柱體，并根據比強度和比剛度數據，選用鈦合金TC4作為材料。貯罐是用于儲存液氨的容器，主要承受內壓載荷。根據邊界條件，貯罐的最大內壓為2.4MPa。等壁厚的情況是應力、變形最小的方案，因此貯罐采用等壁厚的方案。貯罐容積0.61升，質量0.365kg。貯罐設計4個接口管嘴，分別是壓力傳感器接口、加注口和2個工作接口。罐體和管路進行一體化設計，有效地減小了空間。由于推進系統安裝在衛星上后要隨衛星在軌運行3年以上時間，推進系統內的液氨不能泄漏，系統的密封性必須得到保證。為確保貯罐上各接口的密封性，解決途徑是在管路接頭處采用雙密封結構。第一級密封也是主要密封，采用球頭-外套螺母的密封結構，這種密封結構可滿足大多數高中低壓的短期密封要求，但為了保證系統總漏率達到< lX10_4Pa*m3/S的設計指標，設計方案中加入了二級密封結構，即密封圈輔助密封，從而，采用的兩級密封滿足了系統密封要求。
[0063]貯罐上的壓力傳感器接口 6直接連接壓力傳感器，壓力傳感器用來監測貯罐里液氨的壓力。加注接口 8連接隔離閥，隔離閥連接地面加注系統加注液氨。貯罐的兩個工作接口 5均接有過濾器，過濾器依次連接電磁閥、推力器，當電磁閥打開的時候，貯罐里的液氨就會從推力器噴出，產生推力，從而對衛星進行軌道調節。
[0064]液氨推進系統的設計要滿足震動適應性和溫度適應性。推進系統中，各連接處是整機抗振動條件的薄弱環節，在滿足密封的前提下要明確力矩要求，螺釘連接處使用減振墊圈。對于整機，在推進系統安裝板處設計阻尼墊圈吸收沖擊能量，同時提高系統諧振頻率。
[0065]推進系統由于長期工作在溫度交變的太空中，必須進行溫度適應性設計。由于不同材料具有不同的溫度特性，在溫度變化速率較大的情況下，在不同材料的連接處就會由于溫度特性的不同產生熱應力。因此，在設計時，在系統各個連接處的零件盡量選用相同材料以保證溫度適應性。
【權利要求】
1.一種用于皮納衛星的液氨推進系統，包括數字信號處理電路和微推進裝置；所述的微推進裝置包括儲存液氮的推進系統貯罐，與推進系統貯罐連通的推力器，以及安裝在推進系統貯罐和推力器間的電磁閥；其特征在于，所述數字信號處理電路包括信息監測模塊、控制開關模塊、接口通信模塊； 所述的信息監測模塊，用于監測推進系統當前運行狀態； 所述的控制開關模塊，用于控制所述的電磁閥，以啟動或關閉所述的推力器； 所述的接口與通信模塊，用于將推進系統當前運行狀態信息反饋給衛星，并接收衛星發送的遙控指令。
2.如權利要求1所述的用于皮納衛星的液氨推進系統，其特征在于，所述的信息監測模塊包括: 三軸加速度計，用于監測衛星的加速度信息； 電磁閥電流反饋信息單元，用于監測液氨推進系統是否正常處于開啟狀態或是關閉狀態； 壓力傳感器，用于獲取推進系統貯罐內的液氨壓力。
3.如權利要求2所述的用于皮納衛星的液氨推進系統，其特征在于，所述控制開關模塊為單片機通過片內產生PWM的方式控制電磁閥的開關，從而控制推進器的開啟與關閉。
4.如權利要求3所述的用于皮納衛星的液氨推進系統，其特征在于，所述接口通信模塊指的是所述的單片機通過SPI總線與衛星相互通信。
5.如權利要求4所述的用于皮納衛星的液氨推進系統，其特征在于，所述的單片機獲取電磁閥電流反饋信息單元的電磁閥電流信息，并通過片內10位ADC直接轉換成數字量； 所述的壓力傳感器的信息和三軸加速度計信息，需先通過12位A/D芯片轉成數字量，然后通過單片機片內SPI讀取采樣信息；單片機的采樣頻率為20Hz，即每秒鐘需要循環采樣20次。
6.如權利要求1所述的用于皮納衛星的液氨推進系統，其特征在于，所述的電磁閥采用NMOS管作為開關驅動電路。
7.如權利要求1所述的用于皮納衛星的液氨推進系統，其特征在于，所述的電磁閥與推進系統貯罐之間安裝有過濾器。
8.如權利要求1所述的用于皮納衛星的液氨推進系統，其特征在于，所述的推力器為沿軌道前進方向正負安裝的兩組。
9.如權利要求1所述的用于皮納衛星的液氨推進系統，其特征在于，所述的推進系統貯罐為橢圓截面的近似柱體。
10.如權利要求9所述的用于皮納衛星的液氨推進系統，其特征在于，所述推進系統貯罐的各接口采用雙密封結構，包括采用球頭外套螺母的一級密封，和以密封圈為輔助的二級密封。
【文檔編號】F03H99/00GK104358663SQ201410479792
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年9月19日 優先權日:2014年9月19日
【發明者】劉智, 蒙濤 申請人:浙江大學