一种电推进系统贮供单元及其制造方法[发明专利]

(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202011478732.3
(22)申请日 2020.12.14
(71)申请人 兰州空间技术物理研究所
地址 730013 甘肃省兰州市城关区渭源路
97号
(72)发明人 于斌　赵积鹏　马天驹　张海　
张建军　顾森东　张涛　杨文博　
闫潇　
(74)专利代理机构 北京亿次方科创知识产权代
理有限公司 11767
代理人 吕晓蓉
(51)Int.Cl.
B64G 1/40(2006.01)
(54)发明名称
一种电推进系统贮供单元及其制造方法
(57)摘要
本申请涉及电推进技术领域，具体而言，涉
及一种电推进系统贮供单元及其制造方法，包括
储存模块、承力模块、调压模块、流量控制模块以
及电连接模块，其中：储存模块设置在承力模块
的内部，储存模块下端的封头法兰通过螺栓固定
在承力模块的底部，承力模块的上端对储存模块
上端的封头接头进行径向约束；调压模块通过连
接口与承力模块连接，流量控制模块通过连接口
与承力模块连接；电连接模块通过电连接器与承
力模块连接，通过导线与调压模块以及流量控制
模块电连接。

本发明结构简单紧凑、重量轻、占空
效率高，使电推进系统贮供单元的推进剂调控方
式和能力能够满足未来航天器日趋复杂多样化
的姿态轨道控制的要求。

权利要求书2页 说明书4页 附图1页CN 112572840 A 2021.03.30
C N 112572840
A
1.一种电推进贮供单元，其特征在于，包括储存模块、承力模块、调压模块、流量控制模块以及电连接模块，其中：
所述承力模块为筒状结构，所述储存模块设置在所述承力模块的内部，所述储存模块下端的封头法兰通过螺栓固定在所述承力模块的底部，所述承力模块的上端对所述储存模块上端的封头接头进行径向约束；
所述承力模块的筒体上设置有多个连接口，所述调压模块通过连接口与所述承力模块连接，所述流量控制模块通过连接口与所述承力模块连接；
所述电连接模块通过电连接器与所述承力模块连接，通过导线与所述调压模块以及所述流量控制模块电连接。

2.如权利要求1所述的电推进贮供单元，其特征在于，所述储存模块包括内衬以及复合层，其中：
所述内衬的材料为钛合金，所述内衬的基础壁厚≤0.8mm；
所述复合层的材料为T1000碳纤维和环氧树脂，纤维缠绕线型为环向和螺旋交替缠绕。

3.如权利要求2所述的电推进贮供单元，其特征在于，所述储存模块的工作压力≥15MPa，纤维应力断裂系数≥2，应力断裂寿命≥25年，气瓶性能因子≥30km。

4.如权利要求1所述的电推进贮供单元，其特征在于，所述承力模块为碳纤维缠绕环氧树脂复合材料筒体结构，筒体的上下端框设置有减重孔。

5.如权利要求1所述的电推进贮供单元，其特征在于，所述调压模块包括过滤器、高压压力传感器、加排阀、自锁阀、减压阀、电磁阀、微小流量节流器、稳压罐以及低压压力传感器。

6.如权利要求1所述的电推进贮供单元，其特征在于，所述流量控制模块包括过滤器、自锁阀、微小流量节流器以及温度传感器。

7.一种如权利要求1‑6任一项所述的电推进贮供单元的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、储存模块内衬的加工，储存模块内衬采用TA1钛合金材料，依次采用封头热冲压、封头与筒体车加工、封头与筒体焊接连接、热处理、净化工序；
步骤2、储存模块复合层加工，储存模块复合层采用碳纤维环向和螺旋交替缠绕、固化、验证压力与声发射试验工序；
步骤3、承力模块的机械加工，将承力模块包括的铝合金上下端框、气瓶固定用连杆以及各模块连接用机械接口采用机械加工制造的方式制造连接；
步骤4、承力模块碳纤维缠绕及固化，承力模块采用碳纤维缠绕筒体结构，上下端框采用缠绕固定，各模块连接用机械接口采用缠绕预埋件结构，缠绕完成后进行一体固化；
步骤5、调压模块各零部件的焊接连接，调压模块采用焊接方式连接过滤器、高压压力传感器、加排阀、自锁阀、减压阀、电磁阀、微小流量节流器、稳压罐以及低压压力传感器；
步骤6、流量控制模块各零部件的焊接连接；流量控制模块采用焊接方式连接过滤器、自锁阀、微小流量节流器以及温度传感器；
步骤7、根据承力模块机械安装接口的要求，安装储存模块、调压模块、流量控制模块以及电连接模块；
步骤8、连接储存模块、调压模块和流量控制模块的接口；
步骤9、通过电连接模块实现调压模块和流量控制模块的电连接。

一种电推进系统贮供单元及其制造方法
技术领域
[0001]本申请涉及电推进技术领域，具体而言，涉及一种电推进系统贮供单元及其制造方法。

背景技术
[0002]卫星推进系统是负责卫星变轨、姿态调整、空间制动、离轨等功能的卫星重要分系统。

与传统化学推进技术相比，电推进技术具有高比冲、重量轻、体积小、结构紧凑、推力精确可调、长寿命等优势，可以满足目前及未来航天器有效载荷尺寸大、重量大、寿命长、速度增量需求大的要求，电推进技术在宇航领域的应用也越来越广泛。

电推进系统主要由推力器、电源处理单元、贮供单元和管理控制单元组成。

[0003]贮供单元是电推进系统的核心部件，主要完成电推进氙气等工质的高压贮存、微小流量控制和管理分配等任务。

贮供单元按照结构和功能可分为5个部分，包括储存模块、承力模块、调压模块、流量控制模块和电连接模块。

[0004]现有传统的卫星电推进系统贮供单元存在结构重量大、布局分散、占空效率低等问题，并且输出电压不稳定，流量控制不够精确，随着卫星以及电推进技术的发展和宇航任务要求的提高，要求贮供单元需要进一步减轻结构重量，减少结构占空体积，提高空间利用率，保证可靠性高、安全性高，并进一步提高氙气等推进工质的压力和流量的控制精度。

发明内容
[0005]针对背景技术中存在的问题，本发明提供了一种电推进贮供单元及其制造方法，重量轻、结构紧凑、布局合理，占空效率高、可靠性以及安全性高。

[0006]本申请提供的一种电推进贮供单元，包括储存模块、承力模块、调压模块、流量控制模块以及电连接模块，其中：承力模块为筒状结构，储存模块设置在承力模块的内部，储存模块下端的封头法兰通过螺栓固定在承力模块的底部，承力模块的上端对储存模块上端的封头接头进行径向约束；承力模块的筒体上设置有多个连接口，调压模块通过连接口与承力模块连接，流量控制模块通过连接口与承力模块连接；电连接模块通过电连接器与承力模块连接，通过导线与调压模块以及流量控制模块电连接。

[0007]进一步的，储存模块包括内衬以及复合层，其中：内衬的材料为钛合金，内衬的基础壁厚≤0.8mm；复合层的材料为T1000碳纤维和环氧树脂，纤维缠绕线型为环向和螺旋交替缠绕。

[0008]进一步的，储存模块的工作压力≥15MPa，纤维应力断裂系数≥2，应力断裂寿命≥25年，气瓶性能因子≥30km。

[0009]进一步的，承力模块为碳纤维缠绕环氧树脂复合材料筒体结构，筒体的上下端框设置有减重孔。

[0010]进一步的，调压模块包括过滤器、高压压力传感器、加排阀、自锁阀、减压阀、电磁阀、微小流量节流器、稳压罐以及低压压力传感器。

[0011]进一步的，流量控制模块包括过滤器、自锁阀、微小流量节流器以及温度传感器。

[0012]此外，本申请还提供了一种电推进贮供单元的制造方法，包括如下步骤：步骤1、储存模块内衬的加工，储存模块内衬采用TA1钛合金材料，依次采用封头热冲压、封头与筒体车加工、封头与筒体焊接连接、热处理、净化工序；步骤2、储存模块复合层加工，储存模块复合层采用碳纤维环向和螺旋交替缠绕、固化、验证压力与声发射试验工序；步骤3、承力模块的机械加工，将承力模块包括的铝合金上下端框、气瓶固定用连杆以及各模块连接用机械接口采用机械加工制造的方式制造连接；步骤4、承力模块碳纤维缠绕及固化，承力模块采用碳纤维缠绕筒体结构，上下端框采用缠绕固定，各模块连接用机械接口采用缠绕预埋件结构，缠绕完成后进行一体固化；步骤5、调压模块各零部件的焊接连接，调压模块采用焊接方式连接过滤器、高压压力传感器、加排阀、自锁阀、减压阀、电磁阀、微小流量节流器、稳压罐以及低压压力传感器；步骤6、流量控制模块各零部件的焊接连接；流量控制模块采用焊接方式连接过滤器、自锁阀、微小流量节流器以及温度传感器；步骤7、根据承力模块机械安装接口的要求，安装储存模块、调压模块、流量控制模块以及电连接模块；步骤8、连接储存模块、调压模块和流量控制模块的接口；步骤9、通过电连接模块实现调压模块和流量控制模块的电连接。

[0013]本发明提供的一种电推进贮供单元及其制造方法，具有以下有益效果：[0014]本发明中存储模块采用超薄壁钛合金内衬T1000碳纤维全缠绕复合材料高压气瓶，可减少结构重量40％‑60％，具有泄漏先于爆破的安全失效模式，并提高性能因子和可靠性，承力模块采用碳纤维缠绕增强环氧树脂筒体结构，可减少结构重量30％‑50％，具有较高的抗扭转、弯曲和剪切的强度和较好的刚度，并提高贮供单元空间利用率，使布局更加紧凑，调压模块采用Bang‑Bang调压技术，具有调压精度高、输出压力稳定、输出压力可调等优点，流量控制模块热节流器的流阻器采用具有毛细功能的粉末冶金多孔金属材料，具有结构简单、紧凑、重量轻、性能稳定、安全可靠等优点，本发明结构简单紧凑、重量轻、占空效率高，使电推进系统贮供单元的推进剂调控方式和能力能够满足未来航天器日趋复杂多样化的姿态轨道控制的要求。

附图说明
[0015]构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。

本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

在附图中：
[0016]图1为本申请电推进贮供单元的结构示意图；
[0017]图中：1‑储存模块、2‑承力模块、3‑调压模块、4‑流量控制模块、5‑电连接模块。

具体实施方式
[0018]为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。

基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

[0019]如图1所示，本申请提供的一种电推进贮供单元，包括储存模块1、承力模块2、调压模块3、流量控制模块4以及电连接模块5，其中：承力模块2为筒状结构，储存模块1设置在承力模块2的内部，储存模块1下端的封头法兰通过螺栓固定在承力模块2的底部，承力模块2的上端对储存模块1上端的封头接头进行径向约束；承力模块2的筒体上设置有多个连接口，调压模块3通过连接口与承力模块2连接，流量控制模块4通过连接口与承力模块2连接；电连接模块5通过电连接器与承力模块2连接，通过导线与调压模块3以及流量控制模块4电连接。

[0020]具体的，本申请实施例提供的电推进贮供单元是电推进系统的核心部件，主要用于完成电推进氙气等工质的高压贮存、微小流量控制和管理分配等任务。

储存模块1主要用于存储氙气等工作介质、提供工作介质输送接口，具有高承压性能，承力模块2的上端对储存模块1上端的封头接头进行径向约束，保证储存模块1延轴向在规定范围内可自由伸缩；承力模块2主要用于提供各模块安装连接机械接口，是支撑各模块承担力学载荷的关键结构部件，重量低，强度与刚度较高；调压模块3主要用于将储存模块1的高压氙气经过减压、稳压等处理，为流量控制模块4提供规定压力要求的氙气等工质，调压精度高、输出压力稳定；流量控制模块4根据氙气热物理特性的热节流原理，将调压模块3供给的氙气等工质实现微小流率控制，再输送给推力器，能够对推进剂流量进行精确控制，并保证流量的稳定；电连接模块5实现调压模块3、流量控制模块4的电连接，并与外部管理控制单元电连接，以实现推进剂按规定技术要求自动控制供给。

[0021]进一步的，储存模块1包括内衬以及复合层，其中：内衬的材料为钛合金，内衬的基础壁厚≤0.8mm；复合层的材料为T1000碳纤维和环氧树脂，纤维缠绕线型为环向和螺旋交替缠绕。

传统的贮供单元存储模块多采用全金属气瓶，存在重量大、性能因子低、可靠性安全性差等问题，在本申请实施例中，储存模块1优选采用超薄壁钛合金内衬T1000碳纤维全缠绕复合材料高压气瓶，可减少结构重量40％‑60％，具有泄漏先于爆破的安全失效模式，并提高性能因子和可靠性。

[0022]进一步的，储存模块1的工作压力≥15MPa，纤维应力断裂系数≥2，应力断裂寿命≥25年，气瓶性能因子≥30km。

储存模块1采用超薄壁钛合金内衬T1000碳纤维全缠绕复合材料高压气瓶，形状优选为柱形，两端封头为等张力型或椭球型，承压能力强，使用寿命较长。

[0023]进一步的，承力模块2为碳纤维缠绕环氧树脂复合材料筒体结构，筒体的上下端框设置有减重孔。

传统的贮供单元承力模块2多采用全金属框架结构，存在重量大、结构刚度低和固有频率低等问题，复合材料比强度高、刚度大，耐疲劳性能优于各种金属材料，在本申请实施例中，承力模块2优选采用碳纤维缠绕增强环氧树脂筒体结构，筒体采用变厚度结构，铝合金上下端框通过碳纤维缠绕固定，机械接口采用纤维缠绕预埋件结构，可减少结构重量30％‑50％，具有较高的抗扭转、弯曲和剪切的强度和较好的刚度，并提高电推进贮供单元的空间利用率，使布局更加紧凑。

[0024]进一步的，调压模块3包括过滤器、高压压力传感器、加排阀、自锁阀、减压阀、电磁阀、微小流量节流器、稳压罐以及低压压力传感器。

调压模块3所包括的各零部件通过预埋件与承压模块筒体的各连接口相连接，传统的贮供单元调压模块3采用减压阀调压方式，在本申请实施例中，调压模块3优选采用Bang‑Bang调压技术，具有调压精度高、输出压力稳
定、输出压力可调等优点。

[0025]进一步的，流量控制模块4包括过滤器、自锁阀、微小流量节流器以及温度传感器。

流量控制模块4所包括的各零部件通过预埋件与承压模块筒体的各连接口相连接，传统的贮供单元流量控制模块4采用标准孔板及毛细管类型的节流器，存在容易造成污染堵塞的问题，在本申请实施例中，流量控制模块4热节流器的流阻器采用具有毛细功能的粉末冶金多孔金属材料，具有结构简单、紧凑、重量轻、性能稳定、安全可靠等优点。

[0026]此外，本申请还提供了一种电推进贮供单元的制造方法，包括如下步骤：[0027]步骤1、储存模块1内衬的加工，储存模块1内衬采用TA1钛合金材料，依次采用封头热冲压、封头与筒体车加工、封头与筒体焊接连接、热处理、净化工序；
[0028]步骤2、储存模块1复合层加工，储存模块1复合层采用碳纤维环向和螺旋交替缠绕、固化、验证压力与声发射试验工序；
[0029]步骤3、承力模块2的机械加工，将承力模块2包括的铝合金上下端框、气瓶固定用连杆以及各模块连接用机械接口采用机械加工制造的方式制造连接；
[0030]步骤4、承力模块2碳纤维缠绕及固化，承力模块2采用碳纤维缠绕筒体结构，上下端框采用缠绕固定，各模块连接用机械接口采用缠绕预埋件结构，缠绕完成后进行一体固化；
[0031]步骤5、调压模块3各零部件的焊接连接，调压模块3采用焊接方式连接过滤器、高压压力传感器、加排阀、自锁阀、减压阀、电磁阀、微小流量节流器、稳压罐以及低压压力传感器；
[0032]步骤6、流量控制模块4各零部件的焊接连接；流量控制模块4采用焊接方式连接过滤器、自锁阀、微小流量节流器以及温度传感器；
[0033]步骤7、根据承力模块2机械安装接口的要求，安装储存模块1、调压模块3、流量控制模块4以及电连接模块5；
[0034]步骤8、连接储存模块1、调压模块3和流量控制模块4的接口；
[0035]步骤9、通过电连接模块5实现调压模块3和流量控制模块4的电连接。

[0036]以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

图1。