空間推力器熱控設施的設計

空間推力器熱控設施的設計

1空間推力器實現(xiàn)與地球監(jiān)控的有機結合在分離承載工具進入空間后，該探測器的機動性完全依賴于其自身配置的空間推進器所提供的動力。航天器推進系統(tǒng)工作環(huán)境是地球大氣層以外的宇宙空間，此前還要經(jīng)歷從地球到運行軌道的過渡，所處的熱環(huán)境完全不同于地面2空間過載探測器的熱控制需求空間推力器一般有以下幾種類型2.1單組元推力器目前，單組元推力器廣泛采用肼作為推進劑。肼在正常狀態(tài)下穩(wěn)定，須在一定溫度環(huán)境中與催化劑接觸分解或在更高溫度下直接分解，產(chǎn)生高溫氣體，故又稱為催化分解或電熱分解推力器，其提供的推力雖然較小，但適合用于精密的姿態(tài)和軌道控制，在國內(nèi)外航天器姿態(tài)和軌道控制上得到最廣泛的應用單組元推力器的主要優(yōu)點是：結構相對簡單，可靠性高，技術成熟，成本低，應用廣泛，是一類非常重要的空間推進系統(tǒng)。對于空間推力器總沖要求較小（<2.5×10在常用的單組元肼推力器中，肼的分解反應需要催化條件。單組元肼催化分解式推力器的基本結構如圖1所示肼的催化分解技術對催化劑要求苛刻，不僅需要其具有催化活性和大的表面積，而且要求耐高溫、抗熱震、不易毒化，通常采用表面鍍有貴金屬材料的多孔陶瓷顆粒制成。在低于一定溫度下與肼的接觸反應稱為冷啟動，這種條件下催化劑極易粉化，而催化劑的損傷會極大地限制推力器的工作壽命。為此，在單組元肼催化分解式推力器上，必須通過熱控使催化床維持一定的熱啟動溫度2.2雙組元推進系統(tǒng)在今后較長時期內(nèi)仍是主導雙組元推力器主要采用四氧化二氮/甲基肼作為推進劑，其比沖壽命和沖量特性都比單組元推進系統(tǒng)高。自20世紀80年代初“交響樂”衛(wèi)星飛行成功以來，雙組元統(tǒng)一推進系統(tǒng)已成為當今衛(wèi)星推進系統(tǒng)的主流，其高性能比沖是當今大型長壽命衛(wèi)星普遍采用的主要原因，如美國休斯601系列衛(wèi)星平臺、勞拉空間公司1300系列平臺、法國SPACE-Bus3000系列衛(wèi)星平臺等。雙組元推進系統(tǒng)在今后較長時期內(nèi)仍是商用衛(wèi)星的首選推力器能否按程序指令正常點火是推力器正常工作最基本要求，而保持雙組元推進劑（燃料和氧化劑）的及時供給則是重要前提。處于低溫空間環(huán)境中的雙組元推力器，其噴注器位于推力器的頭部，在噴注器以及電磁閥中一般含有多組推進劑流道，當它們的溫度低于推進劑的冰點時，可能使推進劑發(fā)生凍結而致推力器無法工作因此，保證雙組元推進劑處于一定工作溫度范圍，是推力器按指令點火的必要條件圖2(a）為490N雙組元推力器照片，圖2(b）為10N雙組元推力器示意圖2.3電磁線及其視頻系統(tǒng)的工作原理電推進推力器是將來自電源系統(tǒng)的電能轉化成離子體動能的動力裝置，根據(jù)能源轉換方式，可分為電熱式、電磁式和靜電式三類圖3為霍爾推力器照片及其空心陰極的示意圖霍爾推力器主要包括放電室、陽極、空心陰極和磁路系統(tǒng)，工作原理是：空心陰極發(fā)射的電子在徑向磁場和軸向電場的共同作用下，與放電室中的推進劑分子碰撞電離，沿軸向加速等離子體使之高速噴出產(chǎn)生推力；同時，空心陰極發(fā)射電子將噴出的離子中和?？招年帢O既作主陰極，又作中和器，是霍爾推力器中的關鍵構件，主要包括觸持極、發(fā)射體、加熱元件和支架等3法律和熱控器件的選擇空間推力器的熱控設施一般包括加熱裝置、測溫裝置、保溫裝置以及控制電路和溫度遙測系統(tǒng)等。熱控設施中的電加熱裝置是最關鍵的部件，因為它不僅要利用航天器上分配的有限寶貴能源，長期維持推力器所要求的熱控溫度，而且還要在推力器點火后產(chǎn)生的高溫環(huán)境中，保持穩(wěn)定的電熱性能，尤其要保證自身的電絕緣性能，以確保熱控設施長期工作和推力器頻繁點火，更要防止星上電路受到損害。根據(jù)航天器推進系統(tǒng)的特點和工程要求，空間推力器的熱控設施一般采用獨立成件和模塊組裝的方式，其中鎧裝熱控器件是制備加熱裝置和測溫裝置的最優(yōu)選擇。鎧裝熱控器件依據(jù)其功能、技術特點、性能指標和外型可以分為六類：鎧裝加熱電纜、管式鎧裝加熱器、鎧裝測溫傳感器、異形鎧裝加熱器、鎧裝熱控組件和一體化加熱器。3.1特征參數(shù)的選取鎧裝加熱電纜（也稱礦物絕緣加熱電纜）包括發(fā)熱芯、絕緣材料和金屬套管，從結構上說，發(fā)熱芯在最內(nèi)層，其外是絕緣層，絕緣層外是金屬保護套管；從材料上說，發(fā)熱芯多選擇Ni80Cr20電熱合金絲，絕緣材料為氧化鎂，套管多為不銹鋼。鎧裝加熱電纜的主要制作過程：氧化鎂粉燒結成為中心帶孔的瓷柱；發(fā)熱直絲、氧化鎂瓷柱與金屬套管穿裝組合在一起；經(jīng)多次拉擠成型。鎧裝加熱電纜的氧化鎂粉層密實，發(fā)熱線芯、氧化鎂粉與金屬外護套之間緊密接觸，幾乎成為一個整體。其最大制造長度可以達幾百米，因而其散熱表面積可以人為的控制，降低了其表面功率密度。另外，其直徑細（最細外徑為lmm），機械柔韌性好，可以方便地彎曲加工成各種形狀或隨受熱設備的外形變化而緊密貼近，傳熱效率高。鎧裝加熱電纜是一項成熟技術，被廣泛應用于多個工業(yè)領域圖4(a）為鎧裝加熱電纜的截面示意圖，圖4(b）為鎧裝加熱電纜的照片。在空間推力器熱控設施中，鎧裝加熱電纜應用于尺寸較大的單組元推力器催化床和雙組元推力器法蘭盤上，其主要技術參數(shù)為：電纜外徑1mm，米電阻40Ω，絕緣性能20MΩ/250VD.C.。鎧裝加熱電纜的最大缺陷是單位長度上電阻低，星上電源需降壓后方能使用，高電壓、低功率、集中加熱、小空間配置是其應用難點；吸潮性、絕緣性能、備份配置、安裝工藝等方面也均存在不足。上述問題的存在限制了鎧裝加熱電纜在空間推力器熱控上的應用，近年來有逐步被其他類型的鎧裝加熱器所取代的趨勢。法國Thermocoax公司生產(chǎn)的鎧裝加熱電纜結構更精細，保護管中可以包含2根或4根加熱絲，形成1個或2個加熱回路，既有利于提高加熱效率，又便于安裝，但可靠性和壽命會有所降低。3.2復合穩(wěn)定性設計在管式表現(xiàn)中的應用對于低軌航天器的小推力姿、軌控單組元推力器，由于推力室催化床尺寸小、允用加熱功率低、額定工作電壓高，通常在其上纏繞鎧裝加熱電纜的方案已無法實現(xiàn)，這類推力器的熱控必須選用專門研制的管式鎧裝加熱器管式鎧裝加熱器的外型是依據(jù)小型推力器的形狀尺寸和加熱功率應集中于催化床的要求而設計的，見圖5。為配合管式鎧裝加熱器的安裝，在推力器反應室（催化床）外壁加工出半圓形的安裝臺，其長度與管式加熱器工作段的長度相當。裝配時將加熱器工作段放置在半圓形的安裝臺上，再用金屬薄帶壓緊，點焊在推力器上，從而保證加熱器安裝穩(wěn)固且導熱良好。從結構上說，它主要由電阻發(fā)熱芯件、過渡引出及絕緣保護組件、鎧裝殼體、固化封裝組件及外引線等部分組成；從材料上說，其發(fā)熱體為細徑鎳鉻系電熱合金絲，過渡線為粗徑鎳系合金絲，外引線為多股鍍銀銅導線，絕緣材料包括石英、陶瓷、氧化鎂、聚酰亞胺、熱縮管、玻璃鋼和環(huán)氧樹脂等，鎧體材料為不銹鋼或高溫合金。為使器件具有較高的結構強度、較小的熱損耗及裝配方便，采用薄壁變徑管整體鎧裝方案；通過選擇發(fā)熱絲徑、合理布局發(fā)熱體、改善發(fā)熱芯件與催化床之間的熱接觸等措施，提高器件的允用功率密度；采用復合絕緣和過渡引出技術，保證了器件的電學、熱學、力學性能。器件以四孔石英管為骨架，集支撐與絕緣包覆于一體，精密穿繞螺旋電熱絲，制成發(fā)熱芯件；薄壁變徑金屬管整體鎧裝降低了工藝難度，減小傳導熱損，減輕了器件重量，并提高了結構整體的牢固程度；電阻焊接保證發(fā)熱芯與過渡線、過渡線與外引線的可靠連接；復合式絕緣技術保證了內(nèi)部組件的穩(wěn)定，大幅度提高器件耐高溫絕緣性能；模具化成型和過渡線與外引線焊點的固封增強了器件的整體性和一致性，這些是器件制作過程中的關鍵技術。管式鎧裝加熱器主要技術參數(shù)：額定電壓7V～28V，工作電阻25Ω～500Ω，額定功率0.5W～3W，工作段耐溫850℃～1100℃，常溫絕緣性能250MΩ/250VD.C.，高溫絕緣性能（1～5)MΩ/250VD.C.，工作段尺寸Ф（3.4～4.5)mm×（6～22)mm，在軌壽命3a～10a，地面貯存2a～3a。管式鎧裝加熱器具有集中加熱、功率穩(wěn)定、器件耐熱、高溫絕緣性好和使用壽命長等優(yōu)勢；它直接對催化床進行加熱，以維持推力器熱啟動所需120℃～180℃環(huán)境，保證肼催化劑以至衛(wèi)星推進系統(tǒng)高效率、長壽命工作。加熱器不僅在航天器空間運行期間持續(xù)通電，穩(wěn)定加熱，還能承受推力器長、短脈沖點火時產(chǎn)生的1000℃高溫和頻繁的高低溫交變，保持良好的絕緣性能和功率穩(wěn)定性。使小型單組元推力器實現(xiàn)了元件分離化、組裝集合化、易于檢測、便于安裝和由一次電源供電的熱控方案。國內(nèi)，管式鎧裝加熱器最早由中國科學院金屬研究所研制，不僅填補了國內(nèi)技術空白，而且達到國際先進水平，成功應用于“資源一號”衛(wèi)星的1N姿態(tài)推力器和20N軌控推力器，隨后得到迅速推廣，應用到“資源二號”、“海洋一號”、“海洋二號”、“環(huán)境”等中、低軌道觀察衛(wèi)星及導航衛(wèi)星。目前，有近百個航天器的推進系統(tǒng)采用了管式鎧裝加熱器，運行情況和遙測數(shù)據(jù)均已表明，器件全面達到技術指標，完全滿足設計要求，實現(xiàn)預定功能并超壽命服役。國外，法國Thermocoax公司能夠生產(chǎn)管式鎧裝加熱器，其技術指標與國內(nèi)的相當，但Thermocoax公司更傾向于將兩個加熱回路鎧裝在同一個鎧管中，制成雙回路管式鎧裝加熱器，可以減少每個推力器上加熱器的使用量。3.3特征參數(shù)的選擇鎧裝測溫傳感器包括鎧裝熱敏電阻、鎧裝熱電偶和鎧裝鉑電阻，其外型與管式鎧裝加熱器一致，設計原則、結構方案和工藝技術也與加熱器類似，不同之處在于用溫度敏感元件取代發(fā)熱芯件以及采用相應的過渡線。鎧裝熱敏電阻一般采用耐高溫負溫度系數(shù)的熱敏電阻作為溫度敏感元件，敏感體材料為Co-MnNi-Mg-Fe-O五元系氧化物鎧裝測溫傳感器所用三類溫度敏感元件相比較，熱電偶和鉑電阻的電信號與溫度呈良好線性關系，一致性和互換性好，耐溫性高，測溫范圍寬；缺點是電信號區(qū)分度較小，熱電偶還存在補償問題。熱敏電阻在理論上對200℃以下的溫度區(qū)間有較高的測量分辨率；缺點是不能測量高溫，阻值與溫度呈非線性關系，每支元件的電阻-溫度特性曲線各異，經(jīng)歷高溫后易產(chǎn)生漂移。鎧裝測溫傳感器安裝在空間單組元推力器催化床上，用于監(jiān)測催化床的溫度，可以判斷推力器是否達到啟動溫度及推力器的工作狀態(tài)，與管式鎧裝加熱器配合，為推力器的催化床提供溫度環(huán)境保障。也可以根據(jù)推力器熱控區(qū)域溫度和形狀的不同，將各類溫度敏感元件鎧裝在不同形狀的鎧體中，設計不同的機電接口，保證準確測量熱控區(qū)域的溫度。目前，鎧裝測溫傳感器主要應用于中、低軌道觀測衛(wèi)星及導航衛(wèi)星等。三種鎧裝測溫傳感器的主要技術指標見表1。3.4固封段和外引異形鎧裝加熱器主要應用于雙組元推力器和新型空間推力器。由于推力器的熱控區(qū)域形狀復雜，而星上的能源有限，為合理分配功率和提高加熱效率，同時滿足裝配需要，須采用異形鎧裝加熱器。根據(jù)推力器熱控和裝配要求，器件的加熱面可設計為平面、弧面或其他曲面；不僅接觸面積大，傳熱效率高，還可以進行主備份一體配置。異形鎧裝加熱器主要技術參數(shù)：額定電壓12V～42V，工作電阻15Ω～300Ω，額定功率2W～30W，工作段耐溫400℃～1100℃，常溫絕緣性能250MΩ/250VD.C.，高溫絕緣性能（1～5)MΩ/250VD.C.，加熱面積80mm片式鎧裝加熱器如圖7所示，主要包括工作段、過渡引出段、固封段和外引線，其加熱面為平面，主要應用于空間雙組元推力器，對法蘭盤或噴注器端面進行加熱片式鎧裝加熱器具有雙弧邊平板狀外形的加熱片，與被加熱部件接觸面積大，結構主體為金屬材料，體積小，換熱效率高；發(fā)熱芯采用螺旋鎳鉻合金絲，骨架為單孔石英管，可根據(jù)設計需要采用多段式發(fā)熱芯結構，在較小的區(qū)域內(nèi)形成較大的電阻；可直接使用星上一次電源，功率調整范圍寬，實現(xiàn)高電壓低功率下對被加熱部件進行加熱；采用一體化鎧殼的設計和工藝，整個器件具有氣密性，耐潮濕性和絕緣性能好；同時，器件具有較低的功率密度，使用更安全，運行壽命長。多種規(guī)格的片式鎧裝加熱器已應用于“神舟”系列飛船和“天宮”目標航天器，并隨著新型雙組元推力器的推廣而應用到更多型號的航天器上?；铈z裝加熱器從結構上包括工作段、過渡引出段、固封段和外引線，如圖8所示，制作關鍵技術與片式鎧裝加熱器相似，但加熱面為其內(nèi)弧面，發(fā)熱芯件均勻地排布在器件的加熱面內(nèi)，熱阻小且加熱效率高。在工程應用中通常由2支弧狀鎧裝加熱器構成環(huán)形，對較小的圓柱區(qū)域進行加熱。目前，弧狀鎧裝加熱器已應用于新型雙組元推力器噴注器熱控及綠色單組元推力器催化床前端熱控。螺旋鎧裝加熱器從結構上也包括工作段、過渡引出段、固封段和外引線，如圖9所示。其工作段可以由鎧裝加熱電纜纏繞而成，也可以由發(fā)熱體、絕緣材料和金屬套管通過專門技術組裝而成。螺旋鎧裝加熱器主要應用于空間綠色單組元推力器催化床熱控、集成型推進系統(tǒng)微小推力器熱控、空間電推進空心陰極熱控等。應用于電推進空心陰極的螺旋鎧裝加熱的電熱材料多選用鎢錸等難溶金屬，甚至石墨發(fā)熱體美國Busek公司近年研制的5N綠色推力器使用了圓筒狀鎧裝加熱器，如圖10所示。其加熱效率有明顯提升，這與其安裝方式有關。使用異形鎧裝加熱器的推力器通常在需要加熱的地方加工出安裝槽，片式鎧裝加熱器上有安裝孔，采用螺釘將加熱器固定在安裝槽中?；铈z裝加熱器放在安裝槽中后，用金屬薄帶固定并點焊在安裝槽內(nèi)。而圓筒狀鎧裝加熱器用外力不能起到很好的固定作用，通常使用釬焊的辦法進行固定，加熱器與推力室之間由密實金屬連接，加熱效率高。3.5具固封材料的焊接結構鎧裝熱控組件主要由加熱器和測溫傳感器組合構成，兩部分鎧裝在同一鎧體內(nèi)，各自獨立由外引線引出，分別連接星上電源和測量控制電路，共同實現(xiàn)熱控所需加熱和測溫功能。鎧裝熱控組件包括四部分：工作段、過渡引出段、固封段和外引線。工作段中包含發(fā)熱芯件和測溫元件；采用薄壁變徑不銹鋼鎧管作為過渡引出管，減少熱傳導，同時降低對固封段的熱影響；發(fā)熱芯和測溫元件的過渡線與外引線的焊點可以固封在一個套管中，也可以分別固封在兩個套管中，見圖11。鎧裝熱控組件制作技術與異形鎧裝加熱器相似，但內(nèi)部包含兩個組件：加熱組件由螺旋發(fā)熱體穿裝骨架，經(jīng)調值、灌粉、過渡線焊接和絕緣保護制成；溫度傳感器組件由溫度敏感元件經(jīng)過渡線焊接、絕緣保護制成。采用整體鎧裝技術將加熱組件和測溫傳感器組件裝入鎧體內(nèi)，發(fā)熱芯件排布在鎧殼加熱面內(nèi)，溫度敏感元件裝配于鎧殼相應安裝孔內(nèi)，兩者之間由石英骨架、陶瓷絕緣件和氧化鎂微粉可靠隔離，保證絕緣。鎧裝熱控組件主要技術指標：額定電壓12V～42V，工作電阻20Ω～200Ω，額定功率3W～15W，測溫精度0.15℃，測溫范圍-40℃～450℃，工作段耐溫300℃～500℃，常溫絕緣性能250MΩ/250VD.C.，高溫絕緣性能（1～5)MΩ/250VD.C.，工作段尺寸Ф（8～40)mm×（8～25)mm，在軌壽命3a～10a，地面貯存2a～3a。鎧裝熱控組件應用于推進系統(tǒng)的流量控制器，對流量控制器進行加熱，并提供溫度反饋。流量控制器工作原理是利用溫度變化在流量控制器內(nèi)部產(chǎn)生壓阻，進而控制推進劑流量，達到精確控制推力器產(chǎn)生的推力，是保證推力器正常工作的必要條件。目前，已成功應用于“東三”B推進平臺，并向其他推進平臺推廣。3.6充填催化劑加熱一體化加熱器是將加熱器與推力室構成一體化的設施，以實現(xiàn)對流動介質（液體或氣體）的高效快速加熱，可應用于空間冷噴氣推力器、電熱肼推力器、綠色推力器等。一體化加熱器有多種形式，可以是將鎧裝加熱器置于推力室內(nèi)部如圖12(a），在加熱器周圍填充催化劑，使催化劑與鎧裝加熱器直接接觸，提高加熱效率；可以是將外置加熱器與推力室內(nèi)多孔蓄換熱材料相結合如圖12(b），或直接內(nèi)置多孔電熱材料發(fā)熱體如圖12(c），實現(xiàn)對流動介質直接加熱，換熱速度快，加熱效率高，甚至可能免用催化劑。一體化加熱器的鎧體材料為不銹鋼或高溫合金，電熱材料為鎳鉻合金，蓄換熱材料為泡沫鎳、泡沫鎳鋁，多孔電熱材料為泡沫鎳鉻、泡沫鎳鉻鋁等一體化加熱器的主要技術參數(shù)：額定電壓7V～28V，額定電阻20Ω～500Ω，額定功率5W～30W，工作段耐溫850℃～1100℃，常溫絕緣性能250MΩ/250VD.C.，高溫絕緣性能（1～5)MΩ/250VD.C.，工作段尺寸Ф（6～30)mm×（8～50)mm，在軌壽命3a～10a，地面貯存2a～3a。4可靠性和質量應提出的要求都是個鎧裝熱控器件作為空間推力器上的關鍵部件，對其安全性、一致性和可靠性都提出了很高的要求。因此，新型熱控器件必須通過全部鑒定級試驗考核，才能應用到空間推力器上；定型的熱控器件每批次生產(chǎn)完成后，必須通過一系列的驗收試驗考核，才能交付使用。4.1試驗鑒定目新型熱控器件必須通過的鑒定級試驗包括：模擬空間推力器熱環(huán)境的全程電性能考核試驗、力學環(huán)境試驗和地面高空臺點火熱試車試驗。模擬空間推力器熱環(huán)境的全程電性能考核試驗鑒定級全程電性能考核試驗須根據(jù)推力器的點火次數(shù)和壽命要求來確定試驗強度，通常交變次數(shù)在500～3000次，持續(xù)高溫時間在100h～600h。試驗前后器件的室溫電阻變化率在±7%之間，絕緣值不低于20MΩ/250VD.C.的器件為鑒定合格品。鑒定級力學環(huán)境試驗和地面高空臺點火熱試車試驗，在器件安裝后隨推力器一起進行。4.2試驗方案和試驗條件每支熱控器件產(chǎn)品交付前必須完成真空額定通電試驗、溫循試驗和通斷電老練試驗，每批次產(chǎn)品隨機抽取2%開展模擬空間推力器熱環(huán)境的全程電性能考核試驗。產(chǎn)品交付安裝后，隨推力器進行力學環(huán)境試驗，隨整星進行熱真空和熱循環(huán)試驗。真空額定通電試驗：真空度不低于5×10溫循試驗：在大氣條件