电位主动控制试验装置供给单元的研制

范旭丰，官长斌，张 良，李恒建，刘庆海，孙立志

（1.北京控制工程研究所；2.北京市高效能及绿色宇航推进工程技术研究中心；3.北京卫星环境工程研究所：北京100094）

0 引言

低地球轨道空间充斥着低温等离子体，其温度为2000～3000 K，密度为10～10m，航天器与空间等离子体相互作用，两者间可产生高达几百伏的电势差，给航天员出舱和载人飞船对接等空间作业带来安全隐患，而表面涂敷、分区接地等被动电位控制方法无法防护高电势差带来的安全隐患。因此，航天器表面电位主动控制技术对保障航天器安全具有重要意义，国际空间站和俄罗斯“和平号”空间站都成功应用了主动电位控制技术。

我国货运飞船搭载了新型电位主动控制试验装置。该装置采用螺旋波电离的方式实现气体电离，具有电离率高、结构简单可靠、适用于多种气体的特点。氩气作为最易于获得并可安全长期储存的惰性气体，被选作电离工质。

供给单元是该电位主动控制试验装置必不可少的组成部分，其与电推进储供单元类似，需要实现惰性气体的长期储存和微流量输出，但供气组件体积更小、结构更为紧凑、重量更轻、集成度更高，同时对泄漏率的要求也更为苛刻。

本文将对新型电位主动控制试验装置供给单元的任务需求、原理方案及试验验证情况进行介绍。

1 需求概述

货运飞船搭载任务要求新型电位主动控制试验装置位于航天器舱壁外，试验装置外有金属壳保护，金属壳与航天器外壁电位保持一致。供给单元位于试验装置内。

供给单元需求包括：尺寸为250 mm×172 mm×100 mm；环境温度范围为-20～50℃；输出氩气流量指标范围为5～50 sccm（25 ℃±5 ℃）；漏率（内、外漏叠加的综合漏率）≤1×10Pa·L·s；在轨储存6个月后有效工作时间≥180 s。

供给单元研制的主要技术难点包括：1）携带氩气工质有限且工作温度范围宽，漏率指标要求高（通常推进系统单机内漏率约为1×10Pa·L·s，而供给单元内、外漏率叠加要求≤1×10Pa·L·s，高出传统推进产品漏率指标2个量级）；2）结构紧凑，集成度高；3）微流量输出。

2 原理及方案介绍

2.1 工作原理

供给单元采用落压方式工作。氩气在供给单元中需要经过电磁阀1（等效流通面积为A）、电磁阀2（等效流通面积为A）和流量控制器（等效流通面积为A），然后进入真空环境（放电装置），如图1所示。通过迷宫型流量控制器的节流作用，可以实现微流量输出，且输出流量与流量控制器上游压力相关。选用电磁阀1和电磁阀2串联，一方面可以通过Bang-Bang 控制调节流量控制器上游压力；另一方面有利于保证供给单元具有较低的漏率。

图1 供给单元气路原理Fig.1 Gas path of the supply unit

若假设图1中A为单位流通面积，则由产品参数计算得出2个电磁阀的等效流通面积A=A=25A；流量控制器为迷宫孔板节流装置，其等效流通面积A相当于160个A串联。即流量控制器的通流能力远小于电磁阀。因而，可以忽略电磁阀，仅考虑流量控制器的节流作用。流量控制器的上游压力P等效于气瓶压力P，即P=P；在一定温度范围内，流量控制器的输出流量随上游压力而改变。因此，在给定温度下，供给单元的输出流量仅取决于气瓶压力。

在供给单元工作过程中，仅电磁阀内有活动部件。当电磁阀打开时，气瓶中的氩气流经电磁阀1、电磁阀2和流量控制器输出给放电装置。通过控制电磁阀1和电磁阀2的动作时序，可以调节流量控制器上游的工作压力，进而实现输出流量的调节。

2.2 结构方案选择

供给单元采用落压工作方式，所需单机种类和数量最少，可较好地满足结构紧凑、集成度高的任务需求。除气瓶根据空间约束重新研制外，其余单机产品均选择同类中成熟度高、体积小、重量轻的产品。供给单元结构如图2所示，集成了气瓶、压力传感器、加排阀、电磁阀和流量控制器等产品。

图2 供给单元三维结构Fig.2 Three dimensional structure of the supply unit

各单机产品的作用如下：

1）气瓶：储存气体介质，在外漏率检测环节储存氦气作为检漏工质，其余时间均储存氩气作为电位控制工质。供给单元交付前，将氩气瓶充入规定压力的氩气。因流量控制器最高工作压力不能超过1 MPa，所以气瓶按照1 MPa 最大工作压力设计。

2）压力传感器：监测气瓶压力，将气瓶压力转化为电信号反馈给控制系统。

3）加排阀：气体介质的加注与排放。

4）电磁阀：控制气体介质的流动。电磁阀为常闭状态，仅当通电时处于打开状态。电磁阀的密封副采用金属对非金属的软密封结构，为保证密封可靠，采用2个电磁阀串联的方式保证供给单元在空间储存过程中的外漏率指标满足技术要求。

5）流量控制器：实现氩气微流量输出。

2.3 供给单元连接方式的确定

供给单元环境温度范围为-20～50℃，气瓶的容积仅为0.75 L。为了保证在轨储存6个月后，仍可以满足任务要求的工作时间，供给单元必须具备良好的外漏率特性。在产品连接时采用了成熟可靠的焊接和球头-锥面硬密封结构。

除压力传感器外，所有单机产品均与管路通过氩弧焊焊接在一起，如图3所示。对焊的管A 和管B分别有L的长度被管焊钳包住。根据所选管焊钳的规格，L=12.5 mm。

图3 管路焊接示意Fig.3 Schematic diagram of pipelinewelding

以图4所示两通为例，为满足管焊钳的最小夹持要求，直角通最小尺寸为22.5 mm×22.5 mm，由于弯管结构最小弯曲半径至少为管径的4倍，所以采用弯管的最小尺寸为36.5 mm×36.5 mm，直角通尺寸显著小于弯管的尺寸。在供给单元布局时采用直角通可以使结构更加紧凑，能更好地满足空间约束要求。

图4 适应管焊钳的直角通与弯管最小尺寸比较Fig.4 Comparison of the minimum size between the rightangle connector and the elbow tube

3 试验和计算说明

3.1 漏率试验

漏率是供给单元研制过程中的一项重要指标。若泄漏超标，会导致气瓶压力过低，输出氩气流量不足，搭载任务失败。

力学振动试验和热试验可能会对供给单元的漏率产生影响，因而在供给单元研制过程中，分别在组件焊装完成后和环境试验后设置了漏率检测。

漏率检测时，气瓶内充入1 MPa 氦气。外漏率检测原理如图5所示，实际检测结果为内漏率与外漏率叠加的综合漏率值。

图5 外漏率检测原理Fig.5 Principle of leak detection

2次漏率检测工作均在北京卫星环境工程研究所完成。试验采用JLR1600高低温检漏试验设备（图6）、PHOENIX L300i 氦质谱检漏仪和LK-6标准漏孔。2次漏率检测的数据见表1，可以发现，环境试验前后供给单元的漏率无显著变化，且均为10～10量级，满足指标（≤1×10Pa·L·s）要求，说明供给单元漏率指标能适应空间环境条件。

图6 供给单元在高低温检漏设备内Fig.6 Supply unit in high and low temperature leak detection equipment

表1 供给单元漏率检测数据Table 1 External leakagerate of thesupply unit

3.2 在轨储存和输出流量计算

供给单元采用落压工作方式，其漏率Q 的计算公式为

式中：U 为流导；P为气瓶压力；P为供给单元外压力，近似为真空。

由于泄漏的存在，气瓶内的气体压力P将随时间逐渐降低，由式(1)可知漏率也随之降低。根据表1的实测漏率数据，综合考虑温度的影响，取供给单元的漏率Q 为常值1×10Pa·L·s，利用

计算出在轨储存6个月后的气瓶压力P=0.979 MPa（初始时刻气瓶压力为P=1 MPa）。式(2)中V 为气瓶容积，V=0.75 L。

结合流量控制器的输出特性，计算了供给单元在轨储存6个月后的气瓶压力与输出流量随工作时间的变化，如图7 所示。结果表明，在轨储存6个月后，供给单元仍可以保证在输出氩气流量满足指标要求（5～50 sccm）的工况下工作约360 s，满足工作时间≥180 s的任务需求。

图7 在轨6个月后气瓶压力与输出流量随工作时间的变化Fig.7 The change of cylinder pressure and output flow rate against working time after 6 months in orbit

4 结束语

设计研制的新型电位主动控制试验装置供给单元在有限空间内集成了气瓶、加排阀、压力传感器、电磁阀、流量控制器等产品，具有氩气储存和微流量输出的功能。该供给单元的实测漏率数据为10～10量级，满足指标（≤1×10Pa·L·s）要求。根据实测漏率数据和流量控制器的流量输出特性，建立供给单元输出氩气流量、气瓶压力随工作时间变化的数学模型，计算得出供给单元在轨储存6个月后的有效工作时间约为360 s，满足工作时间≥180 s的任务需求。