CN111114835B - 一种用于电推进的液体推进剂供给组件及电推进系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种用于电推进的液体推进剂供给组件及电推进系统。该用于电推进的液体推进剂供给组件包括：管路以及依次设置在所述管路上且由所述管路导通的加热装置、多孔材料件、防水透气膜和减压阀。本发明还提供了包括上述用于电推进的液体推进剂供给组件的电推进系统。本申请解决了空间电推进中氙气作为推进剂成本高、无法长期大量应用、以及而飞行器自身携带的空间废液、废水及原位资源可用的液体不能得以利用的问题。实现了液体推进剂的微流量供给，具有效率高、灵活度高、适用范围宽和长寿命的特点。

Description

一种用于电推进的液体推进剂供给组件及电推进系统

技术领域

本申请涉及航天空间电推进领域，具体而言，涉及一种用于电推进的液体推进剂供给组件及电推进系统。

背景技术

电推进系统，也称电火箭发动机，是一种不依赖化学燃烧就能产生推力的设备。传统的化学推进系统是通过化学反应将化学能转化为机械能，而电推进系统则是利用太阳能转化为电能，然后将电能转化为机械能，它的优点是不再需要使用固体或液体燃料，省去了复杂的储罐、管道、发动机燃烧室、喷管、相应冷却机构等，能大幅减少航天器的燃料携带量。电推进系统一般分为三个部分：电源处理单元、推进剂工质贮存与供应单元、推力器。推进剂是电推进中的工质，目前应用最广泛的推进剂是惰性气体氙(Xe)，在15兆帕压力下，把氙气液化高密度存储，在空间减压气化，实现氙气的供给。

氙气虽然是电推进的最佳选择，但受制于价格、推进剂发射成本和地面发射能力的限制，难以实现长期大量的应用。而飞行器自身携带的空间废液、废水及原位资源可用的液体，均可考虑作为空间电推进的推进剂，液体推进剂为电推进提供了一种可行的技术途径，同时也可极大降低成本。但是，液体推进剂必须转化为气体工质才能用于放电运行，因此必须解决空间电推进液体推进剂供给的问题。

此外，开展深空探测、超深空探测、深空货运及原位资源利用等重大空间任务也需要超大推力和长寿命电推进的动力支持，而长寿命、高效率、宽适用范围的液体推进剂供给组件是提升电推进性能不可或缺的关键组件，目前急需设计这种组件。

发明内容

本申请的主要目的在于提供一种用于电推进的液体推进剂供给组件及电推进系统，以解决空间电推进中氙气作为推进剂成本高、无法长期大量应用、以及而飞行器自身携带的空间废液、废水及原位资源可用的液体不能得以利用的问题。

为了实现上述目的，根据本申请的一个方面，提供了一种用于电推进的液体推进剂供给组件，包括：管路以及依次设置在所述管路上且由所述管路导通的加热装置、多孔材料件、防水透气膜和减压阀。

进一步地，所述加热装置包括壳体以及设置在所述壳体内的电热管和螺旋管，所述螺旋管螺旋盘绕于所述电热管的外表面，所述螺旋管与所述管路连通。

进一步地，所述多孔材料件采用钛基多孔材料柱。

进一步地，所述防水透气膜采用聚四氟乙烯薄膜。

进一步地，所述防水透气膜由一组环形垫片固定且设置于所述管路中。

进一步地，所述的用于电推进的液体推进剂供给组件还包括：设置在所述管路上的液体过滤器，所述液体过滤器位于所述加热装置远离所述多孔材料件的一端。

进一步地，所述的用于电推进的液体推进剂供给组件还包括：设置在所述管路上的气体流量控制器，所述气体流量控制器位于所述减压阀远离所述防水透气膜的一端。

进一步地，所述的用于电推进的液体推进剂供给组件还包括：设置在所述管路上的第一管路清洗控制阀和第二管路清洗控制阀，所述第一管路清洗控制阀位于所述加热装置远离所述多孔材料件的一端，所述第二管路清洗控制阀位于所述防水透气膜和所述减压阀之间。

为了实现上述目的，根据本申请的一个方面，提供了一种电推进系统，包括上述的用于电推进的液体推进剂供给组件。

本发明技术方案，具有以下优点：

本发明提供的用于电推进的液体推进剂供给组件，包括：管路以及依次设置在所述管路上且由所述管路导通的加热装置、多孔材料件、防水透气膜和减压阀，液体推进剂由管路进入加热装置，由加热装置加热气化，多孔材料件基于其内部的孔状结构实现吸液驱气的作用，能够吸附大部分未被气化的液体，增大了热交换，提升了气化效率，保证了液体气化的连续和稳定性，并且能够防止气体反流，提高推进剂利用率，防水透气膜起到阻液透气的作用，使气化产生的气体透过并阻断液体通过，使气体进入减压阀进行减压后经管路排出供给推力器，其中，液体推进剂可以使用飞行器自身携带的空间废液、废水及原位资源可用的液体，实现了液体推进剂的微流量供给，具有效率高、灵活度高、适用范围宽和长寿命的特点。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是本发明实施例提供的一种用于电推进的液体推进剂供给组件的结构示意图；

图2是本发明实施例中提供的一种加热装置的结构示意图。

附图标记：

1-管路；2-加热装置；21-壳体；22-电热管；231-液体进口；232-液体出口；24-温度计；3-多孔材料件；4-防水透气膜；5-减压阀；6-液体过滤器；7-气体流量控制器；8-第一管路清洗控制阀；9-第二管路清洗控制阀。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。

此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”、“套接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

如图1所示，本申请涉及一种用于电推进的液体推进剂供给组件，包括：管路1以及依次设置在管路1上且由管路1导通的加热装置2、多孔材料件3、防水透气膜4和减压阀5。

该用于电推进的液体推进剂供给组件的工作原理如下：液体推进剂由管路1进入加热装置2，由加热装置2加热气化，多孔材料件3基于其内部的孔状结构实现吸液驱气的作用，能够吸附大部分未被气化的液体，增大了热交换，提升了气化效率，保证了液体气化的连续和稳定性，并且能够防止气体反流，提高推进剂利用率，防水透气膜4起到阻液透气的作用，使气化产生的气体透过并阻断液体通过，使气体进入减压阀5进行减压后经管路1排出供给推力器。

其中，液体推进剂可以使用飞行器自身携带的空间废液、废水及原位资源可用的液体，实现了液体推进剂的微流量供给，具有效率高、灵活度高、适用范围宽和长寿命的特点。

上述加热装置2为具有加热液体推进剂并使其气化产生气体的装置，可以采用现有技术中的加热装置，如由壳体以及设置在壳体内的电热管组成，电热管可以将电能转化为热能，液体走壳程，通过电热管实现壳体内液体推进剂的加热气化，或者由壳体以及壳体内的管路组成，液体走管程，壳体内具有加热介质，可以将管路内的液体推进剂加热气化。凡是使用能够实现上述功能的装置均在本申请请求保护的范围内，作为本申请实施例的优选，如图2所示，提供了一种高效的液体加热装置，该加热装置2包括壳体21以及设置在壳体21内的电热管22和螺旋管，螺旋管螺旋盘绕于电热管22的外表面，螺旋管的两端分别为液体进口231和液体出口232，液体进口231和液体出口232均与管路1连通。其中，壳体21的内侧表面为碳化硅材料层，隔热效果好，能够减少热量散失；电热管的管体材质为纯铝，能够快速将电能转化为的热能传导至螺旋管；螺旋管呈螺旋形，螺旋形结构延长了管路的长度和受热面积，使电热管22与螺旋管内的液体推进剂充分接触，受热均匀，能量耗散小，极大提升了加热效率。还包括温度计24，用于测量加热装置内的温度。

上述多孔材料件3为具有吸液驱气功能的部件，其多孔材料的材质可以选用青铜、不锈钢、镍或钛，优选钛基多孔材料，具有较好的力学性能、抗腐蚀性和透气度。孔径采用粗孔(＞50nm)，高孔隙度(＞60％)，长度0.9～1.1mm，上述多孔材料件3可以为与管路1口径相适应的多孔材料柱，卡合在管路内，或通过其他管状接头接入管路1中，凡是能将其设置在管路中的连接方式均在本申请请求保护的范围内。多孔材料件3在该组件中的作用如下：多孔材料阻流，防止液体流入后续部件中；隔热作用，避免加热装置2的热量在管路1中的损失，提高加热效率；吸附液体增大了热交换，提升了气化效率，有助于保持液体气化的连续和稳定性；单向导通性，防止气体反流，提高推进剂利用率。

上述防水透气膜4为具有阻水透气功能的部件，例如其材质可以为聚四氟乙烯(PTFE)薄膜材料，凡是使用具有阻水透气功能的薄膜组件均在本申请请求保护的范围内。通过防水透气膜4将液体阻断，将气体透过流入后续部件中。作为上述防水透气膜4的一种连接方式，其可以由一组环形垫片固定压紧，由管状接头接入管路1中或直接焊接到管路1中，环形垫片的材质可以选用钛片。

减压阀5为对液体推进剂气化产生的气体进行减压的部件，减压后将气体进行稳定供给。

作为本实施例的进一步改进，该用于电推进的液体推进剂供给组件还包括：设置在管路1上的液体过滤器6，液体过滤器6位于加热装置2远离多孔材料件3的一端。

液体推进剂在进行加热前通过液体过滤器6滤除大颗粒杂质，避免对后续管路和部件/装置造成损害，降低整体组件的维护成本，提高液体推进剂的供给效率。优选的，液体过滤器6采用不锈钢材质。

作为本实施例的进一步改进，该用于电推进的液体推进剂供给组件还包括：设置在管路1上的气体流量控制器7，气体流量控制器7位于减压阀5远离防水透气膜4的一端。

气体流量控制器7用于控制气体的供给量，减压后的气体经气体流量控制器7提供给推进器。

作为本实施例的进一步改进，该用于电推进的液体推进剂供给组件还包括：设置在管路1上的第一管路清洗控制阀8和第二管路清洗控制阀9，第一管路清洗控制阀8位于加热装置2远离多孔材料件3的一端，第二管路清洗控制阀9位于防水透气膜4和减压阀5之间。更有选地，第一管路清洗控制阀8位于液体过滤器6的前端。第一管路清洗控制阀8和第二管路清洗控制阀9用于管路清理，可反向清洗液体过滤器6和多孔材料件3，防止堵塞，增长了使用寿命。第一管路清洗控制阀8和第二管路清洗控制阀9的工作原理如下：关闭所有管路阀门，首先打开第二管路清洗控制阀9，将雾化的酸性气雾通入管路；然后打开第一管路清洗控制阀8，将清洗的气雾排出，从而达到清洗目的，保持管路流通性。

如图1所示的用于电推进的液体推进剂供给组件的工作原理如下：

液体推进剂由管路1进入液体过滤器6滤除大颗粒杂质后流入加热装置2，由加热装置2加热气化，多孔材料件3基于其内部的孔状结构实现吸液驱气的作用，能够吸附大部分未被气化的液体，增大了热交换，提升了气化效率，保证了液体气化的连续和稳定性，并且能够防止气体反流，提高推进剂利用率，防水透气膜4起到阻液透气的作用，使气化产生的气体透过并阻断液体通过，使气体进入减压阀5进行减压后进入气体流量控制器7，经气体流量控制器7以设定流量提供给推进器。停机后可以利用第一管路清洗控制阀8和第二管路清洗控制阀9清理管路，反向清洗液体过滤器6和多孔材料件3。

本申请还提供一种电推进系统，包括上述的用于电推进的液体推进剂供给组件，还包括推力器，推力器与气体流量控制器7后端的管路连接。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种用于电推进的液体推进剂供给组件，其特征在于，包括：管路以及依次设置在所述管路上且由所述管路导通的加热装置、多孔材料件、防水透气膜和减压阀，所述加热装置包括壳体以及设置在所述壳体内的电热管和螺旋管，所述螺旋管螺旋盘绕于所述电热管的外表面，所述螺旋管与所述管路连通；所述多孔材料件为具有吸液驱气功能的部件，所述多孔材料件采用钛基多孔材料柱；所述防水透气膜采用聚四氟乙烯薄膜，所述防水透气膜由一组环形垫片固定且设置于所述管路中，

还包括：设置在所述管路上的液体过滤器，所述液体过滤器位于所述加热装置远离所述多孔材料件的一端；

还包括：设置在所述管路上的气体流量控制器，所述气体流量控制器位于所述减压阀远离所述防水透气膜的一端；

还包括：设置在所述管路上的第一管路清洗控制阀和第二管路清洗控制阀，所述第一管路清洗控制阀位于所述加热装置远离所述多孔材料件的一端，所述第二管路清洗控制阀位于所述防水透气膜和所述减压阀之间。

2.一种电推进系统，其特征在于，包括权利要求1所述的用于电推进的液体推进剂供给组件。

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