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        電位主動(dòng)控制試驗(yàn)裝置供給單元的研制

        2021-03-15 10:03:32范旭豐官長斌李恒建劉慶海孫立志
        航天器環(huán)境工程 2021年1期

        范旭豐,官長斌,張 良,李恒建,劉慶海,孫立志

        (1.北京控制工程研究所;2.北京市高效能及綠色宇航推進(jìn)工程技術(shù)研究中心;3.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所:北京100094)

        0 引言

        低地球軌道空間充斥著低溫等離子體,其溫度為2000~3000 K,密度為10~10m,航天器與空間等離子體相互作用,兩者間可產(chǎn)生高達(dá)幾百伏的電勢差,給航天員出艙和載人飛船對接等空間作業(yè)帶來安全隱患,而表面涂敷、分區(qū)接地等被動(dòng)電位控制方法無法防護(hù)高電勢差帶來的安全隱患。因此,航天器表面電位主動(dòng)控制技術(shù)對保障航天器安全具有重要意義,國際空間站和俄羅斯“和平號”空間站都成功應(yīng)用了主動(dòng)電位控制技術(shù)。

        我國貨運(yùn)飛船搭載了新型電位主動(dòng)控制試驗(yàn)裝置。該裝置采用螺旋波電離的方式實(shí)現(xiàn)氣體電離,具有電離率高、結(jié)構(gòu)簡單可靠、適用于多種氣體的特點(diǎn)。氬氣作為最易于獲得并可安全長期儲存的惰性氣體,被選作電離工質(zhì)。

        供給單元是該電位主動(dòng)控制試驗(yàn)裝置必不可少的組成部分,其與電推進(jìn)儲供單元類似,需要實(shí)現(xiàn)惰性氣體的長期儲存和微流量輸出,但供氣組件體積更小、結(jié)構(gòu)更為緊湊、重量更輕、集成度更高,同時(shí)對泄漏率的要求也更為苛刻。

        本文將對新型電位主動(dòng)控制試驗(yàn)裝置供給單元的任務(wù)需求、原理方案及試驗(yàn)驗(yàn)證情況進(jìn)行介紹。

        1 需求概述

        貨運(yùn)飛船搭載任務(wù)要求新型電位主動(dòng)控制試驗(yàn)裝置位于航天器艙壁外,試驗(yàn)裝置外有金屬殼保護(hù),金屬殼與航天器外壁電位保持一致。供給單元位于試驗(yàn)裝置內(nèi)。

        供給單元需求包括:尺寸為250 mm×172 mm×100 mm;環(huán)境溫度范圍為-20~50℃;輸出氬氣流量指標(biāo)范圍為5~50 sccm(25 ℃±5 ℃);漏率(內(nèi)、外漏疊加的綜合漏率)≤1×10Pa·L·s;在軌儲存6個(gè)月后有效工作時(shí)間≥180 s。

        供給單元研制的主要技術(shù)難點(diǎn)包括:1)攜帶氬氣工質(zhì)有限且工作溫度范圍寬,漏率指標(biāo)要求高(通常推進(jìn)系統(tǒng)單機(jī)內(nèi)漏率約為1×10Pa·L·s,而供給單元內(nèi)、外漏率疊加要求≤1×10Pa·L·s,高出傳統(tǒng)推進(jìn)產(chǎn)品漏率指標(biāo)2個(gè)量級);2)結(jié)構(gòu)緊湊,集成度高;3)微流量輸出。

        2 原理及方案介紹

        2.1 工作原理

        供給單元采用落壓方式工作。氬氣在供給單元中需要經(jīng)過電磁閥1(等效流通面積為A)、電磁閥2(等效流通面積為A)和流量控制器(等效流通面積為A),然后進(jìn)入真空環(huán)境(放電裝置),如圖1所示。通過迷宮型流量控制器的節(jié)流作用,可以實(shí)現(xiàn)微流量輸出,且輸出流量與流量控制器上游壓力相關(guān)。選用電磁閥1和電磁閥2串聯(lián),一方面可以通過Bang-Bang 控制調(diào)節(jié)流量控制器上游壓力;另一方面有利于保證供給單元具有較低的漏率。

        圖1 供給單元?dú)饴吩鞦ig.1 Gas path of the supply unit

        若假設(shè)圖1中A為單位流通面積,則由產(chǎn)品參數(shù)計(jì)算得出2個(gè)電磁閥的等效流通面積A=A=25A;流量控制器為迷宮孔板節(jié)流裝置,其等效流通面積A相當(dāng)于160個(gè)A串聯(lián)。即流量控制器的通流能力遠(yuǎn)小于電磁閥。因而,可以忽略電磁閥,僅考慮流量控制器的節(jié)流作用。流量控制器的上游壓力P等效于氣瓶壓力P,即P=P;在一定溫度范圍內(nèi),流量控制器的輸出流量隨上游壓力而改變。因此,在給定溫度下,供給單元的輸出流量僅取決于氣瓶壓力。

        在供給單元工作過程中,僅電磁閥內(nèi)有活動(dòng)部件。當(dāng)電磁閥打開時(shí),氣瓶中的氬氣流經(jīng)電磁閥1、電磁閥2和流量控制器輸出給放電裝置。通過控制電磁閥1和電磁閥2的動(dòng)作時(shí)序,可以調(diào)節(jié)流量控制器上游的工作壓力,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)輸出流量的調(diào)節(jié)。

        2.2 結(jié)構(gòu)方案選擇

        供給單元采用落壓工作方式,所需單機(jī)種類和數(shù)量最少,可較好地滿足結(jié)構(gòu)緊湊、集成度高的任務(wù)需求。除氣瓶根據(jù)空間約束重新研制外,其余單機(jī)產(chǎn)品均選擇同類中成熟度高、體積小、重量輕的產(chǎn)品。供給單元結(jié)構(gòu)如圖2所示,集成了氣瓶、壓力傳感器、加排閥、電磁閥和流量控制器等產(chǎn)品。

        圖2 供給單元三維結(jié)構(gòu)Fig.2 Three dimensional structure of the supply unit

        各單機(jī)產(chǎn)品的作用如下:

        1)氣瓶:儲存氣體介質(zhì),在外漏率檢測環(huán)節(jié)儲存氦氣作為檢漏工質(zhì),其余時(shí)間均儲存氬氣作為電位控制工質(zhì)。供給單元交付前,將氬氣瓶充入規(guī)定壓力的氬氣。因流量控制器最高工作壓力不能超過1 MPa,所以氣瓶按照1 MPa 最大工作壓力設(shè)計(jì)。

        2)壓力傳感器:監(jiān)測氣瓶壓力,將氣瓶壓力轉(zhuǎn)化為電信號反饋給控制系統(tǒng)。

        3)加排閥:氣體介質(zhì)的加注與排放。

        4)電磁閥:控制氣體介質(zhì)的流動(dòng)。電磁閥為常閉狀態(tài),僅當(dāng)通電時(shí)處于打開狀態(tài)。電磁閥的密封副采用金屬對非金屬的軟密封結(jié)構(gòu),為保證密封可靠,采用2個(gè)電磁閥串聯(lián)的方式保證供給單元在空間儲存過程中的外漏率指標(biāo)滿足技術(shù)要求。

        5)流量控制器:實(shí)現(xiàn)氬氣微流量輸出。

        2.3 供給單元連接方式的確定

        供給單元環(huán)境溫度范圍為-20~50℃,氣瓶的容積僅為0.75 L。為了保證在軌儲存6個(gè)月后,仍可以滿足任務(wù)要求的工作時(shí)間,供給單元必須具備良好的外漏率特性。在產(chǎn)品連接時(shí)采用了成熟可靠的焊接和球頭-錐面硬密封結(jié)構(gòu)。

        除壓力傳感器外,所有單機(jī)產(chǎn)品均與管路通過氬弧焊焊接在一起,如圖3所示。對焊的管A 和管B分別有L的長度被管焊鉗包住。根據(jù)所選管焊鉗的規(guī)格,L=12.5 mm。

        圖3 管路焊接示意Fig.3 Schematic diagram of pipelinewelding

        以圖4所示兩通為例,為滿足管焊鉗的最小夾持要求,直角通最小尺寸為22.5 mm×22.5 mm,由于彎管結(jié)構(gòu)最小彎曲半徑至少為管徑的4倍,所以采用彎管的最小尺寸為36.5 mm×36.5 mm,直角通尺寸顯著小于彎管的尺寸。在供給單元布局時(shí)采用直角通可以使結(jié)構(gòu)更加緊湊,能更好地滿足空間約束要求。

        圖4 適應(yīng)管焊鉗的直角通與彎管最小尺寸比較Fig.4 Comparison of the minimum size between the rightangle connector and the elbow tube

        3 試驗(yàn)和計(jì)算說明

        3.1 漏率試驗(yàn)

        漏率是供給單元研制過程中的一項(xiàng)重要指標(biāo)。若泄漏超標(biāo),會導(dǎo)致氣瓶壓力過低,輸出氬氣流量不足,搭載任務(wù)失敗。

        力學(xué)振動(dòng)試驗(yàn)和熱試驗(yàn)可能會對供給單元的漏率產(chǎn)生影響,因而在供給單元研制過程中,分別在組件焊裝完成后和環(huán)境試驗(yàn)后設(shè)置了漏率檢測。

        漏率檢測時(shí),氣瓶內(nèi)充入1 MPa 氦氣。外漏率檢測原理如圖5所示,實(shí)際檢測結(jié)果為內(nèi)漏率與外漏率疊加的綜合漏率值。

        圖5 外漏率檢測原理Fig.5 Principle of leak detection

        2次漏率檢測工作均在北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所完成。試驗(yàn)采用JLR1600高低溫檢漏試驗(yàn)設(shè)備(圖6)、PHOENIX L300i 氦質(zhì)譜檢漏儀和LK-6標(biāo)準(zhǔn)漏孔。2次漏率檢測的數(shù)據(jù)見表1,可以發(fā)現(xiàn),環(huán)境試驗(yàn)前后供給單元的漏率無顯著變化,且均為10~10量級,滿足指標(biāo)(≤1×10Pa·L·s)要求,說明供給單元漏率指標(biāo)能適應(yīng)空間環(huán)境條件。

        圖6 供給單元在高低溫檢漏設(shè)備內(nèi)Fig.6 Supply unit in high and low temperature leak detection equipment

        表1 供給單元漏率檢測數(shù)據(jù)Table 1 External leakagerate of thesupply unit

        3.2 在軌儲存和輸出流量計(jì)算

        供給單元采用落壓工作方式,其漏率Q 的計(jì)算公式為

        式中:U 為流導(dǎo);P為氣瓶壓力;P為供給單元外壓力,近似為真空。

        由于泄漏的存在,氣瓶內(nèi)的氣體壓力P將隨時(shí)間逐漸降低,由式(1)可知漏率也隨之降低。根據(jù)表1的實(shí)測漏率數(shù)據(jù),綜合考慮溫度的影響,取供給單元的漏率Q 為常值1×10Pa·L·s,利用

        計(jì)算出在軌儲存6個(gè)月后的氣瓶壓力P=0.979 MPa(初始時(shí)刻氣瓶壓力為P=1 MPa)。式(2)中V 為氣瓶容積,V=0.75 L。

        結(jié)合流量控制器的輸出特性,計(jì)算了供給單元在軌儲存6個(gè)月后的氣瓶壓力與輸出流量隨工作時(shí)間的變化,如圖7 所示。結(jié)果表明,在軌儲存6個(gè)月后,供給單元仍可以保證在輸出氬氣流量滿足指標(biāo)要求(5~50 sccm)的工況下工作約360 s,滿足工作時(shí)間≥180 s的任務(wù)需求。

        圖7 在軌6個(gè)月后氣瓶壓力與輸出流量隨工作時(shí)間的變化Fig.7 The change of cylinder pressure and output flow rate against working time after 6 months in orbit

        4 結(jié)束語

        設(shè)計(jì)研制的新型電位主動(dòng)控制試驗(yàn)裝置供給單元在有限空間內(nèi)集成了氣瓶、加排閥、壓力傳感器、電磁閥、流量控制器等產(chǎn)品,具有氬氣儲存和微流量輸出的功能。該供給單元的實(shí)測漏率數(shù)據(jù)為10~10量級,滿足指標(biāo)(≤1×10Pa·L·s)要求。根據(jù)實(shí)測漏率數(shù)據(jù)和流量控制器的流量輸出特性,建立供給單元輸出氬氣流量、氣瓶壓力隨工作時(shí)間變化的數(shù)學(xué)模型,計(jì)算得出供給單元在軌儲存6個(gè)月后的有效工作時(shí)間約為360 s,滿足工作時(shí)間≥180 s的任務(wù)需求。

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