神舟七号飞船伴星液氨闪蒸射流推进技术

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1、Vo1．18No．1载人航天第18卷第1期86MannedSpaceflight2012年1月神舟七号飞船伴星液氨闪蒸射流推进技术魏青，李永策(上海空间推进研究所，上海200233)摘要神舟七号飞船伴星推进系统首次采用了液氨闪蒸射n_T-作模式，利用液氨在真空环境下的闪蒸特性，使得推进系统在具有结构简单、安全性高的基础上，功耗的需求显著降低。在对液氨闪蒸射流推进模式进行了分析和计算的基础上，遗过地面试验和上天飞行结果进行对比，表明了闪蒸射流推进模式是一种比较适合微小卫星的推进方案。关键词闪蒸；推进；微小卫星；液氨中图分类号：V439文献标识码

2、：A文章编号：1674—5825(2012)O1—0086—06卫星上采用了液化气推进方案_l’2l，利用液化气(丙1引言烷、氨等)常温下可加压液化的特点，将液化气液化微小卫星是人造卫星发展领域的一个重要分贮存，需要工作时，通过加热使之汽化，最后以冷气支，由于微小卫星的功能相对简单，单独的一颗微小方式工作。这样既具有了冷气推进简单的优点，又由卫星在工程应用上的价值不高。如果利用微小卫星于通过推进工质的液化贮存，在不高的贮存压力下，进行编队飞行或组成星座，以替代常规的大卫星，在提高了贮存密度，从而提高了密度比冲。成本、性能、可靠性等方面都将具有

3、较大的优势，因但是这种液化气推进方案的工作模式也有着一此，编队飞行或星座联网将是微小卫星工程应用的定的局限性，由于推进工质由液态转化为气态，需要主要方向。较大的加热功率。以500raN推力，1000Ns／kg比冲的要实现微小卫星的编队飞行和星座间的位置保液氨推力器为例，在1s内，喷射出的气体量为0．5g，持，就要求微小卫星具有一定的机动能力，这就对推液氨(20~C)蒸发补充这O．5g气体，需要的热量是进系统在微小卫星上的应用提出了要求。588J，也即只有588W的加热器才可以提供这个热由于微小卫星自身重量、体积、功耗以及成本量，这种功率是微小

4、卫星难以满足的。此外由于液化的限制，目前可应用于微小卫星的推进方案，尤其气推进工质的饱和蒸汽压随温度变化十分急剧，在对于总重在50kg级以下的微小卫星，基本局限于O~C和20℃时，其饱和蒸汽压由0．43MPa上升到常规的冷气推进。冷气推进方案由于其结构简单、0．86MPa¨3_，这直接影响了推力器最终推力。因此这种可靠，在微小卫星中应用十分广泛。但是冷气推进液化气推进模式(下文将其称之为“液化气冷气推进方案的劣势在于密度比冲很低，即使是采用高压贮模式”)只适用于短时工作或可以小功率充分预加热存推进工质以降低贮存所需的容积，密度比冲提高以及对推

5、力精度要求不高的场合。的也不多。神舟七号飞船伴星同样采用了液化气推进方为克服冷气推进贮存密度较低的缺陷，英国案，但有别于上述的液化气冷气推进模式，而是采用Surrey大学和上海空间推进研究所在一些试验性的了一种全新的液化气闪蒸射流推进模式。收稿日期：2010—12—09；修回El期：2011-07—05作者简介：魏青(1972一)，男，硕士，主要从事空间推进及组件技术研究工作。E-mail：quentinwei@sina．con第1期魏青等：神舟七号飞船伴星液氨闪蒸射流推进技术2神舟七号飞船伴星推进方案3液化气两种工作模式对比分析神舟七号飞船

6、伴星是一颗微小卫星，其任务之液化气冷气推进模式的工作原理可简化至图2，一是对飞船的留轨舱进行绕飞，实现以留轨舱为中将其简单的处理为一个绝热系统，在推力器不工作心4kmx8km的椭圆绕飞。时，贮箱内气液处于平衡状态。在伴飞任务中，留轨舱处于无动力飞行状态，必须根据地面对留轨舱测得的轨道实时制定伴星的轨道机动策略，这一方面要求伴星推进系统必须提供非常精确的推力冲量，另一方面也意味着推进系统没有充分的预加热时间。因此液化气冷气推进模式不能满足此种任务要求。通过对任务需求的分析，综合性能、安全、可靠等因素，最终采用了一种新型的液化气推进工作模式，将液

7、氨直接从推力器喷射，利用液氨的闪蒸特性，在真空环境下，液氨在喷管中快速蒸发汽化，最终以气液两相流的状态喷射出去，从而产生推力。这图2液化气冷气推进模式工作原理种模式称之为“液化气闪蒸射流推进模式”。推力器开机，气体被喷射出去，贮箱内压力迅速伴星推进系统的原理图见图1。系统采用了两个下降，液体的蒸发速率提高(q=k·(—P)，p为蒸发1．2L贮箱贮存推进剂液氨，贮箱下游设置了过滤器和自锁阀，配置一台推力器，推力轴线通过卫星质速率，为蒸发系数，P为饱和蒸汽压，P为贮箱压心，以提供轨道控制冲量。模块上还设置了一个压力力)，当液体的蒸发速率等于通过推

8、力器喷射出去的传感器用于测量贮箱的压力，两个温度传感器分别流量时，贮箱内便达到了一个新的平衡点。随着液体用于测量贮箱出口温度和推力器入口温度，以监测的蒸发，推进剂温