晉曉偉，童 飛，馬 鍵，李 平

（西安航天動力研究所，陜西 西安710100）

0 引言

微型航天器一直是空間應用領域一個重要的分支。從國內(nèi)外發(fā)展情況來看，衛(wèi)星走了一條從小到大，又從大到小的道路。衛(wèi)星的大小分類，經(jīng)過多年發(fā)展基本形成以下共識：10～100 kg量級為微衛(wèi)星 (Micro satellite)，1～10 kg量級為納衛(wèi)星 (Nano satellite)。從國外統(tǒng)計情況看，小型衛(wèi)星更具有成本上的優(yōu)勢。

微納衛(wèi)星具有重量輕、體積小、成本低、研制周期短及可批量生產(chǎn)的特點，具有較好的適應性，便于實現(xiàn)空間組網(wǎng)形成星座或星群，是未來航天領域的一個重要方展方向，在軍用、民用及科研領域均具有廣闊的發(fā)展空間。與此配套的輕量化且低成本的微推進系統(tǒng)也將大量應用。

在微納衛(wèi)星推進系統(tǒng)中，目前技術成熟的有化學推進、冷氣推進和電推進等技術；在研的有固體推進、膠體推進和微機電系統(tǒng)微推進等技術。從工程應用情況看，其中只有冷氣推進和電推進技術適用于要求微小推力（毫牛量級）調(diào)節(jié)的微型航天器。

1 微納衛(wèi)星對推進系統(tǒng)要求

微納衛(wèi)星一般對重量、體積、功耗和推力量級有著嚴格的要求。微納衛(wèi)星一般對推進系統(tǒng)有以下技術要求：

1） 重量輕；

2）功耗低，減小衛(wèi)星電源負荷；

3）推力小，推力從幾毫牛到幾十毫牛量級；

4）推力精確，以滿足高精度控制要求。

此外，某些微納衛(wèi)星要求推進系統(tǒng)具有較寬的工作溫度范圍。

本研究中，微納衛(wèi)星總質量大約10 kg，推進系統(tǒng)干重要求不大于3 kg，長期功耗要求不大于5.3 W，推力50 mN。

2 推進劑比較

由于微納衛(wèi)星對推進系統(tǒng)的功耗限制，微推進系統(tǒng)選擇冷氣推進較為合適。冷氣推進包括壓縮氣推進和液化氣推進。液化氣推進是指推進劑以液態(tài)貯存，通過加熱或氣化裝置使液態(tài)推進劑氣化，再通過推力器噴射產(chǎn)生推力的推進方式。液化氣推進系統(tǒng)以低成本、低功耗、高可靠性和小型化的優(yōu)點，適應了低成本微型航天器要求，越來越受到國內(nèi)外航天推進研究機構的重視。

目前已實際應用的幾種液化氣推進劑有丙烷、丁烷、氨和一氧化二氮等，性能見表1。

上述幾種液化氣推進系統(tǒng)中，一氧化二氮和二氧化碳貯存壓力遠遠高于其他3種推進劑的貯存壓力，造成貯存單元和系統(tǒng)管路質量較大，系統(tǒng)質量難以滿足微納衛(wèi)星的要求。

表1 幾種常用液化氣推進劑性能Tab.1 Properties of typical liquefied gas propellants

圖1 丙烷、丁烷和氨的氣化熱Fig.1 Evaporation heat of propane,butane and ammonia

圖2 丙烷、丁烷和氨的蒸氣壓Fig.2 Vapor pressure of propane,butane and ammonia

常用的丙烷、丁烷和氨三種推進劑中，雖然氨的飽和蒸氣壓與丙烷相當，貯箱壓力也相對較低，且比沖較高，但是氨的氣化熱較大（見圖1），充分氣化需要的加熱功率較大。丙烷和丁烷在性能上差別不大。兩者密度比沖接近，氣化熱比較接近，具有無毒、無污染和貯存壓力低的特點，安全性好，推進系統(tǒng)簡單，質量較小，因此在微納衛(wèi)星上被廣泛應用。

兩者相比，丙烷的飽和蒸氣壓較高（見圖2），沸點為-42℃，在-40℃仍能提供不小于0.1 MPa的壓力，丙烷氣體溫度適應范圍比較寬。丁烷的飽和蒸氣壓較低，在0℃時為0.1 MPa左右，明顯低于丙烷，在沒有足夠加熱的情況下，容易液化，難以滿足微納衛(wèi)星的工作環(huán)境溫度。通過分析，丙烷能夠完全滿足微納衛(wèi)星提供的工作環(huán)境溫度條件。

綜上所述，從減小質量和降低功耗，滿足工作溫度范圍等方面綜合考慮，該量級的微納衛(wèi)星選擇丙烷微推進系統(tǒng)較為合適。

3 丙烷微推進系統(tǒng)

推進系統(tǒng)主要由貯箱、加排閥、自鎖閥、換熱器、減壓閥、穩(wěn)壓罐、過濾器、推力器、推進控制器以及壓力傳感器等組成（見圖3）。

圖3 丙烷微推進系統(tǒng)Fig.3 Propane micro propulsion system

其中壓力傳感器包括一個高壓傳感器和低壓傳感器，分別用于監(jiān)測貯箱壓力和推力器入口壓力。衛(wèi)星在飛行過程中的特定時刻，推進控制器根據(jù)星上控制指令給微推進系統(tǒng)的自鎖閥通電，自鎖閥打開。貯箱中處于飽和狀態(tài)的丙烷，經(jīng)自鎖閥節(jié)流孔節(jié)流后初步氣化，流經(jīng)蒸發(fā)器吸收熱量后充分氣化。丙烷氣體經(jīng)減壓閥調(diào)節(jié)壓力后，向穩(wěn)壓罐充填，最終到達推力器前。待穩(wěn)壓罐壓力達到系統(tǒng)設定壓力時，系統(tǒng)增壓完畢。

當需要某臺推力器工作時，推進控制器根據(jù)指令給該推力器的控制閥通電，閥門打開，工作氣體進入噴嘴，經(jīng)噴嘴加速噴出，產(chǎn)生推力。推進系統(tǒng)工作過程中，實時監(jiān)測系統(tǒng)壓力和各電磁閥狀態(tài)，并將系統(tǒng)工作狀態(tài)信息上傳給星上控制系統(tǒng)。

4 微推進關鍵技術

4.1 推進劑氣化供應

微納衛(wèi)星無法提供單獨的氣化加熱功率。采用電加熱氣化方式不利于這一要求。為此，微推進系統(tǒng)設計了一套以衛(wèi)星內(nèi)部散熱單元為熱源氣化裝置，通過吸取星上散熱，對推進劑加熱，減小了衛(wèi)星電源功率的消耗。

推進系統(tǒng)氣化裝置主要由推進劑貯箱和換熱模塊組成。推進系統(tǒng)工作模式為間歇性的，在不工作的時間內(nèi)，換熱模塊將散熱單元熱量傳遞至推進劑貯箱，液態(tài)推進劑吸收熱量后，推進劑溫度會升高，可以將能量儲存。貯箱出口處的自鎖閥上設置了節(jié)流元件，當自鎖閥打開時，液體推進劑在飽和蒸氣壓作用下從貯箱內(nèi)流出，通過自鎖閥節(jié)流孔壓力降低，初步氣化，隨后進入換熱模塊，推進劑進一步吸收熱量充分氣化。氣化后的推進劑經(jīng)過下游的減壓裝置后，壓力下降到工作壓力，由于工作壓力低于推進劑飽和蒸氣壓，因此供應推力器的工質為氣體狀態(tài)。

由于推進劑的氣化吸熱，連續(xù)工作情況下，貯箱中剩余推進劑的溫度會不斷下降，飽和蒸氣壓也隨之下降，要保證系統(tǒng)正常工作，飽和蒸氣壓不能低于減壓閥入口最低壓力要求，貯箱中液化氣溫度不能低于維持飽和蒸氣壓對應的溫度。設減壓閥入口壓力為0.2 MPa，則相應的推進劑溫度不能低于26℃。圖4為熱量傳遞示意圖。

圖4 熱量傳遞示意圖Fig.4 Schematic of heat transfer

丙烷從液態(tài)轉變成氣態(tài)，需要從熱源吸收熱量。推進劑的氣化功率按下式計算

式中：P為氣化功率，W；cP為液體定壓比熱，kJ/kg·K；ΔT為液體溫度升高值，K；c為液體氣化熱，kJ/kg；為推進劑質量流量g/s。

根據(jù)星上溫度范圍，假設推進劑初始溫度T0為15℃。通過計算，得到推進系統(tǒng)連續(xù)工作時間，以及貯箱溫度恢復時間與貯箱中剩余推進劑量關系，具體結果如表2所示。

微納衛(wèi)星的姿控工作方式為短期脈沖工作，工作間隔時間較長，貯箱中推進劑有足夠時間恢復到星上環(huán)境溫度，因此可以保證推進系統(tǒng)推進劑的氣化要求。

表2 推進系統(tǒng)工作時間Tab.2 Operating time of propulsion system

4.2 微小推力精確控制

微納衛(wèi)星要求推力精確，以滿足高精度控制要求。根據(jù)推力公式

式中：pc為推力器內(nèi)工質壓力；At為噴嘴喉部面積；動壓ω、壓比π和擴張比ε為推力器出口氣流馬赫數(shù)的函數(shù)，與推力器結構有關。在結構一定的情況下，推力精度與室壓精度密切相關。

微納衛(wèi)星推進系統(tǒng)的推力量級小，推力精確控制難度較大。由于推力為幾十毫牛量級，減壓閥的壓力振蕩和推力器的快速動作產(chǎn)生的壓力脈沖，均對推力精度產(chǎn)生明顯的影響。

實現(xiàn)微小推力的精確控制，關鍵是壓力控制，為此系統(tǒng)設置了一個微型減壓閥和一個穩(wěn)壓罐（見圖5）。減壓閥將壓力變化的高壓冷氣源壓力降為低壓，壓力相對穩(wěn)定。穩(wěn)壓罐可以對減壓閥產(chǎn)生壓力振蕩和推力器的打開關閉引起的壓力脈沖起到緩沖作用，相當于一個壓力“濾波器”。

通過上述控制技術，實現(xiàn)了對推力器入口壓力穩(wěn)定調(diào)節(jié)和對壓力脈動的抑制，實現(xiàn)了推力器50 mN±7%量級推力的精確控制。

圖5 推力精確調(diào)節(jié)示意圖Fig.5 Schematic of thrust accurate control

4.3 輕量化設計

微納衛(wèi)星在結構上要求體積小、重量輕，因此對于微推進系統(tǒng)，輕量化設計非常關鍵。微推進系統(tǒng)小型化設計包括系統(tǒng)層面和組件層面。

系統(tǒng)層面主要是通過優(yōu)化系統(tǒng)組成及布局，減小不必要的冗余質量。推進劑的選擇對系統(tǒng)輕量化非常重要，選取飽和蒸汽壓較低的丙烷液化氣作為推進劑，可以降低系統(tǒng)工作壓力，使系統(tǒng)主要承壓件的質量明顯減小。推進劑密度高，可以減小貯存單元的結構尺寸。

組件層面主要是在滿足功能的基礎上，優(yōu)化結構、材料和工藝，實現(xiàn)尺寸和質量的優(yōu)化。組件小型化設計方面，微推進系統(tǒng)采用了微型電磁閥、微型壓力調(diào)壓閥門和輕質壓力容器等組件。微型電磁閥部分，丙烷微推進系統(tǒng)包括8臺微型推力器和1臺自鎖閥，通過結構優(yōu)化，推力器質量僅33.5 g，自鎖閥質量僅25.8 g。

通過系統(tǒng)和組件的輕量化設計，丙烷微推進系統(tǒng)干重不到2.5 kg。

5 結論

丙烷微推進系統(tǒng)具有輕量化、功耗小、推力量級小、推力精度高、工作時間長和溫度適應范圍寬的優(yōu)點，完全滿足微納衛(wèi)星應用要求。

該研究中丙烷微推進系統(tǒng)實現(xiàn)了50 mN±7%量級推力的精確控制，系統(tǒng)干重不到2.5 kg，長期功耗不大于5.3 W。

丙烷微推進系統(tǒng)中的減壓閥和推進控制器體積和質量較大，與國外目前技術差距較大，輕量化設計方面還有較大的改進空間。

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