用多孔塞片实现推进剂微小流率的控制

胡 竟，杨福全，孙运奎，王小永

（兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理重点实验室，兰州 730000）

0 引言

电推力器利用电能对推进剂电离并加速喷射而产生推力，其喷射速度比传统化学推进高很多，可极大地减少卫星在轨期间的推进剂需求量[1]。为我国空间站轨道保持任务而研制的10 cm 霍尔推力器，其放电室、阴极的推进剂设计流率分别为(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复杂。在推力器地面试验期间，一般采用商用流量控制器，并配置一套复杂的测量和电路控制系统来实现。因此，利用该方 法进行流量控制难以满足空间应用的需求。为了既能实现推进剂微小流量的精确控制，又使得流量控制器体积小、质量轻，简单可靠，需要采用其他的流量控制技术。

鉴于粉末冶金的多孔特性，可以利用其进行微小流量的调节控制。多孔金属具有良好的机械加工性能，可以用来制作具有节流能力的多孔金属塞片。

本文利用小孔节流原理和氙气黏性随温度变化明显的特性，采用粉末冶金多孔金属塞片作为节流元件，开展了10 cm 霍尔推力器推进剂微小流率的控制研究。

1 微小流量控制器

1.1 方案选择

粉末冶金多孔金属塞片适宜在较高或超低的工作温度和热冲击环境下长期工作[2-3]。同时，通过基材结构、微孔结构、外型结构等多种调整手段调节多孔金属的孔径与孔隙，可有效地控制孔的形貌和结构。鉴于霍尔推力器的放电室、阴极所需的推进剂流率均很小，同时对流率的稳定性、控制精度要求较高，而传统的节流装置（孔板、文丘利管）[4-6]在微小流量控制的应用过程中存在结构不紧凑、难加工的问题，综合考虑机械强度、焊接性能及空间应用环境等多方面因素，决定选择粉末冶金多孔金属塞片作为微小流量控制元件，制成微小流量控制器。

1.2 控制器的结构及调节原理

1.2.1 结构组成

利用粉末冶金多孔金属塞片制作的流量控制器的结构示意图如图1所示，由推进剂进/出气口、外壳、隔热环、加热器及流阻器组成，其中流阻器就是多孔金属塞片。

图1 流量控制器结构示意图 Fig.1 Schematic diagram of the flow controller

1.2.2 流阻器的调节原理及设计参数

对于控制器的结构而言，在进气口工作压力确定的情况下，推进剂流率只与流过流阻器的推进剂温度有关。

假设流阻器的每个毛细孔都直接连通且直径相等，则其推进剂流率为[7-8]

已知霍尔推力器的放电室、阴极正常工作所需的推进剂流率为，得到放电室、阴极流阻器的有效通流面积为

假设流阻器的孔隙度为ε，为得到要求的流率，实际需要的放电室、阴极流阻器的节流面积为

针对霍尔推力器放电室、阴极正常工作的推进剂流率要求，结合上述分析，流量控制器工作加热温度设计为85 ℃，推进剂稳压罐内温度为30 ℃，进气口压力为(0.35±2%)MPa，出气口压力控制在10 Pa 以下，针对这些参数要求设计了 2 个流阻器：阴极流阻器的孔隙率为15%，厚度为1 mm，有效通流面积为7.89 mm2；放电室流阻器的孔隙率为25%，厚度为1 mm，有效通流面积为9.51 mm2。

1.2.3 加热器的调节控制

为了达到通过温度调节实现推进剂微小流率精确控制的目的，流量控制器必须进行温度控制。流量控制器在轨期间的工作环境温度为 5～50 ℃，控制温度须高于其工作环境温度。因此，加热器的加热温度设计为50～120 ℃，控制方式为PID 调节；采用具有一定阻值的阻性负载，并接通恒定的电流；利用Pt100 薄膜热敏电阻测量加热温度。图2所示为流量控制器的加热器控制原理图。加热器选用结构紧凑、加热效率高、具有良好的绝缘性及物理性能的铠装加热丝。

图2 加热器控制原理图 Fig.2 Control principle of the heater

2 试验验证

2.1 结构性能的验证

为确保流量控制器在轨期间的结构性能满足使用要求，需对其整体结构开展力学试验。针对卫星发射阶段、星箭分离阶段以及空间在轨运行阶段的力学环境，对流量控制器进行了22g最大量级的冲击试验和总方均根加速度为16.5g的振动试验。

在上述试验的基础上，结合流量控制器在轨运行阶段的热环境，开展了热循环试验。包括温度为70 ℃、180 h 连续带电状态下的高温浸泡试验；高温段为60 ℃、低温段为-25 ℃，高温段、低温段各进行6 h 的带电状态下的循环试验，循环次数达到18.5 次。

对经历力学环境试验、热环境试验考核的流量控制器的测试表明，加热器、流阻器均能正常工作，其气密性优于1×10-6Pa·m3/s，各项性能均满足设计指标要求。

2.2 流率控制性能的验证

在完成试验验证的基础上，需对流量控制器微小流率精确控制性能进行验证。图3所示为流量控制器推进剂流率测试系统的测试原理框图。

图3 流量控制器推进剂流率测试系统测试原理 Fig.3 Principle of the propellant flow testing system

采用如图3所示的测试系统对流量控制器的推进剂微小流率进行测试。结合10 cm 霍尔推力器推进剂微小流率的设计要求，在验证测试中将流量控制器的入口压力控制在(0.35±2%)MPa 的范围内，其出口与真空室相连接，并确保压力控制在10 Pa 以下，利用测试系统的PID 调节方式控制加热器。以阴极流量控制器为例，图4所示为结构性能试验前后阴极流量控制器推进剂流率变化曲线。

如图4所示，在设计加热温度点85 ℃附近，结构性能验证后的流量控制器的推进剂流率由性能验证前的0.302 mg/s 变为0.301 mg/s，考虑系统测试误差等因素，流率性能基本保持稳定。同时，根据该曲线可以发现，阴极的流量控制器能够在50～90 ℃较宽温度范围内实现不同流率的实时调节。

图4 结构性能验证前后阴极流量控制器推进剂流率 测试曲线 Fig.4 The propellant flow of the cathode flow controller before and after the structural performance validation test

3 结束语

采用粉末冶金多孔金属塞片作为节流元件研制了流量控制器，并进行了力学环境和热环境试验，同时对结构性能验证试验前后的流量控制器进行了流率测试。测试结果表明，试验前后推进剂流率保持稳定，与设计要求符合性较好。该流量控制器可在较宽的温度范围内实现不同流率的实时调节，从而可满足推力器在轨期间不同工作状态的流率需求，具有较强的适应性和调节性。目前，基于该控制原理的流量控制器已应用到某卫星工程项目的10 cm 霍尔推力器中，并顺利完成地面测试、试验，即将开展在轨飞行验证。

（References）

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