[发明专利]一种用于卫星电推进系统的热增压氙气加注系统

说明书

技术领域

本发明涉及卫星电推进系统热增压氙气加注系统，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系统、压缩机机械压缩加注系统和本发明设计的热增压加注系统来实现。其中落压填充加注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；压缩机机械压缩加注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；而热增压氙气加注系统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系统的研究和调研，并最终完成了该加注系统的设计工作。

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，本发明明确了加注试验系统的整体方案和功能。并运用该方法，完成了高纯氙气加注的验证试验，证明了该加注系统合理可行。

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“Patrick BRAVAIS,Roland SALOME,Cécile GELAS.IMPROVED XENON LOADING EQUIPMENT WITH LOADING CAPACITY UP TO1200KG FOR 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 Jenq Wu.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，均未提及试验系统组成、试验系统的设计以及试验验证方法。所以对高纯氙气的加注技术研究需要自行搭建试验系统，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。