一種固體鋰推進劑恆溫液態輸送裝置及其輸送方法
2023-10-11 00:24:44 2
專利名稱：一種固體鋰推進劑恆溫液態輸送裝置及其輸送方法
技術領域：
本發明涉及磁等離子體動力學發動機(MPDT)地面試驗領域，具體來說，是一種磁等離子體動力學發動機(MPDT)地面試驗領域中的固體鋰推進劑恆溫液態輸送方法。
背景技術：
磁等離子體動力學發動機(MPDT)是一種典型的電磁式空間電推進系統，具有高比衝、大推力範圍、長壽命、高控制精度、可重複啟動等優點，在太空飛行器姿軌控、深空探測和星際航行等任務中具有廣闊應用前景。磁等離子體動力學發動機可以以氫氣、鋰、氖、氬、氙等為推進劑，利用磁場和電流相互作用生成洛倫茲力來加速等離子體態推進劑產生推力，因此也被稱為洛倫茲力加速器 (Lorentz Force Accelerator) 0 MPDT的基本形式是由頭部為錐形的棒狀陰極和環繞陰極的圓柱形陽極組成。MPDT工作時，通過在陰極和陽極之間放電形成電弧，推進劑形成的高溫等離子體。對於自身磁場磁等離子體動力學發動機，電流通過等離子體生成感生磁場，感生的磁場與電流相互作用形成軸向的洛侖茲力，加速推進劑排出發動機產生推力；對於外加磁場磁等離子體動力學發動機，推進劑在外加磁場、感生磁場和電流的共同作用下實現加速。通過地面試驗對MPDT發動機的各種性能進行研究正在世界範圍內開展。試驗測試表明鋰可以為磁等離子體動力學發動機提供優秀的推進性能，是磁等離子體動力學發動機推進劑的首選。有效的實現對鋰磁等離子體動力學發動機推進劑供給是進行相關試驗的基礎，直接影響試驗效果。
發明內容
本發明的目的在於提供一種固體鋰推進劑恆溫液態輸送裝置及其輸送方法，適用於以固體鹼金屬鋰為推進劑的磁等離子體動力學發動機液態推進劑供給，針對磁等離子體動力學發動機所採用的推進劑在常溫下是固體的情況，解決了推進劑固體鹼金屬鋰可控溫度液化和流量精確控制的難題。一種固體鋰推進劑恆溫液態輸送裝置，包括液態鋰推進劑供給分裝置和冷卻水控制分裝置。所述液態鋰推進劑供給分裝置包括鋰貯箱、活塞、步進電機與推進劑管路；其中， 鋰貯箱底部通過推進劑管路與磁等離子體動力學發動機相連；鋰貯箱外壁上安裝有鋰貯箱加熱膜，活塞設置在鋰貯箱內部，通過由步進電機驅動活塞在鋰貯箱內進行活塞運動；在推進劑管路的外壁上安裝有推進劑管路加熱膜。冷卻水控制分裝置包括循環冷卻水貯箱、第一冷卻水管路和第二冷卻水管路；其中，第一冷卻水管路盤繞在推進劑管路上，兩端均與冷卻水貯箱連通；在第一冷卻水管路的出水端處安裝有第一出水閥與第一過濾器，回水端安裝有第一回水閥。第二冷卻水管路盤繞在鋰貯箱上部，兩端均與循環冷卻水貯箱連通；在第二冷卻水管路的出水端處安裝有第二出水閥與第二過濾器，第二冷卻水管路的回水端處安裝有第二回水閥。本發明的優點在於1、本發明輸送裝置針對鋰磁等離子體動力學發動機地面試驗中推進劑供給裝置的特殊要求，採用帶有加熱膜的推進劑貯箱和推進劑管路分別存儲、輸送液態鋰推進劑，並通過調節步進電機工作控制活塞實現了液態鋰推進劑的流量可控精確供給，且全部裝置實現了溫度監測，增強了輸送裝置的穩定性、實用性、易操作性和精度；2、本發明裝置中採用冷卻水管以盤繞的方式固定在推進劑管路外壁上，由此實現了推進劑管路的控制，可避免使用普通閥門容易造成的閥門凝結損耗，大大延長了推進劑管路的壽命，並且有效提高了試驗效率和操作的實用性；3、本發明裝置可有效的解決地面試驗中磁等離子體動力學發動機液態鋰推進劑恆溫供給間題，可使推進劑有效、向磁等離子體動力學發動機輸送。
圖1為本發明輸送裝置整體結構示意圖；圖2為基於本發明輸送裝置的輸送方法流程圖<圖中
I"液態鋰推進劑供給分裝置2-冷卻水控制分裝置3-磁等離子體動力學發動機
4-真空艙 103-步進電機 106-推進劑管路加熱膜 201-循環冷卻水貯箱 202a-第一出水閥 203a-第二出水閥
101-鋰貯箱 104-推進劑管路 107-第一溫度傳感器 202-第一冷卻水管路 202b-第一回水閥 203b-第二回水閥
102-活塞 105-鋰貯箱加熱膜 108-第二溫度傳感器 203-第二冷卻水管路 202c-第一過濾器 203c-第二過濾器
具體實施例方式下面結合附圖對本發明做進一步說明。本發明一種固體鋰推進劑恆溫液態輸送裝置，包括液態鋰推進劑供給分裝置1和冷卻水控制分裝置2。所屬液態鋰推進劑供給分裝置1用來為磁等離子體動力學發動機輸送液態鋰推進劑，包括鋰貯箱101、活塞102、步進電機103、推進劑管路104。其中，鋰貯箱101用來盛放作為推進劑的固態鋰，底部通過推進劑管路104與磁等離子體動力學發動機3相連。鋰貯箱101外壁上安裝有鋰貯箱加熱膜105，用來對鋰貯箱101中的固態鋰加熱，使其轉變為液態鋰。活塞102設置在鋰貯箱101內部，通過由步進電機103驅動活塞102在鋰貯箱101 內進行活塞運動，擠壓鋰貯箱101內的液態鋰，使液態鋰進入推進劑管路104，最終隨推進劑管路104進入到磁等離子體動力學發動機3中。步進電機103還可用來控制活塞102進行活塞運動的速度，從而達到推進劑的流量控制。為了使液態鋰由鋰貯箱101到達磁等離子體動力學發動機3的過程中始終保持液態，因此本發明在推進劑管路104的外壁上安裝有推進劑管路加熱膜106，來為在推進劑管路104中流動的液態鋰加熱。在鋰貯箱101外壁以及推進劑管路104外壁上分別安裝有第一溫度傳感器107與第二溫度傳感器108，分別用來監測鋰貯箱101以及推進劑管路104的溫度，保證鋰貯箱101以及推進劑管路104 內的液態鋰始終處於液態，第一溫度傳感器107與第二溫度傳感器108均採用PT100。由於固態鋰具有強還原性，在空氣和水中極易受到汙染，因此整套液態鋰推進劑供給分裝置1 設置在真空環境的真空艙4中。冷卻水控制分裝置2位於真空艙4外部，包括循環冷卻水貯箱201、第一冷卻水管路202、第二冷卻水管路203。其中，循環冷卻水貯箱201用來盛放循環冷卻水；第一冷卻水管路202盤繞在推進劑管路104上，盤繞處與推進劑管路104外壁貼合，兩端均與冷卻水貯箱201連通。在第一冷卻水管路202的出水端處安裝有第一出水閥20 與第一過濾器 202c,回水端安裝有第一回水閥202b。第一出水閥20 與第一回水閥202b分別控制第一冷卻水管路202出水端和回水端處管路的通斷，第一過濾器202c用來過濾由第一冷卻水管路202出水端放出的循環冷卻水。由此當開啟第一出水閥20 後，循環冷卻水由第一冷卻水管路202的出水端進入第一冷卻水管路202中，經過第一過濾器202c濾清循環冷卻水中的雜質後，繼續流向第一冷卻水管路202的回水端，當循環冷卻水流過第一冷卻水管路202 在推進劑管路104上的盤繞處時，使盤繞處附近的推進劑管路104溫度下降，使推進劑管路 104中的液態鋰凝固，由此使推進劑管路104封閉，推進劑供給停止。當循環冷卻水到達第一冷卻水管路202的出水端後，通過開啟第一回水閥202b，使循環冷卻水流回循環冷卻水貯箱201中。當需要恢復推進劑供給時，關閉第一出水閥20加，使循環冷卻水出水中斷，在推進劑管路加熱膜106的作用下，推進劑管路104中的固態鋰再次轉變為液態，從而再次實現液態鋰的穩定輸送。第二冷卻水管路203盤繞在鋰貯箱101上部，盤繞處與鋰貯箱101外壁貼合，兩端均與循環冷卻水貯箱201連通。在第二冷卻水管路203的出水端處安裝有第二出水閥203a 與第二過濾器203c，第二冷卻水管路203的回水端處安裝有第二回水閥20北。第二出水閥 203a與第二回水閥203c分別控制第二冷卻水管路203的出水端和回水端處管路的通斷， 第二過濾器203c用來過濾由第二冷卻水管路203出水端放出的循環冷卻水。由此當開啟第二出水閥203a後，循環冷卻水由第二冷卻水管路203的出水端進入第二冷卻水管路203 中，經過第二過濾器203c濾清循環冷卻水中的雜質後，繼續流向第二冷卻水管路203的回水端，當循環冷卻水流過第二冷卻水管路203在鋰貯箱101上部的盤繞處時，會對鋰貯箱 101中持續加熱的液態鋰所產生的上升鋰蒸汽冷卻液化，避免鋰蒸氣從鋰貯箱101內壁與活塞102間的空隙溢出，循環冷卻水到達第二冷卻水管路203的出水端後，通過開啟第二回水閥20北，使循環冷卻水流回冷卻水貯箱201中。本發明輸送裝置中各管路均為不鏽鋼管，採用的材料為lCrl8Ni9Ti，具有良好的耐腐蝕性，各管路之間以及推進機管路104與鋰貯箱101間均採用氬弧焊或其他惰性氣體保護焊，由此可減少焊接處的氧化物，且焊接完畢後經過酸洗鈍化，再進行超聲波清洗、氮氣吹除，進而保證本發明輸送裝置的清潔度。基於上述固體鋰推進劑恆溫液態輸送裝置的輸送方法通過下述四個步驟來實現步驟1 吹除推進劑管路104中的雜質；試驗開始前，開啟鋰貯箱加熱膜105與推進劑管路加熱膜106分別加熱鋰貯箱101和推進劑管路104，使鋰貯箱101與推進劑管路104中殘留的鋰推進劑處於液化狀態；向鋰貯箱101中通入氬氣，氬氣通過鋰貯箱101進入到推進劑管路104中，通過氬氣吹除鋰貯箱 101以及推進劑管路104中的雜質，保持鋰貯箱101與推進劑管路104的乾燥。步驟2 鋰貯箱101中放入固體鋰；試驗開始前，在鋰貯箱101中放入固體鋰，鋰貯箱101中的固態鋰受熱轉為液態； 打開第二出水閥203a、第二回水閥20北，保證液態鋰在推進劑管路104內可以穩定流動；同時關閉第一出水閥20 、第一回水閥202b，避免鋰蒸氣從鋰貯箱101內壁與活塞102的空隙溢出。步驟3 向磁等離子體動力學發動機3中輸送推進劑；啟動步進電機103，推動活塞102往復運動，調整步進電機103轉速控制流量大小， 通過活塞102使鋰貯箱101中的液態鋰進入到推進劑管路104中，最後到達磁等離子體動力學發動機3。步驟4 停止推進劑的供給；實驗結束後，關閉步進電機3，同時打開第一出水閥20la、第一回水閥202b，使推進劑管路104中的液態鋰凝固轉變為固態鋰，封閉推進劑管路104，推進劑輸送停止。當需要恢復推進劑輸送時，關閉第一出水閥20 ，循環冷卻水出水中斷，在推進劑管路加熱膜 106的作用下，推進劑管路104中的固態鋰再次轉變為液態，實現液態鋰的穩定輸送。
權利要求
1.一種固體鋰推進劑恆溫液態輸送裝置，其特徵在於包括液態鋰推進劑供給分裝置和冷卻水控制分裝置；所述液態鋰推進劑供給分裝置包括鋰貯箱、活塞、步進電機與推進劑管路；其中，鋰貯箱底部通過推進劑管路與磁等離子體動力學發動機相連；鋰貯箱外壁上安裝有鋰貯箱加熱膜，活塞設置在鋰貯箱內部，通過由步進電機驅動活塞在鋰貯箱內進行活塞運動；在推進劑管路的外壁上安裝有推進劑管路加熱膜；冷卻水控制分裝置包括循環冷卻水貯箱、第一冷卻水管路和第二冷卻水管路；其中，第一冷卻水管路盤繞在推進劑管路上，兩端均與冷卻水貯箱連通；在第一冷卻水管路的出水端處安裝有第一出水閥與第一過濾器，回水端安裝有第一回水閥；第二冷卻水管路盤繞在鋰貯箱上部，兩端均與循環冷卻水貯箱連通；在第二冷卻水管路的出水端處安裝有第二出水閥與第二過濾器，第二冷卻水管路的回水端處安裝有第二回水閥。
2.如權利要求1所述一種固體鋰推進劑恆溫液態輸送裝置，其特徵在於所述液態鋰推進劑供給分裝置設置在真空艙中。
3.如權利要求1所述一種固體鋰推進劑恆溫液態輸送裝置，其特徵在於所述鋰貯箱外壁以及推進劑管路外壁上分別安裝有第一溫度傳感器與第二溫度傳感器。
4.如權利要求3所述一種固體鋰推進劑恆溫液態輸送裝置，其特徵在於所述第一溫度傳感器與第二溫度傳感器均採用PT 100。
5.如權利要求1所述一種固體鋰推進劑恆溫液態輸送裝置，其特徵在於第一冷卻水管路在推進劑管路上的盤繞處與推進劑管路貼合；第二冷卻水管路在鋰貯箱上的盤繞處與鋰貯箱貼合。
6.如權利要求1所述一種固體鋰推進劑恆溫液態輸送裝置，其特徵在於所述推進劑管路、第一冷卻水管路與第二冷卻水管路均為不鏽鋼管，採用的材料為lCrl8M9Ti。
7.如權利要求1所述一種固體鋰推進劑恆溫液態輸送裝置，其特徵在於所述第一冷卻水管路、第二冷卻水管路與循環冷卻水貯箱間，以及推進機管路與鋰貯箱間均採用氬弧焊接或惰性氣體保護焊接，且焊接完畢後依次經過酸洗鈍化，再進行超聲波清洗、氮氣吹除。
8.基於權利要求1所述一種固體鋰推進劑恆溫液態輸送裝置的輸送方法，其特徵在於通過下述四個步驟來實現步驟1 吹除推進劑管路中的雜質；試驗開始前，開啟鋰貯箱加熱膜與推進劑管路加熱膜分別加熱鋰貯箱和推進劑管路， 向鋰貯箱中通入氬氣，通過氬氣吹除鋰貯箱以及推進劑管路中的雜質；步驟2 鋰貯箱中放入固體鋰推進劑；試驗開始前，在鋰貯箱中放入固體鋰，並打開第二出水閥、第二回水閥，關閉第一出水閥、第一回水閥；步驟3 向磁等離子體動力學發動機中輸送推進劑；啟動步進電機，活塞向下運動，調整步進電機轉速控制流量大小；步驟4:停止推進劑的供給；實驗結束後，關閉步進電機，同時打開第一出水閥、第一回水閥；當需要恢復供給時，關閉第一出水閥。
全文摘要
本發明一種固體鋰推進劑恆溫液態輸送裝置及其輸送方法，包括液態鋰推進劑供給分裝置與冷卻水控制分裝置。液態鋰推進劑供給分裝置可實現在溫度監測下，開啟加熱膜將鋰貯箱中固體鋰推進劑加熱液化，通過活塞推動液態鋰隨推進劑管路輸送到磁等離子體動力學發動機。冷卻水控制分裝置通過向推進劑供給管路外壁通入冷卻水，使液態鋰轉為固態，實現推進劑管路的通斷控制。在液態推進劑供給過程中，冷卻水控制分裝置關閉，開啟加熱膜以及活塞，由此保證鋰的液態穩定流動；發動機關機時，開啟冷卻水控制分裝置，推進劑管路中液態鋰轉為固態，實現管路的自動關閉。本發明輸送裝置易操作，且推進劑輸送穩定、精度高，有效提高了試驗效率和操作的實用性。
文檔編號F02K9/24GK102392757SQ20111030115
公開日2012年3月28日 申請日期2011年9月29日 優先權日2011年9月29日
發明者王海興, 耿金越, 陳士強 申請人:北京航空航天大學