CN106837605A - 一种过氧化氢推进器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种过氧化氢推进器，包括：温度采集单元；控制单元，与所述温度采集单元连接，所述控制单元用于接收所述温度信息，并发送加热信号和供应信号；温度加热单元，与所述控制单元和推力室连接；推进剂供应单元，与所述控制单元连接，向推力室供应推进剂，所述推进剂为液态过氧化氢；以及所述推力室，用于容纳所述推进剂进行分解反应以提供推力。本过氧化氢推进器分为五部分，结构简明，各单元任务清晰，稳定高效，并且任务层次分明，便于系统维护。

Description

一种过氧化氢推进器

技术领域

本发明涉及飞行器推进系统技术领域，更具体地，涉及过氧化氢推进器。

背景技术

微型推进器大致可以分为微型冷气推进器，微型电推进器，微型化学推进器。其中冷气推进器的比冲值和能量密度较低，电推进器通常需要超高电压源和复杂绝缘设备，而化学推进器具有高比冲、能量密度高、很少地消耗外部能源等优点，是较为理想的推进器类型。

目前化学推进器可以使用液体和固体推进器作为推进剂，过氧化氢作为一种对环境冲击小，低毒性的绿色液体推进燃料，成为了单一组分推进系统的研究热点。高浓度过氧化氢分解反应会生成氧气和水，同时释放出大量的分解热。利用这种性质，选用高浓度过氧化氢作为推进器的燃料可在燃烧室内形成高温高压气体从尾喷管喷出形成推力。

但过氧化氢微型推进器的动态特性问题一直较难解决，主要表现在系统稳定性、燃烧稳定性问题以及快速启动几个方面。为此，有必要开发一种拥有较高稳定性的，可以快速启动，适用范围广的，价格适中的过氧化氢微型推进器。

发明内容

本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的过氧化氢推进器。

根据本发明的一个方面，提供一种过氧化氢推进器，包括：

温度采集单元，用于采集并发送推力室中的温度信息；

控制单元，与所述温度采集单元连接，所述控制单元用于接收所述温度信息，并发送加热信号和供应信号；

温度加热单元，与所述控制单元和推力室连接，所述温度加热单元用于接收所述加热信号，并对推力室进行加热至指定温度；

推进剂供应单元，与所述控制单元连接，用于接收所述供应信号，向推力室供应推进剂，所述推进剂为液态过氧化氢；以及

所述推力室，与所述控制单元和推进剂供应单元连接，所述推力室用于容纳所述推进剂进行分解反应以提供推力。

本申请提出一种成本适中，具有良好稳定性、快速性且便于控制的过氧化氢推进器，采用STM32作为控制单元，分别设计各单元的功能，采用合理的加热与控制策略完成了温度加热、温度采集、推进剂供应控制任务，自主设计了温度加热单元，可以实现快速预热，温度稳定保持。自主设计了微推进器推力室单元，使得过氧化氢能在推力室内迅速分解放热提供稳定推力。本过氧化氢推进器分为五部分，结构简明，各单元任务清晰，稳定高效，并且任务层次分明，便于系统维护。

附图说明

图1为根据本发明实施例的过氧化氢推进器的结构框图；

图2为根据本发明实施例的推进剂供应单元的结构示意图；

图3为根据本发明实施例的推力室的结构示意图；

图4为根据本发明实施例的分流盘的结构示意图；

图5为根据本发明实施例的燃烧室与喷管的剖面图示意图；

图6为根据本发明实施例的过氧化氢推进器的工作流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

为了克服现有技术中，推进器的燃烧稳定性、各部分工作配合不协调的问题，本发明提供了一种结构简明、各单元任务清晰，同时稳定高效的过氧化氢推进剂。

图1示出了本发明实施例的过氧化氢推进器的结构框图。如图1可知，包括：

温度采集单元，用于采集并发送推力室中的温度信息；

控制单元，通过SPI通信协议与所述温度采集单元连接，所述控制单元用于接收所述温度信息，并发送加热信号和供应信号；SPI是串行外设接口(Serial PeripheralInterface)的缩写。SPI，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间。

温度加热单元，与所述控制单元通过PWM信号连接，所述温度加热单元用于接收所述加热信号，并对推力室进行加热至指定温度；PWM就是脉冲宽度调制的英文缩写，方波高电平时间跟周期的比例叫占空比，例如1秒高电平1秒低电平的PWM波占空比是50％。

推进剂供应单元，与所述控制单元通过I/O接口连接，用于接收所述供应信号，向推力室供应推进剂，所述推进剂为液态过氧化氢；I/O接口的作用主机与外界交换信息称为输入/输出(I/O)。主机与外界的信息交换是通过输入/输出设备进行的。通常把介于主机和外设之间的一种缓冲电路称为I/O接口电路，简称I/O接口(Input/Output Interface)。以及

所述推力室，与所述控制单元和推进剂供应单元连接，所述推力室用于容纳所述推进剂进行分解反应以提供推力。

本发明采用分块设计，控制逻辑清晰，相互干扰小，保证了控制的稳定性。

在一个实施例中，所述温度采集单元包括：

电热偶，一端与所述推力室连接，用于获得推力室的温度信息的电信号；以及

数字转换器，与所述电热偶的另一端连接，用于将温度信息的电信号转换为数字信号并发送至控制单元。

数字转换器MAX6675是带冷端补偿的K型热电偶转换器，采用SO-8封装，精度为12位，分辨率为0.25℃，测量最高温度1023.75℃。

在一个实施例中，所述控制单元为STM32芯片。

在一个实施例中，温度加热单元主要由光电耦合器和IGBT组成。光电耦合器(optical coupler，英文缩写为OC)亦称光电隔离器，以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor)，即绝缘栅双极型晶体管，IGBT模块具有节能、安装维修方便、散热稳定等特点，IGBT是能源变换与传输的核心器件。

通过光电耦合器将控制单元的低电压与温度加热单元的高电压隔离，保证系统安全性与稳定性。

在一个实施例中，温度加热单元采用直流电压加热电热丝的方式。电热丝多圈缠绕附着在燃烧室外，并且外层涂有保温涂料。这样既可以加快加热速度，又尽可能地减少了热损失，可以加快系统的启动时间并节约能源。

在一个实施例中，温度加热单元的加热策略是，当测量温度低于目标温度10℃时，加热信号PWM波低电平占空比为0，此时加热丝始终处于高电压加热状态以使得温度迅速升高；当测量温度高于目标温度10℃时，加热信号PWM波低电平占空比为1，此时加热丝无电流通过停止加热；当测量温度与目标温度处于正负10℃范围内时采用精确调整参数后的PID算法控制PWM波电平占空比以使得实际温度尽快达到并保持在目标温度。本发明设计的温度加热单元可保证系统预热时间在30s内。

图2示出了推进剂供应单元的结构示意图，如图可知，包括：

氮气瓶，用于输出氮气，以提供压力；以及

推进剂存储罐，与所述氮气瓶连接，所述推进剂存储罐具有容纳推进剂的容纳空间，并基于压力排出推进剂至所述推力室。

电磁阀，设置在所述推荐存储罐与所述推力室之间，所述电磁阀用于控制推进剂的流量。

单向阀，设置在所述电磁阀和所述推力室之间，所述单向阀用于组织推进剂回流。

推进剂供应单元中各组件之间通过耐压软管进行连接，耐压软管的承受压力在0.5-4MPa，内径在6-200mm。两个阀体的密封垫圈使用氟系橡胶。

推力室是过氧化氢分解反应并提供推力的场所，是推进器系统的重要核心。图3示出了推力室的结构示意图，推力室包括：

燃烧室3，过氧化氢分解反应的主要场所，要综合考虑燃料注入流量，触媒床体积等因素设计反应空间，本发明设计燃烧室为圆筒形，所述燃烧室的一端通过管路1和紧固件2与所述推进剂存储罐连接，另一端设置喷管。

在一个实施例中，燃烧室的内径为16mm，外径20mm，内空间长24mm。经反复试验，该条件下，推进器可稳定输出100mN级的推力。

燃烧室和喷管在推进器系统工作的时候，要耐受较高的温度以及压强，为了保证设备的安全和有效工作，同时考虑微型推进器的尺寸空间，将燃烧室和喷管一体化设计。

圆形的分流盘4，同轴设置在所述燃烧室3的一端且外径与所述燃烧室3的内径一致。

图4示出了分流盘的结构示意图，如图4可知，分流盘4的中心设置第一喷孔，所述第一喷孔的外侧环向均匀设置一定数量个第二喷孔。这样设计可以使得过氧化氢燃料通过分流盘均匀而稳定注入燃烧室触媒床进行反应，增加推力输出的稳定性。

触媒床5，覆盖在所述燃烧室内，所述触媒床由一定数量的纯银网叠加而成，所述纯银网的银丝线径为0.5mm。考虑到燃烧室空间尺寸，以及过氧化氢燃料流动摩擦力和堵塞几率，设计采用银网触媒床的层数为45层，该层数下，燃料与触媒床可以充分接触反应，所取得的催化效果最好。

在一个实施例中，所述液态过氧化氢的浓度为92％，进入推力室的流量为0.2g/s。

由于电路干扰和电源波动等因素影响，MAX6675单次采样是有误差的，因此本发明中控制单元还用于对接收的多个连续的温度信息，基于滑动滤波法，获得平均温度信息，并基于所述平均温度信息发送加热信号和供应信号，以尽可能实现真实，准确反馈。

推进器的一个很重要的性能表现就是启动延迟时间，也就是阀开启后，到过氧化氢分解达到稳定输出压力所花费的时间。由于常温下过氧化氢溶液的分解反应非常的缓慢，所以要使得推进器快速启动要加入预热系统。目前的研究成果表明在室温下启动时，一般的启动延迟时间14秒，不能满足快速启停的要求。

若用加热丝加热燃烧室预先达到一定温度，则阀开启后过氧化氢可快速分解，温度越高反应越快。

在一个实施例中，所述指定温度为423K。刚好达到过氧化氢的沸点。若温度过高会使过氧化氢燃料在进入燃烧室前提前气化分解，会降低系统效率以及稳定性。经测试燃烧室预热温度到423K左右足以把启动延迟时间减少至0.1s左右。

喷管的作用是将喷出气体加速减压，当减压到与外界气压相等时候达到完全膨胀。考虑到加工工艺等因素，采用综合性能较优的圆角型微型喷管。另外，适当的扩张比(出口面积与喉口面积之比)能够减小粘性损失，从而有效的提高微喷管的性能。本设计中采用的扩张比为4:1。另外，半扩张角为22°。扩张段的形状一般有锥形，钟形等，经试验证明，锥形喷管的效率比较高。燃烧室与喷管一体化剖面图如图5所示，图中6表示燃烧室，7表述喷管，喷管为锥形，扩张比为4:1，半扩张角为22°。

图6示出了本发明实施例的过氧化氢推进器的工作流程示意图，如图可知，推进器开始工作后首先进入预热状态，控制单元通过PWM信号控制温度加热单元使推力室温度达到要求温度并进入温度保持状态。在推力室达到要求温度后，控制单元通过控制电磁阀通断来控制过氧化氢燃料是否进入推力室来实现推力输出的启停。在整个过程中控制器可实时测量监控推力室温度。

本发明控制单元根据功能分模块设计开发，各部分之间干扰较小；温度加热单元采用强弱电隔离设计保证系统稳定安全，采用合理加热策略，并将电加热丝多层缠绕后外加保温涂料极大提高了启动预热时间且节约了能源；温度采集单元采用滑动滤波处理得到精确反馈信号；为达到稳定输出100mN级的推力，经反复试验最终设计了推力室各组成部分尺寸及触媒床层数。经实际测试，采用过氧化氢浓度为92％，进入燃烧室的流量为0.2g/s。系统预热时间约为20s，电磁阀在开启后40ms内，系统即可稳定输出推力，平均大小约为200mN。符合推力输出要求。

最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种过氧化氢推进器，其特征在于，包括：

温度采集单元，用于采集并发送推力室中的温度信息；

控制单元，用于接收所述温度信息，并发送加热信号和供应信号；

温度加热单元，用于接收所述加热信号，并对推力室进行加热至指定温度；

推进剂供应单元，用于接收所述供应信号，向推力室供应推进剂，所述推进剂为液态过氧化氢；以及

所述推力室，与所述控制单元和推进剂供应单元连接，所述推力室用于容纳所述推进剂进行分解反应以提供推力。

2.如权利要求1所述的过氧化氢推进器，其特征在于，所述温度采集单元包括：

电热偶，一端与所述推力室连接，用于获得推力室的温度信息的电信号；以及

数字转换器，与所述电热偶的另一端连接，用于将温度信息的电信号转换为数字信号并发送至控制单元。

3.如权利要求1所述的过氧化氢推进器，其特征在于，所述推进剂供应单元包括：

氮气瓶，用于输出氮气，以提供压力；以及

推进剂存储罐，与所述氮气瓶连接，所述推进剂存储罐具有容纳推进剂的容纳空间，并基于压力排出推进剂至所述推力室。

4.如权利要求1所述的过氧化氢推进器，其特征在于，所述推力室包括：

燃烧室，为圆筒形，所述燃烧室的一端与所述推进剂存储罐连接，另一端设置一体成型的喷管；

分流盘，所述分流盘为圆形，同轴设置在所述燃烧室的一端且外径与所述燃烧室的内径一致，所述分流盘的中心设置第一喷孔，所述第一喷孔的外侧环向均匀设置一定数量个第二喷孔；以及

触媒床，覆盖在所述燃烧室内，所述触媒床由一定数量的纯银网叠加而成，所述纯银网的银丝线径为0.5mm。

5.如权利要求1所述的过氧化氢推进器，其特征在于，所述液态过氧化氢的浓度为92％，进入推力室的流量为0.2g/s。

6.如权利要求1所述的过氧化氢推进器，其特征在于，所述控制单元还用于对接收的多个连续的温度信息，基于滑动滤波法，获得平均温度信息，并基于所述平均温度信息发送加热信号和供应信号。

7.如权利要求1所述的过氧化氢推进器，其特征在于，所述指定温度为423K。

8.如权利要求3所述的过氧化氢推进器，其特征在于，所述推进剂供应单元还包括：

电磁阀，设置在所述推荐存储罐与所述推力室之间，所述电磁阀用于控制推进剂的流量；以及

单向阀，设置在所述电磁阀和所述推力室之间，所述单向阀用于组织推进剂回流。

9.如权利要求4所述的过氧化氢推进器，其特征在于，所述喷管为锥形，扩张比为4:1，半扩张角为22°。