CN104075104A - 卫星电推进***热增压氙气加注方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及卫星电推进***热增压氙气加注方法，属于卫星电推进***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***的加注试验。本发明根据卫星电推进***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。本发明采用气动阀自动控制，与***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***，能够保障氙气加注试验安全、可靠进行。
Description
技术领域
本发明涉及卫星电推进***热增压氙气加注方法，属于卫星电推进***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***的加注试验。
背景技术
目前，在轨飞行的推进***类型较多，其中电推进***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***和离子电推进***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***可以完成常规推进***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***和离子电推进***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***，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***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***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***、尤其是长寿命电推进***实现工程化应用的一大难题。
要完成电推进***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***，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***，其加注能力已达到1200kg，文章为“Patrick BRAVAIS,Roland SALOME,Cécile GELAS.IMPROVEDXENON LOADING EQUIPMENT WITH LOADING CAPACITY UP TO 1200 KGFOR ALPHABUS.AIR LIQUIDE DTA.CNES Toulouse”。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“Gani B.Ganapathi*and Jiunn JenqWu.Xenon Recovery System Concept Demonstration.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***热增压氙气加注方法是在电推进***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***热增压氙气加注方法，能够有效地完成卫星电推进***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***热增压氙气加注***使氙气经***中的热增压装置流入星上气瓶；该***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***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***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***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***热增压氙气加注方法包括下列步骤：
a.连接氙气加注试验***；
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***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***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***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。***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***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***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***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***，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***中的应用，从而加快电推进***实现工程化应用的进程。
附图说明
图1为本发明的***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***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。
***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***；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***，为整个试验***抽真空；采用高压管将回收模块19、回收阀18接入试验***，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***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***，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***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***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***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***进行氦气置换，氦气置换压力为1MPa，对充入***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***中的氦气；打开气源阀3、加注阀14，给星上气瓶、地面加注***充氙气至0.5MPa，对充入***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***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***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***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***热增压氙气加注方法，该方法所依托的***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***；
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***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***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***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***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，并控制各个气动阀门的开闭。
3.根据权利要求1所述的卫星电推进***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***中氙气的回收。
4.根据权利要求1所述的卫星电推进***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***控制其开闭。
5.根据权利要求1所述的卫星电推进***热增压氙气加注方法，其特征在于：***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***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。
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