用多孔塞片實現推進劑微小流率的控制

胡 竟，楊福全，孫運奎，王小永

（蘭州空間技術物理研究所 真空技術與物理重點實驗室，蘭州 730000）

0 引言

電推力器利用電能對推進劑電離并加速噴射而產生推力，其噴射速度比傳統化學推進高很多，可極大地減少衛星在軌期間的推進劑需求量[1]。為我國空間站軌道保持任務而研制的10 cm 霍爾推力器，其放電室、陰極的推進劑設計流率分別為(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雜。在推力器地面試驗期間，一般采用商用流量控制器，并配置一套復雜的測量和電路控制系統來實現。因此，利用該方 法進行流量控制難以滿足空間應用的需求。為了既能實現推進劑微小流量的精確控制，又使得流量控制器體積小、質量輕，簡單可靠，需要采用其他的流量控制技術。

鑒于粉末冶金的多孔特性，可以利用其進行微小流量的調節控制。多孔金屬具有良好的機械加工性能，可以用來制作具有節流能力的多孔金屬塞片。

本文利用小孔節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流元件，開展了10 cm 霍爾推力器推進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境下長期工作[2-3]。同時，通過基材結構、微孔結構、外型結構等多種調整手段調節多孔金屬的孔徑與孔隙，可有效地控制孔的形貌和結構。鑒于霍爾推力器的放電室、陰極所需的推進劑流率均很小，同時對流率的穩定性、控制精度要求較高，而傳統的節流裝置（孔板、文丘利管）[4-6]在微小流量控制的應用過程中存在結構不緊湊、難加工的問題，綜合考慮機械強度、焊接性能及空間應用環境等多方面因素，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 控制器的結構及調節原理

1.2.1 結構組成

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

圖1 流量控制器結構示意圖 Fig.1 Schematic diagram of the flow controller

1.2.2 流阻器的調節原理及設計參數

對于控制器的結構而言，在進氣口工作壓力確定的情況下，推進劑流率只與流過流阻器的推進劑溫度有關。

假設流阻器的每個毛細孔都直接連通且直徑相等，則其推進劑流率為[7-8]

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

假設流阻器的孔隙度為ε，為得到要求的流率，實際需要的放電室、陰極流阻器的節流面積為

針對霍爾推力器放電室、陰極正常工作的推進劑流率要求，結合上述分析，流量控制器工作加熱溫度設計為85 ℃，推進劑穩壓罐內溫度為30 ℃，進氣口壓力為(0.35±2%)MPa，出氣口壓力控制在10 Pa 以下，針對這些參數要求設計了 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 加熱器的調節控制

為了達到通過溫度調節實現推進劑微小流率精確控制的目的，流量控制器必須進行溫度控制。流量控制器在軌期間的工作環境溫度為 5～50 ℃，控制溫度須高于其工作環境溫度。因此，加熱器的加熱溫度設計為50～120 ℃，控制方式為PID 調節；采用具有一定阻值的阻性負載，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。加熱器選用結構緊湊、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 試驗驗證

2.1 結構性能的驗證

為確保流量控制器在軌期間的結構性能滿足使用要求，需對其整體結構開展力學試驗。針對衛星發射階段、星箭分離階段以及空間在軌運行階段的力學環境，對流量控制器進行了22g最大量級的沖擊試驗和總方均根加速度為16.5g的振動試驗。

在上述試驗的基礎上，結合流量控制器在軌運行階段的熱環境，開展了熱循環試驗。包括溫度為70 ℃、180 h 連續帶電狀態下的高溫浸泡試驗；高溫段為60 ℃、低溫段為-25 ℃，高溫段、低溫段各進行6 h 的帶電狀態下的循環試驗，循環次數達到18.5 次。

對經歷力學環境試驗、熱環境試驗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，其氣密性優于1×10-6Pa·m3/s，各項性能均滿足設計指標要求。

2.2 流率控制性能的驗證

在完成試驗驗證的基礎上，需對流量控制器微小流率精確控制性能進行驗證。圖3所示為流量控制器推進劑流率測試系統的測試原理框圖。

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

采用如圖3所示的測試系統對流量控制器的推進劑微小流率進行測試。結合10 cm 霍爾推力器推進劑微小流率的設計要求，在驗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，其出口與真空室相連接，并確保壓力控制在10 Pa 以下，利用測試系統的PID 調節方式控制加熱器。以陰極流量控制器為例，圖4所示為結構性能試驗前后陰極流量控制器推進劑流率變化曲線。

如圖4所示，在設計加熱溫度點85 ℃附近，結構性能驗證后的流量控制器的推進劑流率由性能驗證前的0.302 mg/s 變為0.301 mg/s，考慮系統測試誤差等因素，流率性能基本保持穩定。同時，根據該曲線可以發現，陰極的流量控制器能夠在50～90 ℃較寬溫度范圍內實現不同流率的實時調節。

圖4 結構性能驗證前后陰極流量控制器推進劑流率 測試曲線 Fig.4 The propellant flow of the cathode flow controller before and after the structural performance validation test

3 結束語

采用粉末冶金多孔金屬塞片作為節流元件研制了流量控制器，并進行了力學環境和熱環境試驗，同時對結構性能驗證試驗前后的流量控制器進行了流率測試。測試結果表明，試驗前后推進劑流率保持穩定，與設計要求符合性較好。該流量控制器可在較寬的溫度范圍內實現不同流率的實時調節，從而可滿足推力器在軌期間不同工作狀態的流率需求，具有較強的適應性和調節性。目前，基于該控制原理的流量控制器已應用到某衛星工程項目的10 cm 霍爾推力器中，并順利完成地面測試、試驗，即將開展在軌飛行驗證。

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