CN104075104B - 卫星电推进系统热增压氙气加注方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及卫星电推进系统热增压氙气加注方法，属于卫星电推进系统的高纯氙气加注试验技术领域，适用于所有采用高纯氙气作为工质的电推进系统的加注试验。本发明根据卫星电推进系统高纯氙气加注的技术要求，合理设计了热增压氙气加注方法。该方法具有洁净度高、能够进行精确的温度控制、可靠性高、模块置换方便、测量数据全面完整等优点，能够有效满足高纯氙气的加注任务要求。本发明采用气动阀自动控制，与系统压力、温度协调匹配性强，实现气动阀开关控制与加注过程协调进行，能够实现氙气吸入过程和加注过程的自动控制，也可以防止试验过程中星上气瓶中的氙气回流至试验系统，能够保障氙气加注试验安全、可靠进行。

Description

卫星电推进系统热增压氙气加注方法

技术领域

本发明涉及卫星电推进系统热增压氙气加注方法，属于卫星电推进系统的高纯氙气加注试验技术领域，适用于所有采用高纯氙气作为工质的电推进系统的加注试验。

背景技术

目前，在轨飞行的推进系统类型较多，其中电推进系统由于具有很高的比冲近些年来发展迅速，尤其以霍尔电推进系统和离子电推进系统倍受青睐，常用于静止轨道卫星平台执行南北位置保持、姿态控制(动量轮卸载)和轨道控制，甚至同步轨道转移等任务。此外电推进系统可以完成常规推进系统无法完成的任务，如深空探测、星际旅行等需要大△y的任务以及卫星、微小卫星的精确姿态控制和卫星星座组网控制等任务。

以氙气作为工质的霍尔电推进系统和离子电推进系统在卫星发射前需进行氙气加注，采用氙气作为工质的电推进系统，其性能直接受氙气纯度的影响，对加注后的氙气纯度有着苛刻的要求：要求加注到推进系统的氙气纯度高于99.995％，水和氧的含量不超过2ppm，而氙气源的纯度仅为99.9995％。所以如何在大容量氙气加注过程中确保氙气纯度以及系统压力、温度、加注量等满足要求，保证加注过程中氙处于气态或超临界态，是电推进系统、尤其是长寿命电推进系统实现工程化应用的一大难题。

要完成电推进系统的氙气加注，可以通过落压填充加注方法、压缩机机械压缩加注方法和本发明设计的热增压加注方法来实现。其中落压填充加注方法是指在压差的作用下，氙气储罐中的氙气填充至星上气瓶的过程，当储罐和星上气瓶压力相等后，将无法继续填充过程，所以该方法只适用于加注量较小的工况；压缩机机械压缩方法采用压缩机将氙气进行增压，使其不断流入星上的电推进系统，但该方法在多余物控制、温度控制等方面存在缺陷，且噪音较大，和落压填充方法一样，只适用于加注量较小的工况；而热增压氙气加注方法很好的解决了多余物控制、温度控制等难题，同时可以通过增加核心部件的数量来提高方法的可靠性，成为实现大容量高纯氙气加注任务的最重要的技术。自2012年，开始了热增压氙气加注方法的研究和调研，并最终完成了该加注方法的设计工作。

氙的压力随温度的降低而降低，随温度的升高而升高，热增压氙气加注方法是利用氙的这个热力学特性，首先将液氮通入热增压装置，使装置中的高压容器温度降低，从而使容器内的氙气压力随温度的降低而降低，低于氙气储罐内氙气的压力，在压差的作用下，氙气储罐中的氙气会不断流入高压容器；当氙气吸入量达到要求值时，停止通液氮，启动热增压装置中的加热装置，使高压容器温度升高，从而使容器内的氙气压力随温度的升高而升高，高于星上气瓶内氙气的压力，在压差的作用下，高压容器中的氙气会不断流入星上气瓶，从而完成氙气的加注过程。上述过程循环进行，直至加注量满足任务要求。

为实现高纯氙气的加注技术，本发明总结得出了适用于大容量高纯氙气加注工况的加注方法。并运用该方法，完成了高纯氙气加注的验证试验，证明了改加注方法合理可行。

国外从上世纪90年代后期就开始了对高纯氙气加注技术的研究，投入了巨大的人力和物力，进行了大量的验证试验，通过多年的技术积累，在高纯氙气加注方面已具备了较强的技术能力。其中，法国液化空气公司采用类似于热增压的加注技术，已成功研制出了大容量高纯氙气加注系统，其加注能力已达到1200kg，文章为“PatrickBRAVAIS,RolandSALOME,CécileGELAS.IMPROVEDXENONLOADINGEQUIPMENTWITHLOADINGCAPACITYUPTO1200KGFORALPHABUS.AIRLIQUIDEDTA.CNESToulouse”。而有些文章虽然不涉及具体的氙气加注技术，但其内容包含了利用氙物理性质进行的回收和供给过程，可作为热增压氙气加注方法的参考，文章为“GaniB.Ganapathi*andJiunnJenqWu.XenonRecoverySystemConceptDemonstration.AIAA2006-5256”。国内由于高纯氙气加注技术尚处空白，没有文献可以参考。

由于高纯氙气加注技术和相关试验验证涉及到国家安全，掌握了该项技术的国家往往进行技术封锁，国外能够提供的资料很不全面，只能起一定的借鉴作用，发表的相关文章中只是主要介绍了能够达到的性能指标，均未提及加注方法的原理以及实施的具体步骤。所以对高纯氙气的加注技术研究需要自行开展大量的验证试验，总结加注试验验证方法，得到充分的第一手资料，这些基础资料是不可能从国外文献中获得的。

综上所述，卫星电推进系统热增压氙气加注方法是在电推进系统实现逐步实现工程化应用的过程中摸索和总结的成果，整个方法是全新的，国内没有相关的文献和资料可以借鉴，国外也极少公开纰漏类似方法。本发明为了实现高纯氙气加注技术，结合科研生产过程的实践和经验，首次提出了高纯氙气加注方法。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供卫星电推进系统热增压氙气加注方法，能够有效地完成卫星电推进系统的氙气加注任务。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明的方法所依托的卫星电推进系统热增压氙气加注系统使氙气经系统中的热增压装置流入星上气瓶；该系统包括氙气储罐、储罐称重电子秤、气源阀、热增压装置A、热增压装置B、液氮阀A、液氮阀B、液氮阀C、液氮罐、氦气瓶、氦气阀、控制与数据采集模块、纯度分析仪、加注阀、星上气瓶、真空阀、真空泵、回收阀、回收模块、放气阀和星上气瓶称重装置；其中热增压装置A中装有高压气瓶A和电加热器A；热增压装置B中装有高压气瓶B和电加热器B；

上述所有阀门均为气动阀门，可通过控制系统控制其开闭；

其中氙气储罐放置于储罐称重电子秤之上，并通过气源阀和热增压装置A、热增压装置B连接；液氮罐通过液氮阀A、液氮阀B、液氮阀C分别与热增压装置A、热增压装置B、回收模块连接，为三者供给液氮；氦气瓶通过氦气阀、加注阀、回收阀分别与热增压装置A、热增压装置B、星上气瓶、回收模块连接，为其提供氦气；纯度分析仪连接在星上气瓶的上游，用于分析加注过程中氙气的纯度；控制与数据采集模块用于采集该系统中重量、压力、温度、纯度参数，并根据各参数情况控制阀门的开闭；星上气瓶通过加注阀与热增压装置A、热增压装置B连接；真空泵通过加注阀、真空阀、回收阀与星上气瓶、热增压装置A、热增压装置B、回收模块连接，为其抽真空；回收模块通过回收阀、加注阀与热增压装置A、热增压装置B、星上气瓶连接，用于将热增压装置和星上气瓶中的氙气进行回收；放气阀连接在星上气瓶的上游，用于放掉系统中的气体；星上气瓶用星上气瓶称重装置进行称重。

卫星电推进系统热增压氙气加注方法包括下列步骤：

a.连接氙气加注试验系统；

b.启动真空泵，打开加注阀、真空阀和回收阀，对热增压装置A、热增压装置B、星上气瓶和回收模块抽真空，真空度达到10Pa时关闭上述阀门(即加注阀、真空阀和回收阀)，并停止抽真空；

c.打开氦气阀、加注阀，给热增压装置A、热增压装置B、星上气瓶充入氦气，关闭氦气阀；通过纯度分析仪分析氦气纯度是否满足要求，然后打开放气阀，放掉系统中的氦气，放气结束后关闭放气阀，然后关闭加注阀；

c’重复步骤c，直至氦气纯度满足要求；

d.打开气源阀、加注阀，给热增压装置A、热增压装置B、星上气瓶充入氙气，关闭气源阀；通过纯度分析仪分析氙气纯度是否满足要求；打开液氮阀C给回收模块供给液氮，关闭液氮阀C；然后打开回收阀，对系统中的氙气进行回收，回收结束后关闭回收阀，然后关闭加注阀；

d’重复步骤d，直至氙气纯度满足要求；

e.打开气源阀，将氙气储罐中的氙气填充至热增压装置A、热增压装置B；填充过程结束后打开液氮阀A、液氮阀B，给热增压装置A、热增压装置B供给液氮，将氙气储罐中的氙气吸至热增压装置A和热增压装置B中；通过储罐称重电子秤对氙气吸入量进行称重，吸入量达到要求值时关闭气源阀、液氮阀A和液氮阀B；

f.启动电加热器A和电加热器B，为热增压装置中的高压气瓶A和高压气瓶B加热；当高压气瓶A和高压气瓶B中氙气的温度达到25℃时，打开加注阀，将高压气瓶A和高压气瓶B中的氙气加注至星上气瓶；通过星上气瓶称重装置对氙气加注量进行称重；当高压气瓶A、高压气瓶B与星上气瓶压力平衡后关闭加注阀；

g.步骤e～f重复进行，直至加注量满足要求；

h.打开回收阀，对热增压装置A、热增压装置B和系统管路中的氙气进行回收；试验结束。

整个试验过程中，控制与数据采集模块完成各参数的采集，并控制各个气动阀门的开闭。系统连接所用管路均为高抛光的不锈钢高压管路。

所述的回收模块包括回收气瓶、密封盖和液氮盛放容器，其中液氮盛放容器为上开口、带有保温层的圆筒状容器；密封盖上装有液氮管路，用于将液氮通入液氮盛放容器中；首先将回收气瓶放置于液氮盛放容器中，盖好密封盖，回收时将液氮通入液氮盛放容器，对回收气瓶降温，之后打开回收阀即可完成对系统中氙气的回收。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

(1)本发明根据卫星电推进系统高纯氙气加注的技术要求，合理设计了热增压氙气加注方法。该方法具有洁净度高、能够进行精确的温度控制、可靠性高、模块置换方便、测量数据全面完整等优点，能够有效有效满足高纯氙气的加注任务要求。

(2)本发明采用气动阀自动控制，与系统压力、温度协调匹配性强，实现气动阀开关控制与加注过程协调进行，能够实现氙气吸入过程和加注过程的自动控制，也可以防止试验过程中星上气瓶中的氙气回流至试验系统，能够保障氙气加注试验安全、可靠进行。

(3)本发明采用的试验方法合理、可行，可操作性强，可以用于较大氙气加注量的加注试验，也可通过增加热增压装置数量或增大热增压装置中高压容器的容积，满足更大加注量的加注任务要求；热增压氙气加注技术的实现，可以推动高纯氙气在卫星电推进系统中的应用，从而加快电推进系统实现工程化应用的进程。

附图说明

图1为本发明的系统的组成示意图；

图2为本发明的方法的流程示意图；

图3为回收模块的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例

如图1所示，该系统包括氙气储罐1、储罐称重电子秤2、气源阀3、热增压装置A4、热增压装置B5、液氮阀A6、液氮阀B7、液氮阀C8、液氮罐9、氦气瓶10、氦气阀11、控制与数据采集模块12、纯度分析仪13、加注阀14、星上气瓶15、真空阀16、真空泵17、回收阀18、回收模块19、放气阀20、星上气瓶称重装置21。

系统连接所用管路均为高抛光的不锈钢高压管路，具体连接方式如下：其中氙气储罐1放置于储罐称重电子秤2之上，并采用高压管路将其与气源阀3和热增压装置A4、热增压装置B5连接；采用液氮管路将液氮罐9、液氮阀A6、液氮阀B7、液氮阀C8、热增压装置A4、热增压装置B5、回收模块19连接，液氮管路外壁需要裹有保温层；采用高压管将氦气瓶10氦气阀11、加注阀14、回收阀18、热增压装置A4、热增压装置B5、星上气瓶15、回收模块19连接；纯度分析仪13通过高压管接入试验系统；所用启动阀门均有控制线路与控制与数据采集模块12连接，可随时接收其发出的控制信号；采用高压管将真空泵17、真空阀16连入试验系统，为整个试验系统抽真空；采用高压管将回收模块19、回收阀18接入试验系统，用于将热增压装置和星上气瓶中的氙气进行回收；放气阀20用于放掉系统中的气体，其中放气管路需要连接至室外；星上气瓶用星上气瓶称重装置21进行称重。

采用热增压氙气加注试验系统，并采用高纯氙气和氦气作为试验工质，可以验证整个氙气加注过程，包括抽真空、氦气置换、氙气置换、氙气吸入、氙气加注、氙气回收等过程，从而验证热增压氙气加注方法的可行性和合理性。

如图2所示，具体步骤如下：试验开始前，应准备好试验系统中的所以部件，分别采用高压气管路和液氮管路将个部件连接，具体连接方法如前文所述，从而完成整个试验系统的搭建；通过控制与数据采集模块启动真空泵，并打开真空阀16、加注阀14、回收阀18，对星上气瓶和地面加注系统抽真空，真空度抽至10Pa；将氦气阀11打开，同时打开加注阀14、回收阀18，星上气瓶和地面加注系统进行氦气置换，氦气置换压力为1MPa，对充入系统中的氦气进行纯度分析，要求水含量≤2ppm，氧含量≤2ppm，然后打开放气阀20，放掉系统中的氦气；打开气源阀3、加注阀14，给星上气瓶、地面加注系统充氙气至0.5MPa，对充入系统中的氙气进行纯度分析，要求水含量≤2ppm，氧含量≤2ppm，然后打开液氮阀C8，回收模块中充入液氮，打开回收阀18，将纯度分析后系统中剩余的氙气回收；打开液氮阀A6、液氮阀B7，给热增压装置充入液氮，使装置中的高压气瓶A41、高压气瓶B51温度降低，打开气源阀3，将氙气吸入至高压容器，吸入过程通过储罐称重电子秤2进行称重，当重量达到任务要求时，通过控制与数据采集模块12自动关闭气源阀3，切断氙气吸入过程；启动电加热器A42、电加热器B52，使热增压装置中的高压气瓶A41、高压气瓶B51升温，当容器内氙气的压力高于星上气瓶15时，控制与数据采集模块12自动打开加注阀14，开始进行氙气加注，加注过程中通过星上气瓶称重装置21进行加注量的测量；氙气吸入和加注过程要循环进行，直至加注量达到任务要求；打开液氮阀C8，给回收模块19通液氮降温，打开回收阀18，将系统中剩余的氙气回收至回收模块19。热增压氙气加注过程结束。

如图3所示，所述的回收模块19包括回收气瓶191、密封盖192和液氮盛放容器193，其中液氮盛放容器193为上开口、带有保温层的圆筒状容器；密封盖192上装有液氮管路，用于将液氮通入液氮盛放容器193中；首先将回收气瓶191放置于液氮盛放容器193中，盖好密封盖192，回收时将液氮通入液氮盛放容器193，对回收气瓶191降温，之后打开回收阀18即可完成对系统中氙气的回收。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (6)

1.卫星电推进系统热增压氙气加注方法，该方法所依托的系统包括氙气储罐(1)、储罐称重电子秤(2)、气源阀(3)、热增压装置A(4)、热增压装置B(5)、液氮阀A(6)、液氮阀B(7)、液氮阀C(8)、液氮罐(9)、氦气瓶(10)、氦气阀(11)、控制与数据采集模块(12)、纯度分析仪(13)、加注阀(14)、星上气瓶(15)、真空阀(16)、真空泵(17)、回收阀(18)、回收模块(19)、放气阀(20)和星上气瓶称重装置(21)；

其中热增压装置A(4)中装有高压气瓶A(41)和电加热器A(42)；热增压装置B(5)中装有高压气瓶B(51)和电加热器B(52)；

氙气储罐(1)放置于储罐称重电子秤(2)之上，并通过气源阀(3)与热增压装置A(4)、热增压装置B(5)连接；

液氮罐(9)通过液氮阀A(6)与热增压装置A(4)连接；

液氮罐(9)通过液氮阀B(7)与热增压装置B(5)连接；

液氮罐(9)通过液氮阀C(8)与回收模块(19)连接；

氦气瓶(10)通过氦气阀(11)与热增压装置A(4)、热增压装置B(5)连接；

氦气瓶(10)通过氦气阀(11)和加注阀(14)与星上气瓶(15)连接；

氦气瓶(10)通过氦气阀(11)和回收阀(18)与回收模块(19)连接；

纯度分析仪(13)连接在星上气瓶(15)的上游；

控制与数据采集模块(12)连接在星上气瓶(15)的上游；

星上气瓶(15)通过加注阀(14)与热增压装置A(4)、热增压装置B(5)连接；

真空泵(17)通过加注阀(14)和真空阀(16)与星上气瓶(15)连接；

真空泵(17)通过真空阀(16)与热增压装置A(4)、热增压装置B(5)连接；

真空泵(17)通过真空阀(16)和回收阀(18)与回收模块(19)连接；

回收模块(19)通过回收阀(18)与热增压装置A(4)、热增压装置B(5)连接；

回收模块(19)通过回收阀(18)和加注阀(14)与星上气瓶(15)连接；

放气阀(20)连接在星上气瓶(15)的上游；

星上气瓶称重装置(21)放在星上气瓶(15)的下面；

其特征在于步骤为：

a.连接氙气加注系统；

b.启动真空泵(17)，打开加注阀(14)、真空阀(16)和回收阀(18)，对热增压装置A(4)、热增压装置B(5)、星上气瓶(15)和回收模块(19)抽真空，真空度达到10Pa时关闭上述阀门，并停止抽真空；

c.打开氦气阀(11)、加注阀(14)，给热增压装置A(4)、热增压装置B(5)、星上气瓶(15)充入氦气，关闭氦气阀(11)；通过纯度分析仪(13)分析氦气纯度是否满足要求，然后打开放气阀(20)，放掉系统中的氦气，放气结束后关闭放气阀(20)，然后关闭加注阀(14)；

c’重复步骤c，直至氦气纯度满足要求；

d.打开气源阀(3)、加注阀(14)，给热增压装置A(4)、热增压装置B(5)、星上气瓶(15)充入氙气，关闭气源阀(3)；通过纯度分析仪(13)分析氙气纯度是否满足要求；打开液氮阀C(8)给回收模块(19)供给液氮，关闭液氮阀C(8)；然后打开回收阀(18)，对系统中的氙气进行回收，回收结束后关闭回收阀(18)，然后关闭加注阀(14)；

d’重复步骤d，直至氙气纯度满足要求；

e.打开气源阀(3)，将氙气储罐(1)中的氙气填充至热增压装置A(4)、热增压装置B(5)；填充过程结束后打开液氮阀A(6)、液氮阀B(7)，给热增压装置A(4)、热增压装置B(5)供给液氮，将氙气储罐(1)中的氙气吸至热增压装置A(4)和热增压装置B(5)中；通过储罐称重电子秤(2)对氙气吸入量进行称重，吸入量达到要求值时关闭气源阀(3)、液氮阀A(6)和液氮阀B(7)；

f.启动电加热器A(42)和电加热器B(52)，为热增压装置中的高压气瓶A(41)和高压气瓶B(51)加热；当高压气瓶A(41)和高压气瓶B(51)中氙气的温度达到25℃时，打开加注阀(14)，将高压气瓶A(41)和高压气瓶B(51)中的氙气加注至星上气瓶(15)；通过星上气瓶称重装置(21)对氙气加注量进行称重；当高压气瓶A(41)、高压气瓶B(51)与星上气瓶(15)压力平衡后关闭加注阀(14)；

g.步骤e～f重复进行，直至加注量满足要求；

h.打开回收阀(18)，对热增压装置A(4)、热增压装置B(5)和系统管路中的氙气进行回收。

2.根据权利要求1所述的卫星电推进系统热增压氙气加注方法，其特征在于：整个加注过程中，控制与数据采集模块(12)完成各参数的采集，并控制液氮阀A(6)、液氮阀B(7)、液氮阀C(8)、加注阀(14)和真空阀(16)的开闭。

3.根据权利要求1所述的卫星电推进系统热增压氙气加注方法，其特征在于：回收模块(19)的使用方法为：首先将回收气瓶(191)放置于液氮盛放容器(193)中，盖好密封盖(192)，回收时将液氮通入液氮盛放容器(193)，对回收气瓶(191)降温，之后打开回收阀(18)完成对系统中氙气的回收。

4.根据权利要求1所述的卫星电推进系统热增压氙气加注方法，其特征在于：所有阀门均为气动阀门，通过控制系统控制其开闭。

5.根据权利要求1所述的卫星电推进系统热增压氙气加注方法，其特征在于：系统连接所用管路均为高抛光的不锈钢高压管路。

6.根据权利要求1所述的卫星电推进系统热增压氙气加注方法，其特征在于：所述的回收模块(19)包括回收气瓶(191)、密封盖(192)和液氮盛放容器(193)，其中液氮盛放容器(193)为上开口、带有保温层的圆筒状容器；密封盖(192)盖在液氮盛放容器(193)上；密封盖(192)上装有液氮管路；回收气瓶(191)位于液氮盛放容器(193)中。