用多孔塞片實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑微小流率的控制

胡 竟，楊福全，孫運(yùn)奎，王小永

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000）

0 引言

電推力器利用電能對推進(jìn)劑電離并加速噴射而產(chǎn)生推力，其噴射速度比傳統(tǒng)化學(xué)推進(jìn)高很多，可極大地減少衛(wèi)星在軌期間的推進(jìn)劑需求量[1]。為我國空間站軌道保持任務(wù)而研制的10 cm 霍爾推力器，其放電室、陰極的推進(jìn)劑設(shè)計(jì)流率分別為(5.0±0.3)mg/s、(0.3±0.1)mg/s，如此之小的流率使得流量控制非常復(fù)雜。在推力器地面試驗(yàn)期間，一般采用商用流量控制器，并配置一套復(fù)雜的測量和電路控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。因此，利用該方 法進(jìn)行流量控制難以滿足空間應(yīng)用的需求。為了既能實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑微小流量的精確控制，又使得流量控制器體積小、質(zhì)量輕，簡單可靠，需要采用其他的流量控制技術(shù)。

鑒于粉末冶金的多孔特性，可以利用其進(jìn)行微小流量的調(diào)節(jié)控制。多孔金屬具有良好的機(jī)械加工性能，可以用來制作具有節(jié)流能力的多孔金屬塞片。

本文利用小孔節(jié)流原理和氙氣黏性隨溫度變化明顯的特性，采用粉末冶金多孔金屬塞片作為節(jié)流元件，開展了10 cm 霍爾推力器推進(jìn)劑微小流率的控制研究。

1 微小流量控制器

1.1 方案選擇

粉末冶金多孔金屬塞片適宜在較高或超低的工作溫度和熱沖擊環(huán)境下長期工作[2-3]。同時，通過基材結(jié)構(gòu)、微孔結(jié)構(gòu)、外型結(jié)構(gòu)等多種調(diào)整手段調(diào)節(jié)多孔金屬的孔徑與孔隙，可有效地控制孔的形貌和結(jié)構(gòu)。鑒于霍爾推力器的放電室、陰極所需的推進(jìn)劑流率均很小，同時對流率的穩(wěn)定性、控制精度要求較高，而傳統(tǒng)的節(jié)流裝置（孔板、文丘利管）[4-6]在微小流量控制的應(yīng)用過程中存在結(jié)構(gòu)不緊湊、難加工的問題，綜合考慮機(jī)械強(qiáng)度、焊接性能及空間應(yīng)用環(huán)境等多方面因素，決定選擇粉末冶金多孔金屬塞片作為微小流量控制元件，制成微小流量控制器。

1.2 控制器的結(jié)構(gòu)及調(diào)節(jié)原理

1.2.1 結(jié)構(gòu)組成

利用粉末冶金多孔金屬塞片制作的流量控制器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，由推進(jìn)劑進(jìn)/出氣口、外殼、隔熱環(huán)、加熱器及流阻器組成，其中流阻器就是多孔金屬塞片。

圖1 流量控制器結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.1 Schematic diagram of the flow controller

1.2.2 流阻器的調(diào)節(jié)原理及設(shè)計(jì)參數(shù)

對于控制器的結(jié)構(gòu)而言，在進(jìn)氣口工作壓力確定的情況下，推進(jìn)劑流率只與流過流阻器的推進(jìn)劑溫度有關(guān)。

假設(shè)流阻器的每個毛細(xì)孔都直接連通且直徑相等，則其推進(jìn)劑流率為[7-8]

已知霍爾推力器的放電室、陰極正常工作所需的推進(jìn)劑流率為，得到放電室、陰極流阻器的有效通流面積為

假設(shè)流阻器的孔隙度為ε，為得到要求的流率，實(shí)際需要的放電室、陰極流阻器的節(jié)流面積為

針對霍爾推力器放電室、陰極正常工作的推進(jìn)劑流率要求，結(jié)合上述分析，流量控制器工作加熱溫度設(shè)計(jì)為85 ℃，推進(jìn)劑穩(wěn)壓罐內(nèi)溫度為30 ℃，進(jìn)氣口壓力為(0.35±2%)MPa，出氣口壓力控制在10 Pa 以下，針對這些參數(shù)要求設(shè)計(jì)了 2 個流阻器：陰極流阻器的孔隙率為15%，厚度為1 mm，有效通流面積為7.89 mm2；放電室流阻器的孔隙率為25%，厚度為1 mm，有效通流面積為9.51 mm2。

1.2.3 加熱器的調(diào)節(jié)控制

為了達(dá)到通過溫度調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑微小流率精確控制的目的，流量控制器必須進(jìn)行溫度控制。流量控制器在軌期間的工作環(huán)境溫度為 5～50 ℃，控制溫度須高于其工作環(huán)境溫度。因此，加熱器的加熱溫度設(shè)計(jì)為50～120 ℃，控制方式為PID 調(diào)節(jié)；采用具有一定阻值的阻性負(fù)載，并接通恒定的電流；利用Pt100 薄膜熱敏電阻測量加熱溫度。圖2所示為流量控制器的加熱器控制原理圖。加熱器選用結(jié)構(gòu)緊湊、加熱效率高、具有良好的絕緣性及物理性能的鎧裝加熱絲。

圖2 加熱器控制原理圖 Fig.2 Control principle of the heater

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 結(jié)構(gòu)性能的驗(yàn)證

為確保流量控制器在軌期間的結(jié)構(gòu)性能滿足使用要求，需對其整體結(jié)構(gòu)開展力學(xué)試驗(yàn)。針對衛(wèi)星發(fā)射階段、星箭分離階段以及空間在軌運(yùn)行階段的力學(xué)環(huán)境，對流量控制器進(jìn)行了22g最大量級的沖擊試驗(yàn)和總方均根加速度為16.5g的振動試驗(yàn)。

在上述試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合流量控制器在軌運(yùn)行階段的熱環(huán)境，開展了熱循環(huán)試驗(yàn)。包括溫度為70 ℃、180 h 連續(xù)帶電狀態(tài)下的高溫浸泡試驗(yàn)；高溫段為60 ℃、低溫段為-25 ℃，高溫段、低溫段各進(jìn)行6 h 的帶電狀態(tài)下的循環(huán)試驗(yàn)，循環(huán)次數(shù)達(dá)到18.5 次。

對經(jīng)歷力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)、熱環(huán)境試驗(yàn)考核的流量控制器的測試表明，加熱器、流阻器均能正常工作，其氣密性優(yōu)于1×10-6Pa·m3/s，各項(xiàng)性能均滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

2.2 流率控制性能的驗(yàn)證

在完成試驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，需對流量控制器微小流率精確控制性能進(jìn)行驗(yàn)證。圖3所示為流量控制器推進(jìn)劑流率測試系統(tǒng)的測試原理框圖。

圖3 流量控制器推進(jìn)劑流率測試系統(tǒng)測試原理 Fig.3 Principle of the propellant flow testing system

采用如圖3所示的測試系統(tǒng)對流量控制器的推進(jìn)劑微小流率進(jìn)行測試。結(jié)合10 cm 霍爾推力器推進(jìn)劑微小流率的設(shè)計(jì)要求，在驗(yàn)證測試中將流量控制器的入口壓力控制在(0.35±2%)MPa 的范圍內(nèi)，其出口與真空室相連接，并確保壓力控制在10 Pa 以下，利用測試系統(tǒng)的PID 調(diào)節(jié)方式控制加熱器。以陰極流量控制器為例，圖4所示為結(jié)構(gòu)性能試驗(yàn)前后陰極流量控制器推進(jìn)劑流率變化曲線。

如圖4所示，在設(shè)計(jì)加熱溫度點(diǎn)85 ℃附近，結(jié)構(gòu)性能驗(yàn)證后的流量控制器的推進(jìn)劑流率由性能驗(yàn)證前的0.302 mg/s 變?yōu)?.301 mg/s，考慮系統(tǒng)測試誤差等因素，流率性能基本保持穩(wěn)定。同時，根據(jù)該曲線可以發(fā)現(xiàn)，陰極的流量控制器能夠在50～90 ℃較寬溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)不同流率的實(shí)時調(diào)節(jié)。

圖4 結(jié)構(gòu)性能驗(yàn)證前后陰極流量控制器推進(jìn)劑流率 測試曲線 Fig.4 The propellant flow of the cathode flow controller before and after the structural performance validation test

3 結(jié)束語

采用粉末冶金多孔金屬塞片作為節(jié)流元件研制了流量控制器，并進(jìn)行了力學(xué)環(huán)境和熱環(huán)境試驗(yàn)，同時對結(jié)構(gòu)性能驗(yàn)證試驗(yàn)前后的流量控制器進(jìn)行了流率測試。測試結(jié)果表明，試驗(yàn)前后推進(jìn)劑流率保持穩(wěn)定，與設(shè)計(jì)要求符合性較好。該流量控制器可在較寬的溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)不同流率的實(shí)時調(diào)節(jié)，從而可滿足推力器在軌期間不同工作狀態(tài)的流率需求，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和調(diào)節(jié)性。目前，基于該控制原理的流量控制器已應(yīng)用到某衛(wèi)星工程項(xiàng)目的10 cm 霍爾推力器中，并順利完成地面測試、試驗(yàn)，即將開展在軌飛行驗(yàn)證。

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