胡 竟，張?zhí)炱?，楊福全，?沛

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000）

電推力器氣體比例流量控制技術(shù)的展望

胡 竟，張?zhí)炱剑瑮罡Ｈ?，?沛

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000）

針對(duì)航天器在軌期間的高精度姿軌控機(jī)動(dòng)和無阻尼調(diào)節(jié)需求，電推力器貯供單元必須采用比例流量控制閥以實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑流量的高精度、寬范圍、低噪聲調(diào)控。目前正在發(fā)展的比例流量控制閥主要利用材料的應(yīng)變特性和微小流量通道的節(jié)流作用，通過調(diào)節(jié)和控制材料的應(yīng)變量進(jìn)而改變流道的結(jié)構(gòu)尺寸，實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑的快速、穩(wěn)定、連續(xù)可調(diào)。文章系統(tǒng)介紹了國(guó)內(nèi)外比例流量控制閥的發(fā)展概括，并在分析國(guó)內(nèi)未來航天使命應(yīng)用需求的基礎(chǔ)上，對(duì)該技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析和展望，以期對(duì)比例流量控制閥的研制提供指導(dǎo)。

電推力器；比例流量控制閥；磁致伸縮材料；壓電陶瓷材料

0 引言

電推力器由于其比沖高、壽命長(zhǎng)、工作模式精確可調(diào)等顯著特點(diǎn)，多用于航天器位置保持、姿態(tài)控制及軌道轉(zhuǎn)移等領(lǐng)域[1]。為確保電推力器穩(wěn)定工作，必須對(duì)進(jìn)入陰極、放電室的推進(jìn)劑流量進(jìn)行精確控制。根據(jù)航天器軌道機(jī)動(dòng)任務(wù)的不同需求，各國(guó)衛(wèi)星的電推力器貯供單元主要采用基于粉末冶金多孔金屬塞片的熱節(jié)流器[2-9]、標(biāo)準(zhǔn)孔板及毛細(xì)管類型的節(jié)流器[10-12]等氣體流量控制部件進(jìn)行推進(jìn)劑氣體流量控制。而采用熱節(jié)流器及標(biāo)準(zhǔn)孔板制式的氣體流量調(diào)節(jié)方式均需在貯供單元中配以復(fù)雜的機(jī)械或電子壓力隔離及調(diào)節(jié)模塊，對(duì)相關(guān)閥門的啟閉可靠性及壽命提出了極高的要求。同時(shí)，受傳統(tǒng)調(diào)壓組合方式精度低、響應(yīng)慢、擾動(dòng)大等固有特性的制約，現(xiàn)有電推力器貯供單元的推進(jìn)劑調(diào)控方式和能力已無法滿足未來航天器日趨復(fù)雜多樣化的姿軌控機(jī)動(dòng)要求，使得電推力器在航天器中的應(yīng)用受到很大影響。

針對(duì)上述問題，并結(jié)合航天器在軌期間的高精度姿軌控機(jī)動(dòng)和無阻尼調(diào)節(jié)需求，電推力器貯供單元必須采用基于比例流量控制閥的比例流量供氣方式以實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑流量的高精度、寬范圍、低噪聲調(diào)控。目前正在發(fā)展的比例流量控制閥主要利用材料的應(yīng)變特性和微小流量通道的節(jié)流作用，通過調(diào)節(jié)和控制材料的應(yīng)變量進(jìn)而改變流道的結(jié)構(gòu)尺寸，實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑的快速、穩(wěn)定、連續(xù)可調(diào)。

根據(jù)推進(jìn)劑流量調(diào)節(jié)原理的差異，比例流量控制閥大致可分為三種：磁致式、壓電式及電熱式。磁致式比例流量控制閥是以磁致伸縮材料為基礎(chǔ)，利用磁致伸縮材料在外加磁場(chǎng)作用下內(nèi)部磁疇的磁化方向重新排布產(chǎn)生宏觀尺寸變化的特性和微小流量通道的節(jié)流作用，在恒定入口推進(jìn)劑壓力的情況下，通過調(diào)節(jié)和控制磁致伸縮材料應(yīng)變量進(jìn)而改變流道的結(jié)構(gòu)尺寸，實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑微小流量的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)；與磁致式比例流量控制閥調(diào)節(jié)機(jī)理相類似，壓電式比例流量控制閥同樣以改變流體的流量通道最終實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑流量的精確調(diào)節(jié)，但壓電式比例流量控制閥采用的是壓電陶瓷材料，利用其逆壓電效應(yīng)，通過改變外加電場(chǎng)的強(qiáng)弱達(dá)到調(diào)整材料應(yīng)變量并實(shí)現(xiàn)流量通道的改變。而區(qū)別于上述改變流量通道的方式，電熱式比例流量控制閥利用小孔節(jié)流原理和推進(jìn)劑黏性隨溫度變化明顯的特性，通過調(diào)節(jié)溫度實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑微小流量的調(diào)節(jié)。鑒于磁致伸縮材料良好的應(yīng)變特性及穩(wěn)定性，在比例流量控制閥實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑微小流量高精密調(diào)節(jié)得到廣泛應(yīng)用。

文章系統(tǒng)介紹了國(guó)內(nèi)外比例流量控制閥的發(fā)展概括，并在分析國(guó)內(nèi)未來航天使命應(yīng)用需求的基礎(chǔ)上，對(duì)該技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析和展望。

1 比例流量控制技術(shù)

針對(duì)重力梯度衛(wèi)星在軌機(jī)動(dòng)任務(wù)要求，為了保證重力梯度衛(wèi)星的測(cè)量范圍和靈敏度，需要衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)對(duì)衛(wèi)星飛行過程中非重力因素進(jìn)行補(bǔ)償，而為保證阻尼補(bǔ)償?shù)募皶r(shí)性和其精確性，傳統(tǒng)化學(xué)推進(jìn)方式的推力調(diào)節(jié)速率、分辨率和噪聲已無法滿足衛(wèi)星重力梯度測(cè)量要求，必須采用配備氣體比例流量控制技術(shù)的電推力器進(jìn)行阻尼補(bǔ)償調(diào)節(jié)。此外，低軌衛(wèi)星在運(yùn)行過程中不可避免的會(huì)受到大氣阻尼的影響，為確保衛(wèi)星在設(shè)計(jì)軌道中飛行，必須進(jìn)行頻繁的軌道維持，傳統(tǒng)的化學(xué)推進(jìn)方式消耗燃料多且推力擾動(dòng)大，無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)阻尼補(bǔ)償。同樣必須采用基于比例流量控制技術(shù)的推力連續(xù)可調(diào)的電推力器，可達(dá)到在進(jìn)行軌道維持的同時(shí)正常高精度成像不中斷的目標(biāo)。相關(guān)比例控制元件及比例調(diào)節(jié)原理的引入為實(shí)現(xiàn)氣體比例流量控制奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

電推力器氣體比例流量控制分為壓力控制模塊和流量控制模塊兩部分，壓力控制模塊是將推進(jìn)劑氣瓶中的氣體由高壓狀態(tài)（15～20 MPa）調(diào)節(jié)到流量控制模塊工作所需要的低壓狀態(tài)（0.20～0.35 MPa），流量控制模塊則是根據(jù)推力器工作需要向其陰極、放電室提供準(zhǔn)確的推進(jìn)劑流量。圖1為氣體比例流量閉環(huán)控制線路原理圖。

圖1 氣體比例流量閉環(huán)控制線路原理圖Fig.1 Schematic diagram of closed loop control circuit of gas proportional flow

圖1氣體比例流量調(diào)節(jié)由一個(gè)比例流量控制閥和一套基于熱測(cè)量原理的流量傳感器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，流量傳感器的輸出信號(hào)反饋給流量控制閥從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

2 國(guó)外比例流量控制閥研究

2.1 磁致式比例流量控制閥

（1）美國(guó)Moog公司產(chǎn)品

美國(guó)Moog公司內(nèi)研制的比例流量控制閥[13-15]是一種常閉比例電磁閥，在繼承產(chǎn)品狀態(tài)較為成熟的電磁閥技術(shù)基礎(chǔ)上，通過調(diào)整核心驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，Moog公司研制形成了一系列能夠滿足不同流量要求的比例調(diào)節(jié)閥產(chǎn)品。該控制閥以磁致伸縮材料為基礎(chǔ)，通過調(diào)整伸縮材料外圍勵(lì)磁線圈的輸入電流，改變磁場(chǎng)的大小，實(shí)現(xiàn)閥門磁致伸縮材料的伸縮，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)閥芯組件位置的變化，最終提供所要求的流率（壓力），一般情況下，比例流量控制閥與下游的反饋元件共同使用，以實(shí)現(xiàn)流率（壓力）的閉環(huán)控制，而下游的反饋元件多為流量（壓力）傳感器，是電推力器貯供單元的“心臟”，并具有多重功能，在調(diào)節(jié)壓力及流量的同時(shí)能夠在很寬的壓力范圍內(nèi)提供可靠的壓力隔離，其本質(zhì)是一個(gè)能夠調(diào)節(jié)流道的調(diào)壓器。如圖2所示為Moog公司Model 51E339型比例流量控制閥。

該產(chǎn)品的主要特點(diǎn)有：（1）非滑動(dòng)配合，懸置式銜鐵設(shè)計(jì)，并有利于控制多余物的污染；（2）Vespel密封，實(shí)現(xiàn)良好氣密性的同時(shí)吸放氣少，不影響推進(jìn)劑；（3）采用通用接口界面，產(chǎn)品之間具有較好的互換性；（4）全結(jié)構(gòu)焊接。

圖2 Moog公司Model 51E339型比例調(diào)節(jié)閥Fig.2 Moog Model 51E339 type proportional control valve

截止目前，Moog公司根據(jù)不同的空間任務(wù)需求，研發(fā)了多款比例流量控制閥產(chǎn)品，并已成功實(shí)現(xiàn)在軌的工程化應(yīng)用。歐空局于2009年3月17日發(fā)射的地球重力場(chǎng)和海洋環(huán)流探測(cè)器[16-17]（Gravity and steady state Ocean Circulation Explorer，GOCE）采用T5離子電推力器進(jìn)行衛(wèi)星在軌期間的大氣阻尼補(bǔ)償。根據(jù)探測(cè)任務(wù)需求，電推力器配備了2套基于Moog公司磁致式比例流量控制閥的推進(jìn)劑比例供給單元，該控制閥主要對(duì)放電室工作所需推進(jìn)劑進(jìn)行比例流量供給，并采用閉環(huán)控制算法通過調(diào)節(jié)電推力器放電室推進(jìn)劑流量、陽極電流及勵(lì)磁電流最終實(shí)現(xiàn)電推力器推力的精準(zhǔn)控制。截止探測(cè)任務(wù)結(jié)束，衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)累計(jì)工作時(shí)間接近40 000 h。

鑒于GOCE衛(wèi)星的成功應(yīng)用，歐空局在BepiCo?lombo水星探測(cè)器中為T6離子電推力器開發(fā)了以Moog公司比例流量控制閥為基礎(chǔ)的推進(jìn)劑流量比例控制單元，圖3為T6離子電推力器推進(jìn)劑比例控制單元功能圖。

圖3 BepiColombo水星探測(cè)器離子電推力器推進(jìn)劑比例控制單元功能圖Fig.3 BepiColombo mercury detector of ion thruster propellant proportion control unit function chart

如圖3所示，在BepiColombo水星探測(cè)器離子電推力器推進(jìn)劑比例控制單元中，推進(jìn)劑通過隔離閥后分為三路，分別向放電室陽極、主陰極及中和器供氣。其中，放電室陽極及主陰極均采用了比例流量控制閥，并利用壓力傳感器實(shí)現(xiàn)比例流量控制閥的閉環(huán)控制。

此外，美國(guó)空軍TechSat-21衛(wèi)星的BHT-200霍爾電推力器[18]及NASA未來開展太陽系外行星探測(cè)使命的NEXT-40離子電推力器貯供單元均采用Moog公司的比例流量控制閥進(jìn)行推進(jìn)劑比例流量控制。

（2）英國(guó)Marotta公司產(chǎn)品

針對(duì)星載航天器電推力器推進(jìn)劑比例流量控制需求，英國(guó)Marotta公司以磁致伸縮材料為基礎(chǔ)，研制了相應(yīng)的比例流量控制閥[19-20]，如圖4所示。

圖4為Marotta公司設(shè)計(jì)的基于磁致伸縮的比例流量調(diào)節(jié)閥，該閥門具有多重功能。該產(chǎn)品具有的特點(diǎn)：1）正常處于閉合狀態(tài)，壓力為0.25～20.7 MPa、溫度為-54～93℃的范圍內(nèi)產(chǎn)品內(nèi)漏率低于1.0× 10-6Pa·m3/s；2）在溫度0～80℃范圍內(nèi)，具有高精度的流量/壓力閉環(huán)控制（反饋形式多為流量、流量或陽極電流）；3）推進(jìn)劑流量調(diào)節(jié)范圍：0.02～25 mg/s；4）整體重量：＜318 g，壽命循環(huán)次數(shù)：＞100 000次，功耗：＜10 W。

圖4 Marotta公司磁致式比例流量控制閥Fig.4 Marotta magnetic proportional flow control valve

2.2 壓電式比例流量控制閥

（1）英國(guó)Marotta公司產(chǎn)品

針對(duì)ROS 2000等離子體電推力器和T6離子電推力器空間軌道任務(wù)需求，Marotta公司研制了壓電式比例流量控制閥[21-22]，如圖5所示。該控制閥可以滿足微小推力電推進(jìn)衛(wèi)星的推進(jìn)劑流量控制要求，在推進(jìn)劑入口壓力為0.25 MPa時(shí)，流量控制范圍為0～25 mg/s。

圖5 Marotta公司壓電式比例流量控制閥Fig.5 Marotta piezoelectric proportional flow control valve

（2）意大利AAS-I公司產(chǎn)品

針對(duì)不同類型空間軌道任務(wù)對(duì)電推力器需求，在歐空局“通用支持技術(shù)計(jì)劃”支持下，意大利AAS-I公司研制了基于壓電陶瓷材料的比例流量控制閥[23]，該控制閥主要包括壓電陶瓷盤、S型彈簧、活塞及相關(guān)電氣接口與機(jī)械外殼構(gòu)成，如圖6所示。

該產(chǎn)品的主要性能特點(diǎn)：1）流量調(diào)節(jié)范圍：0～30 mg/s；2）壓力調(diào)節(jié)范圍：0.2～17 MPa；3）控制相應(yīng)速度快：＜200 ms；內(nèi)/外漏率低：5.0×10-9Pa·m3/s；4）質(zhì)量?。ǎ?00 g）、功耗低（＜0.1 W）；5）工作溫度范圍：-30～+50℃；6）具有加熱功能，可對(duì)入口氣體相態(tài)進(jìn)行控制；7）采用PID閉環(huán)控制措施可實(shí)現(xiàn)氣體壓力/流量的實(shí)時(shí)可調(diào)；8）非工作狀態(tài)下，產(chǎn)品斷電，在彈簧預(yù)緊力作用下，活塞與閘閥基座緊密貼合，閥門處于關(guān)閉狀態(tài)，起隔離閥作用。目前，該產(chǎn)品已完成相關(guān)爆破試驗(yàn)、熱循環(huán)試驗(yàn)及力學(xué)驗(yàn)證試驗(yàn)。

圖6 AAS-I公司壓電式比例流量控制閥Fig.6 AAS-I piezoelectric proportional flow control valve

（3）印度LPSC公司產(chǎn)品

針對(duì)小型化、輕量化電推進(jìn)系統(tǒng)研制要求，印度液體推進(jìn)系統(tǒng)中心（Liquid Propulsion Systems Center，LPSC）研制了基于壓電陶瓷材料的比例流量控制閥[24-25]，如圖7所示。

圖7 LPSC公司壓電式比例流量控制閥實(shí)物及剖面圖Fig.7 LPSC piezoelectric proportional flow control valve in kind and profile

如圖7所示，該控制閥核心元件是：（a）AISI 440C不銹鋼基座；（b）鎢碳合金球頭。不銹鋼基座與合金球頭具有良好的密封接觸面，從而滿足閥門整體的漏率要求。在此基礎(chǔ)上，采用一套C75S材質(zhì)的盤形不銹鋼彈簧（c），用于為不銹鋼基座與合金球頭密封所需提供預(yù)緊力的同時(shí)，為壓電陶瓷環(huán)（d）提供預(yù)緊載荷。

該產(chǎn)品的主要技術(shù)特點(diǎn)：1）控制閥中堆疊起來的壓電陶瓷環(huán)受盤形不銹鋼彈簧產(chǎn)生的預(yù)緊壓力；2）采用無約束的高精度硬質(zhì)鎢碳合金球頭和不銹鋼基座實(shí)現(xiàn)球面間的硬接觸密封，以提高閥門抵抗多余物的能力，同時(shí)球頭在有限的空間內(nèi)可自由轉(zhuǎn)動(dòng)，從而將球頭與不銹鋼基座頻繁接觸的磨損降至最低；3）盤形不銹鋼彈簧所受極限應(yīng)力遠(yuǎn)低于其屈服應(yīng)力強(qiáng)度；4）使用與壓電陶瓷材料熱膨脹系數(shù)相接近的材料，以盡量減小熱因素導(dǎo)致的流量及閥體載荷的變化。目前，該產(chǎn)品的啟閉次數(shù)壽命試驗(yàn)已達(dá)到45 000次，并完成了不同環(huán)境溫度下的流量調(diào)節(jié)性能測(cè)試試驗(yàn)。

2.3 電熱式比例流量控制閥

利用推進(jìn)劑氙氣黏性隨溫度變化明顯和毛細(xì)管節(jié)流原理的特性，Marotta公司設(shè)計(jì)了基于溫控結(jié)構(gòu)形式的比例流量控制閥，如圖8所示。

圖8 基于溫控結(jié)構(gòu)形式的比例流量控制閥Fig.8 Proportional flow control valve based on temperatrue control structure

該控制閥通過對(duì)毛細(xì)管通電加熱改變其內(nèi)部氙氣的黏度和密度等特性，使得其流阻特性發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑流量隨溫度的升高而比例下降的目標(biāo)，并最終實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑流量的精準(zhǔn)變化。截止目前，采用基于溫控結(jié)構(gòu)比例流量控制閥的ROS 2000等離子體電推力器貯供單元已通過鑒定級(jí)熱真空試驗(yàn)和力學(xué)試驗(yàn)。圖9為ROS 2000等離子體電推力器貯供單元。

圖9 ROS 2000等離子體電推力器貯供單元Fig.9 ROS 2000 plasma thruster for storage unit

3 國(guó)內(nèi)比例流量控制閥研究

國(guó)內(nèi)比例流量控制閥已在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃料噴嘴[26]及航空發(fā)動(dòng)機(jī)高速開關(guān)閥[27-28]中得到廣泛應(yīng)用，但該控制閥的流量控制精度、響應(yīng)時(shí)間及重量遠(yuǎn)不能滿足電推力器的在軌空間應(yīng)用需求。

目前，針對(duì)電推力器推力寬范圍連續(xù)可調(diào)等空間應(yīng)用需求，北京控制工程研究所、蘭州空間技術(shù)物理研究所及六院西安航天動(dòng)力研究所、上?？臻g推進(jìn)研究所均開展了比例流量控制閥的研制，但尚未發(fā)現(xiàn)相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)報(bào)到，相關(guān)研究多停留在關(guān)鍵技術(shù)鞏固階段，產(chǎn)品技術(shù)成熟度遠(yuǎn)不能滿足開展空間環(huán)境應(yīng)用的要求。圖10為北京控制工程研究所研制的基于壓電陶瓷材料的比例流量控制閥原理樣機(jī)。

圖10 壓電式比例流量控制閥原理樣機(jī)Fig.10 Piezoelectric proportional flow control valve prototype

4 比例流量控制閥發(fā)展

隨著航天器軌道機(jī)動(dòng)任務(wù)的日趨多樣化及復(fù)雜化，電推力器的應(yīng)用已成為多類航天器空間任務(wù)成敗的關(guān)鍵和基礎(chǔ)，而基于比例流量控制閥的電推力器氣體比例流量控制技術(shù)將是未來空間基礎(chǔ)科學(xué)試驗(yàn)、超低擾動(dòng)無阻尼控制及精確姿態(tài)和位置控制的支撐技術(shù)，同時(shí)也是電推力器貯供單元實(shí)現(xiàn)整機(jī)小型化與輕量化的核心技術(shù)。

根據(jù)國(guó)外重力場(chǎng)測(cè)量電推力器技術(shù)發(fā)展情況和我國(guó)電推力器技術(shù)應(yīng)用需求，我國(guó)基于比例流量控制閥的電推力器氣體比例流量控制技術(shù)發(fā)展，應(yīng)當(dāng)緊密結(jié)合未來地球重力場(chǎng)測(cè)量衛(wèi)星使命需求和中低軌道航天器阻尼補(bǔ)償應(yīng)用需求，以此為基本目標(biāo)，同時(shí)也兼顧深空探測(cè)變推力等其他使命航天器的應(yīng)用。

從國(guó)內(nèi)外比例流量控制閥的發(fā)展現(xiàn)狀來看，國(guó)際上已形成磁致驅(qū)動(dòng)型和壓電驅(qū)動(dòng)型兩大比例流量控制閥產(chǎn)品，其中美國(guó)Moog公司的磁致驅(qū)動(dòng)型比例流量控制閥產(chǎn)品成熟度最高，其余相關(guān)國(guó)家雖均取得了一定成績(jī)，但其產(chǎn)品遠(yuǎn)不能滿足電推力器開展空間環(huán)境應(yīng)用的需求，還存在比例流量控制閥長(zhǎng)期安全、可靠、穩(wěn)定供氣的多種因素制約，而這些因素也成為進(jìn)一步研究工作的主要立足點(diǎn)。到目前為止，比例流量控制閥研制主要存在的問題有三個(gè)方面：

（1）產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面。比例流量控制閥的工作過程包含電、磁、力、熱等多種物理場(chǎng)的交互與轉(zhuǎn)換，因此產(chǎn)品設(shè)計(jì)中需考慮各種因素的影響作用關(guān)系，識(shí)別并提出關(guān)鍵參數(shù)，及各參數(shù)間的平衡成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。但相關(guān)理論分析的缺失導(dǎo)致產(chǎn)品設(shè)計(jì)隨意性較大，直接影響到產(chǎn)品最終性能的指標(biāo)滿足性和可實(shí)現(xiàn)性；

（2）加工制造方面。比例流量控制閥屬于精密部件，產(chǎn)品零件的精密加工是所有功能設(shè)計(jì)的落腳點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)其密封的可靠性和氣體流量調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性，部分零件的加工精度要求極高，而受傳統(tǒng)制造工藝水平的限制，比例流量控制閥的高精密加工制造受到嚴(yán)重制約；

（3）組裝測(cè)試方面。比例流量控制閥零件裝配對(duì)環(huán)境潔凈度要求極高，其性能測(cè)試則需配套高靈敏度的質(zhì)量流量計(jì)、相應(yīng)的控制算法及真空試驗(yàn)系統(tǒng)，相關(guān)要求的高標(biāo)準(zhǔn)、高起點(diǎn)給比例流量控制閥的研制帶來極大困難。

針對(duì)目前國(guó)內(nèi)外比例流量控制閥的研究現(xiàn)狀以及存在的問題，基于比例流量控制閥的電推力器氣體比例流量控制技術(shù)的研究重點(diǎn)和技術(shù)發(fā)展有四個(gè)方面：

（1）進(jìn)一步深入研究比例流量控制閥驅(qū)動(dòng)材料對(duì)閥門性能的影響作用機(jī)理，構(gòu)建比例流量控制閥關(guān)鍵性能敏感參數(shù)集及合理有效的性能評(píng)價(jià)體系與方法，確定不同流量需求下的比例流量控制閥設(shè)計(jì)參數(shù)的合理區(qū)間，有效支持比例流量控制閥的設(shè)計(jì)；

（2）科學(xué)界定比例流量控制閥零件加工工藝方法，并利用有效的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和合理的配合尺寸鏈，在不影響比例流量控制閥產(chǎn)品整體性能的基礎(chǔ)上，采取全新的產(chǎn)品制造思想，顛覆傳統(tǒng)制造技術(shù)的束縛，集成應(yīng)用先進(jìn)制造技術(shù)，有效支撐比例流量控制閥的制造；

（3）開展電推力器推進(jìn)劑流量調(diào)節(jié)要求和基于比例流量控制閥的貯供單元推進(jìn)劑調(diào)節(jié)能力間的順應(yīng)性研究，建立基于拓?fù)湫阅茉u(píng)價(jià)模型的比例流量控制閥的控制算法，以有效支持比例流量控制閥的調(diào)控；

（4）以現(xiàn)有成熟技術(shù)為基礎(chǔ)，緊貼任務(wù)需求，采取強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合的方式，并充分借鑒和繼承國(guó)外電推力器用氣體比例流量控制技術(shù)方面的先進(jìn)水平是實(shí)現(xiàn)電推力器氣體比例流量控制的有效措施。

5 結(jié)論

氣體的比例流量控制是航天器在軌期間得以高精度姿軌控機(jī)動(dòng)和無阻尼調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)和核心，也是貯供單元小型化、輕量化的關(guān)鍵。針對(duì)國(guó)內(nèi)未來航天使命應(yīng)用需求，開展比例流量控制閥設(shè)計(jì)、制造及測(cè)試等相關(guān)的基礎(chǔ)理論方法與關(guān)鍵支撐技術(shù)研究在學(xué)術(shù)方面和技術(shù)經(jīng)濟(jì)方面都有十分重要的作用。

[1]張?zhí)炱?，田華兵，孫運(yùn)奎.離子推進(jìn)系統(tǒng)用于GEO衛(wèi)星南北位保使命的能力與效益[J].真空與低溫，2010，16（2）：72-77.

[2]Wilson F，Hoskins A，Monheiser J，et al.Overview of ion pro?pulsion system development at Aerojet Redmond[C]//40thAIAA Joint Propulsion Conference and Exhibit，2004：3966.

[3]Ganapathi G，Engelbrecht C.Post-launch performance char?acterization of the xenon feed system on deep space one[C]// 35thJoint Propulsion Conference and Exhibit，1999：2273.

[4]Scott W B，Michael J P.Development status of next：NASA’s evolutionary xenon thruster[R].IEPC，2003.

[5]Randall S A，Jeff M，Elizabeth A D，et al.Development status of the NEXT propellant management system[R].AIAA，2004.

[6]Randall S A，Carl S E，Gani B G，et al.Xenon propellant man?agement system for 40 cm NEXT ion thruster[R].AIAA，2003.

[7]楊福全，孫運(yùn)奎，高軍.離子推力器流率調(diào)節(jié)熱節(jié)流器性能測(cè)試[J].真空與低溫，2011，17（3）：170-175.

[8]楊福全，高軍，顧左.多孔金屬材料在微小流量節(jié)流器上的應(yīng)用[J].粉末冶金工業(yè)，2007，17（1）：34-37.

[9]胡竟，楊福全，孫運(yùn)奎，等.用多孔塞片實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑微小流率的控制[J].航天器環(huán)境工程，2015，32（1）：95-98.

[10]Arkhipov B，Khoromsky I，Murashko V.problems of designing EPSs with SPTs working on krypton-xenon[R].AIAA，2002.

[11]Day M，Maslennikov N A，Rogers W P.SPT-100 Subsystem Development Status and Plan[R].AIAA，1994.

[12]Pidgeon D，Hoeber C，Day M.system benefits and satellite ac?commodations of the stationary plasma thruster[R].AIAA，1994.

[13]David M P.continuing development of the proportional flow control valve（PFCV）for electric propulsion systems[R]. IEPC，2007.

[14]Edward DB，Paul TK，Carl E，et al.Axenon flowrate control?ler for hall current thruster applications[R].IEPC，2007.

[15]Michael F O，Christopher J N.high performance xenon flow system（XFS）optimized for low mass，volume and cost[R]. AIAA，2009.

[16]Johnny A J，Miguel A M.the four candidate earth explorer core missions：gravity field and steady-state ocean circula?tion[R].ESASP，1999.

[17]Mark H，Huw S，Javier P J.QinetiQ’s T6 and T5 ion thruster electric propulsion system architectures and performances [R].IEPC，2015.

[18]Joseph KB，Paul TK.Xenon feed system progress[R].AIAA，2006.

[19]Peter S.xenon flow control unit development and qualifica?tion programme[R].AIAA，2006.

[20]Robert S，Butler G W，Duff B，et al.Evaluation of proportion?al flow control valves for potential use in electric propulsion feed systems[R].AIAA，2000.

[21]Schappell D T，McLean C H.Multi-function valve extended development testing[R].AIAA，1999.

[22]Robert S.Marotta multi-function valve test report[R].JPL Test Report，1999.

[23]Matticari G，Noci G E，Siciliano P，et al.Next generation pro?pellant flow control components for electric propulsion sys?tems：Status of achievements at Alcatel Alenia Space Italia/ Laben-Proel[R].IEPC，2005.

[24]Chitnis V D，Shanbhouge K M，Prasad M V N，et al.Design，Development and Performance study of Piezoelectric Micro?valve for Electric Propulsion System[R].IEPC，2015.

[25]Yagnanarayana M.Xenon flow control system for ion thrusters [R].AIAA，2009.

[26]項(xiàng)占琴，呂福在.高速?gòu)?qiáng)力電磁閥在柴油機(jī)電噴系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2000，21（3）：7-13.

[27]石延平，張永忠，劉成文.超磁致式高速開關(guān)閥的研究與設(shè)計(jì)[J].中國(guó)機(jī)械工程，2003，14（21）：1824-1826.

[28]石延平，張永忠.一種基于超磁致伸縮效應(yīng)的新型液壓高速開關(guān)閥的研究[J].工程機(jī)械，2004，35（1）：26-28.

PRESENT STATUS AND EXPECTATION OF PROPOORTIONAL FLOW CONTROL VALVES FOR ELECTRIC THRUSTER

HU Jing，ZHANG Tian-ping，YANG Fu-quan，LI Pei
（Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou 730000，China）

Aiming at the requirements for high-precision of attitude and orbit control mechanism and undamped adjustment of spacecraft in orbit，proportional flow control valve must be used in the propellant feed unit of electric thruster. It is possible to regulate propellant flow in a high-precision，low-noise and wide way.Strain properties for materials and throttling effort of micro-flow channels are employed to achieve rapid，stable and continuously adjustment of propellant by adjusting and controlling the material strain to change the size of the flow channel structure.Based on the domestic space mission application requirements in the future，this thesis introduces the development of proportional flow control valve and analysis its trend to provide guidance on its development.

electric thruster；proportional flow control valve；magnetostrictive materials；piezoelectric ceramic materials

V439+.1

A

1006-7086（2017）01-0013-07

10.3969/j.issn.1006-7086.2017.01.003

2016-06-14

真空低溫技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金（9140C550206130C5503）

胡竟（1988-），男，寧夏吳忠人，工程師，碩士，主要從事放電等離子電推力器技術(shù)與應(yīng)用工作。E-mail：hjing37615486@163.com。