一種可以多次裝填燃料的微型推力發(fā)生裝置及其操作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于航天器推進(jìn)技術(shù)與姿態(tài)和軌道控制技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種可以多次裝填燃料的微型推力發(fā)生裝置以及所發(fā)明裝置的操作方法。該裝置具有一個可旋轉(zhuǎn)的圓形基盤，在該圓盤上布置多個以固體推進(jìn)劑為燃料的、一次點(diǎn)火可輸出一次推力脈沖的微型火箭推力發(fā)生單元。該裝置還具有由燃燒室清理裝置、燃料加注裝置、燃燒室密封裝置等組成的燃料裝填系統(tǒng)。當(dāng)推力發(fā)生單元隨著圓形基盤的旋轉(zhuǎn)到達(dá)指定位置后，燃料裝填系統(tǒng)可以為該單元重新裝填燃料。燃料裝填系統(tǒng)的存在，使得推力發(fā)生單元可以多次輸出推力。本發(fā)明所提供的裝置及其操作方法，使得微型推力裝置技術(shù)可更方便的用于更廣泛的航天技術(shù)領(lǐng)域，如低成本微小型長航時航天器的姿態(tài)控制或軌道控制。
【專利說明】
一種可以多次裝填燃料的微型推力發(fā)生裝置及其操作方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于航天器推進(jìn)技術(shù)與姿態(tài)和軌道控制技術(shù)領(lǐng)域。更具體的，本發(fā)明涉及適用于微小型航天器的姿態(tài)與軌道控制的、以固體推進(jìn)劑為燃料的微型火箭推力發(fā)生裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]航天器是指在地球大氣層以外空間飛行的各種裝置。利用其飛行于外太空的優(yōu)勢，航天器可以執(zhí)行氣象觀測、地質(zhì)觀測、通信中繼、空間探測、以及航天器維護(hù)等多種任務(wù)。隨著航天器應(yīng)用的日益廣泛，降低航天器整個生命周期成本的需求越來越強(qiáng)烈。使用固體推進(jìn)劑的微型推力發(fā)生裝置以其能有效地顯著降低推進(jìn)系統(tǒng)的干質(zhì)量而得到關(guān)注。
[0003]使用固體推進(jìn)劑的微推力技術(shù)是一種正在發(fā)展探索之中，尚未完全成熟的航天器推進(jìn)技術(shù)。已有的固體推進(jìn)劑微型推力發(fā)生裝置一般是面向總質(zhì)量低于10kg的微小衛(wèi)星的軌道控制應(yīng)用而開發(fā)的。
[0004]固體推進(jìn)劑微型推力發(fā)生裝置一般應(yīng)用微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)在硅基材料上加工，且制成多層結(jié)構(gòu)。一個固體推進(jìn)劑微型推力發(fā)生單元一般至少包括噴口層、燃燒室層和點(diǎn)火電路層三層結(jié)構(gòu)。噴口層由硅基材料及其上小孔構(gòu)成，為固體推進(jìn)劑燃燒產(chǎn)物提供排出通道并由此輸出推力。燃燒室層由硅基材料及其中的孔洞組成，用于容納固體推進(jìn)劑并在固體推進(jìn)劑燃燒室充當(dāng)燃燒室。點(diǎn)火電路層是一個集成電路板，用于按照指令點(diǎn)燃燃燒室層中的固體推進(jìn)劑。不同的設(shè)計方案中，點(diǎn)火電路層的位置不同。例如，2000年發(fā)表在《Sensors and Actuators A:Physical》上的 Lewis等人的論文 “Digitalmicropropuls1n”中介紹的TRW公司的產(chǎn)品，其點(diǎn)火電路層位于燃燒室的底部，與噴口相對的位置。又例如，2011年發(fā)表的南京理工大學(xué)余協(xié)正的碩士學(xué)位論文《MEMS固體化學(xué)微推進(jìn)陣列的設(shè)計、制作及其性能研究》中介紹的南京理工大學(xué)的產(chǎn)品，其點(diǎn)火電路層位于噴口層與燃燒室層之間。由于這種推力器只能點(diǎn)火一次，點(diǎn)火后即失去推力產(chǎn)生能力，所以，已有的固體推進(jìn)劑微型推力發(fā)生裝置都設(shè)計成多行多列排列在一起的多個推力發(fā)生單元組成的推力發(fā)生單元陣列，并將其點(diǎn)火電路連接到邏輯控制電路中。
[0005]固體推進(jìn)劑微型推力發(fā)生裝置只能輸出一次推力的特性影響其實(shí)際應(yīng)用。例如，洪延姬等編著的《先進(jìn)航天推進(jìn)技術(shù)》中第7.8節(jié)中提到:對質(zhì)量為10kg的人造地球衛(wèi)星來說，“在一個‘標(biāo)準(zhǔn)’任務(wù)中，位置保持所需的推力器數(shù)目為每年200個-1000個”，按當(dāng)前平均技術(shù)水平，這“等價于90cm2-340cm2的表面積”。若將質(zhì)量10kg的微小衛(wèi)星視為立方體，其一個側(cè)面的表面積大約為1600cm2-2500cm2。容易計算，為保證衛(wèi)星正常工作5年，所需推力器將覆蓋幾乎整個側(cè)面。眾所周知，航天器外表面需要布置溫度控制裝置、姿態(tài)敏感裝置、有效載荷、太陽電池、通信設(shè)備等多種設(shè)備設(shè)施，若將大部分面積用于布置推力器陣列，必將影響航天器正常工作的能力。上述例子是將固體推進(jìn)劑微型推力發(fā)生裝置用于軌道控制的例子，如果考慮將固體推進(jìn)劑微型推力發(fā)生裝置用于姿態(tài)控制，推力器數(shù)量的增長將是災(zāi)難性的。以軌道周期在90分鐘左右的太陽同步軌道衛(wèi)星為例，如果輸出控制力矩的周期為0.5秒，每次都需要輸出3個軸上的控制力矩，每個軸的控制需要2個推力發(fā)生單元點(diǎn)火，則衛(wèi)星每個軌道周期內(nèi)就需要消耗64800個推力發(fā)生單元，每天需要消耗的推力發(fā)生單元個數(shù)為1036800個！
[0006]由此可見，工程應(yīng)用要求在盡可能小的面積上部署盡可能多的推力發(fā)生單元。許多研究向這一方向做了卓有成效的努力。例如，2000年Youngner等人的研究報告《MEMSMega-pixel Micro-thruster Arrays for small satellite stat1nkeeping〉〉中京尤介紹了一種在邊長3.3cm的正方形內(nèi)布置262144個推力發(fā)生單元的產(chǎn)品。
[0007]但是，這種在盡可能小的面積上部署盡可能多的推力發(fā)生單元的努力至少在以下三個方面存在不足。
[0008]第一，這種在盡可能小的面積上部署盡可能多的推力發(fā)生單元的努力仍然難以滿足航天器姿態(tài)控制的需求。以上述具有262144個推力發(fā)生單元的產(chǎn)品為例，在一種理想的飛行狀態(tài)下，前述例子中的太陽同步軌道衛(wèi)星一天的飛行就需要消耗這樣的占據(jù)約1cm2面積的推力發(fā)生單元4片!一個月的飛行需要120片，一年的飛行需要約1500片！
[0009]第二，這種在盡可能小的面積上部署盡可能多的推力發(fā)生單元的努力一般需要以減小單個推力發(fā)生單元的推力輸出能力為代價。這就是說，為實(shí)現(xiàn)同樣的姿態(tài)/軌道控制任務(wù)，需要消耗的推力發(fā)生單元數(shù)量增加了。顯然，這一代價降低了這種努力的實(shí)際效果。
[0010]第三，這種在盡可能小的面積上部署盡可能多的推力發(fā)生單元的努力加大了與欲點(diǎn)燃的推力發(fā)生單元鄰接的推力發(fā)生單元發(fā)生不期望的被附近溫度升高所點(diǎn)燃的風(fēng)險。要在盡可能小的面積上部署盡可能多的推力發(fā)生單元，必然要減小推力發(fā)生單元之間的距離。已有的固體推進(jìn)劑微型推力發(fā)生裝置大多使用電熱引爆方式，即將點(diǎn)火電路特定點(diǎn)的溫度升高并保持一段時間以引燃燃料。固體推進(jìn)劑微型推力發(fā)生裝置一般使用硅基材料制造，而硅的導(dǎo)熱性很好。綜合以上三點(diǎn)就能得出如下結(jié)論:在需要點(diǎn)燃某個推力發(fā)生單元時，與該推力發(fā)生單元相鄰的推力發(fā)生單元也可能會被點(diǎn)燃，而且這種可能性隨著推力發(fā)生單元之間距離的縮小而增大。降低這一風(fēng)險的一種方法是使用導(dǎo)熱性低的材料來制造固體推進(jìn)劑微型推力發(fā)生裝置。但由于現(xiàn)有的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)加工設(shè)備幾乎都是面向硅基材料開發(fā)的，使用非硅材料來制造固體推進(jìn)劑微型推力發(fā)生裝置需要研究開發(fā)新的MEMS加工技術(shù)，而這意味著大量的人力、物力、財力的投入。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供一種可以多次裝填燃料的微型推力發(fā)生裝置及其操作方法。
[0012]為解決上述固體推進(jìn)劑微型推力發(fā)生裝置的現(xiàn)有技術(shù)的問題，本發(fā)明提供一種可以多次裝填燃料的微型推力發(fā)生裝置，具體描述如下:
[0013]組成裝置:殼體、一個或多個可繞可旋轉(zhuǎn)軸承載部件旋轉(zhuǎn)的圓形基盤、圓形基盤驅(qū)動裝置、溫度控制系統(tǒng)、燃燒室清理裝置、燃料加注裝置、燃燒室密封裝置、控制計算機(jī)系統(tǒng)。
[0014]各個裝置之間的關(guān)系如下所述，殼體容納圓形基盤驅(qū)動裝置、溫度控制系統(tǒng)、燃燒室清理裝置、燃料加注裝置、燃燒室密封裝置、控制計算機(jī)系統(tǒng)。圓形基盤驅(qū)動裝置控制圓形基盤繞可旋轉(zhuǎn)軸承載部件旋轉(zhuǎn)?？刂朴嬎銠C(jī)系統(tǒng)通過控制電路控制圓形基盤驅(qū)動裝置、燃燒室清理裝置、燃料加注裝置、燃燒室密封裝置，并與其它系統(tǒng)進(jìn)行通訊。
[0015]I)所述殼體提供機(jī)械接口與電氣接口，外形為U型框架，其大小尺寸應(yīng)滿足能夠容納圓形基盤驅(qū)動裝置、溫度控制系統(tǒng)、燃燒室清理裝置、燃料加注裝置、燃燒室密封裝置、控制計算機(jī)系統(tǒng)以及四分之一的圓形基盤。
[0016]2)所述一個或多個可繞可旋轉(zhuǎn)軸承載部件旋轉(zhuǎn)的圓形基盤上布置有多個可以產(chǎn)生推力的推力發(fā)生單元、控制電路，支撐推力發(fā)生單元陣列并為其提供機(jī)械和電氣連接。
[0017]2.1)該推力發(fā)生單元包括點(diǎn)火裝置、燃燒室、噴口，所有的推力發(fā)生單元的點(diǎn)火裝置都與控制電路相連接。推力發(fā)生單元的點(diǎn)火裝置是非消耗性的，其不會因推力發(fā)生單元點(diǎn)火而遭到破壞，以使推力發(fā)生單元可以在重新裝填燃料后再次使用。為減輕或避免燃燒產(chǎn)物對點(diǎn)火裝置產(chǎn)生沖擊作用，并因此損傷或破壞點(diǎn)火裝置，推力發(fā)生單元的點(diǎn)火裝置可以緊貼著燃燒室的底面布置，也可以在燃燒室的頂端、環(huán)繞燃燒室外壁布置。
[0018]2.2)該控制電路包括點(diǎn)火邏輯電路、信號電路，控制計算機(jī)系統(tǒng)通過信號電路控制圓形基盤驅(qū)動裝置、燃燒室清理裝置、燃料加注裝置、燃燒室密封裝置，并與其它系統(tǒng)進(jìn)行通訊。
[0019]3)所述圓形基盤驅(qū)動裝置可以是步進(jìn)電機(jī)及相應(yīng)的傳動裝置等附件，其可以與圓形基盤可旋轉(zhuǎn)軸承載部件連接或者與具有輪齒結(jié)構(gòu)的圓形基盤邊緣連接，在控制計算機(jī)系統(tǒng)的指令下，驅(qū)動圓形基盤轉(zhuǎn)過指定的角度。圓形基盤驅(qū)動裝置與圓形基盤邊緣連接的方案相對于與圓形基盤中心軸連接的優(yōu)勢在于，可以為圓形基盤提供更好的機(jī)械固定，并且具有較小的圓形基盤中心軸支撐結(jié)構(gòu)。
[0020]4)所述溫度控制系統(tǒng)用于接受處理測量燃燒室的溫度信號，并通過信號電路與控制計算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行通訊。
[0021]5)所述燃燒室清理裝置用于清理具有空燃燒室的推力發(fā)生單元，其包括可旋轉(zhuǎn)刷頭、燃燒殘渣回收管道、塵渣收納裝置，可旋轉(zhuǎn)刷頭清理燃燒室并將燃料塵渣通過燃燒殘渣回收管道推入塵渣收納裝置。
[0022]5.1)該可旋轉(zhuǎn)刷頭與推力發(fā)生單元的燃燒室的尺寸大小保持匹配以便保證充分的旋轉(zhuǎn)清掃。
[0023]5.2)該燃燒殘渣回收管道的排列方向與半徑平行并指向圓形基盤的圓心。
[0024]5.3)該塵渣收納裝置與燃燒殘渣回收管道保持緊密的連接以防塵渣外泄。
[0025]6)所述燃料加注裝置用于向空燃燒室中注入燃料，其包括燃料加注頭、燃料運(yùn)輸管道、燃料貯箱。
[0026]6.1)該燃料加注頭用于測量燃燒室的溫度并向空燃燒室注入燃料，加注的過程中應(yīng)保證兩者連接的密封性以防燃料外泄。
[0027]6.2)該燃料運(yùn)輸管道的排列方向與半徑平行并指向圓形基盤的圓心。
[0028]6.3)該燃料貯箱與燃料運(yùn)輸管道保持緊密的連接以防燃料外泄。
[0029]7)所述燃燒室密封裝置用于密封新加注了燃料的燃燒室，其包括燃燒室密封劑加注頭、密封劑運(yùn)輸管道、燃燒室密封劑貯箱。
[0030]7.1)該燃燒室密封劑加注頭用密封劑密封住加注燃料后的燃燒室以防燃料外泄。
[0031]7.2)該密封劑運(yùn)輸管道的排列方向與半徑平行并指向圓形基盤的圓心。
[0032]7.3)該燃燒室密封劑貯箱與密封劑運(yùn)輸管道保持緊密的連接以防燃料外泄。
[0033]8)所述控制計算機(jī)系統(tǒng)用于控制圓形基盤驅(qū)動裝置、燃燒室清理裝置、燃料加注裝置、燃燒室密封裝置。
[0034]本發(fā)明中通過圓形基盤的旋轉(zhuǎn)，因進(jìn)行過點(diǎn)火而失去了推力輸出能力的推力發(fā)生單元將逐步運(yùn)動到殼體內(nèi)，依次通過燃燒室清理裝置、燃料加注裝置、燃燒室密封裝置，并接受上述三裝置在該單元上進(jìn)行相應(yīng)的操作。在完成燃料的重新裝填后，該推力發(fā)生單元又隨著圓形基盤的旋轉(zhuǎn)逐步離開殼體，到達(dá)殼體外可以執(zhí)行點(diǎn)火指令以輸出推力的位置。同時，通過圓形基盤的旋轉(zhuǎn)，燃燒室里裝有燃料的推力發(fā)生單元將取代因進(jìn)行過點(diǎn)火而失去了推力輸出能力的推力發(fā)生單元，到達(dá)可以執(zhí)行點(diǎn)火指令以輸出推力的位置。使用兩個同軸安裝的可旋轉(zhuǎn)圓形基盤時，兩個圓形基盤可以在控制計算機(jī)系統(tǒng)的指令下，在同一時間、以同樣的角速率變化規(guī)律、向相反的方向旋轉(zhuǎn)同樣大小的角度，以抵消絕大部分由于圓形基盤旋轉(zhuǎn)帶來的對航天器姿態(tài)的擾動。
[0035]本發(fā)明中燃料加注裝置的加注頭在進(jìn)行加注動作前，首先伸入推力發(fā)生單元的燃燒室測量燃燒室的溫度，溫度控制系統(tǒng)接受并處理測量的溫度信號，控制計算機(jī)系統(tǒng)對燃燒室溫度測量結(jié)果進(jìn)行評估，當(dāng)測量結(jié)果低于預(yù)定值時，進(jìn)行燃料加注，否則收回燃料加注頭，中止本次燃料加注操作。
[0036]本發(fā)明還提供一種可以多次裝填燃料的微型推力發(fā)生裝置的操作方法。該方法包括以下步驟:
[0037]第一步，將可以多次裝填燃料的微型推力發(fā)生裝置中的推力發(fā)生單元編號，并按推力發(fā)生單元中是否具有燃料，形成可用推力發(fā)生單元列表和不可用推力發(fā)生單元列表；
[0038]第二步，控制計算機(jī)系統(tǒng)發(fā)出點(diǎn)火指令后，將所使用的推力發(fā)生單元的編號記入不可用推力發(fā)生單元列表，并在該推力發(fā)生單元推力輸出結(jié)束后驅(qū)動圓形基盤旋轉(zhuǎn)，使該推力發(fā)生單元向燃燒室清理裝置運(yùn)動；
[0039]第三步，當(dāng)該推力發(fā)生單元到達(dá)燃燒室清理裝置后，驅(qū)動燃燒室清理裝置動作，將可旋轉(zhuǎn)刷頭伸入該推力發(fā)生單元的燃燒室并進(jìn)行旋轉(zhuǎn)清掃，將可旋轉(zhuǎn)刷頭清掃下來的燃料塵渣推入塵渣收納裝置，清掃結(jié)束后，收回可旋轉(zhuǎn)刷頭，停止燃燒室清理裝置動作，等待圓形基盤下一次轉(zhuǎn)動；
[0040]第四步，當(dāng)該推力發(fā)生單元離開燃燒室清理裝置，到達(dá)燃料加注裝置后，驅(qū)動燃料加注裝置動作，將燃料加注頭伸入該推力發(fā)生單元的燃燒室，測量燃燒室的溫度；
[0041]第五步，對燃燒室溫度測量結(jié)果進(jìn)行評估，當(dāng)測量結(jié)果低于預(yù)定值時，進(jìn)行燃料加注，否則收回燃料加注頭，中止本次燃料加注操作；
[0042]第六步，當(dāng)所加注的燃料量達(dá)到預(yù)定值后，停止燃料加注裝置動作；
[0043]第七步，當(dāng)燃料加注裝置動作停止后，驅(qū)動燃燒室密封裝置動作，將燃燒室密封劑加注頭伸入該推力發(fā)生單元的噴口，注入燃燒室密封劑，完成后收回燃燒室密封劑加注頭，停止燃燒室密封裝置動作；
[0044]第八步，控制計算機(jī)系統(tǒng)將該推力發(fā)生單元編號從不可用推力發(fā)生單元列表中刪除，記入可用推力發(fā)生單元列表。
[0045]本發(fā)明提供的上述操作方法中，第一步生成的可用推力發(fā)生單元列表可以提供給姿態(tài)或軌道控制系統(tǒng)，用于生成點(diǎn)火指令，而生成的不可用推力發(fā)生單元列表將作為燃燒室清理裝置、燃料加注裝置和燃燒室密封裝置工作的依據(jù)。
[0046]本發(fā)明提供的上述操作方法中，第三步對燃燒室進(jìn)行清理的目的是清除燃燒室中殘存的燃燒產(chǎn)物和/或未燃燒的燃料，保證重新加注燃料后點(diǎn)火裝置能順利點(diǎn)燃燃料。
[0047]本發(fā)明提供的上述操作方法中，第七步對燃燒室進(jìn)行密封的目的是將所加注的燃料固定在燃燒室內(nèi)，避免由于因圓形基盤受到?jīng)_擊可能導(dǎo)致的燃料泄露。
【附圖說明】
[0048]圖1是作為本發(fā)明的一個實(shí)施例的可以多次裝填燃料微型推力發(fā)生裝置組成的示意圖。
[0049]圖2是圖1中殼體的局部剖視示意圖。
[0050]圖3是圓形基盤驅(qū)動裝置位于圓形基盤邊緣的本發(fā)明的一個實(shí)施例的圓形基盤驅(qū)動機(jī)構(gòu)的示意圖。
[0051 ]圖中序號說明如下:
[0052]序號I是圓形基盤。
[0053]序號2是推力發(fā)生單元。
[0054]序號3是圓形基盤驅(qū)動裝置。
[0055]序號4是可旋轉(zhuǎn)軸承載部件。
[0056]序號5是燃燒室清理裝置的可旋轉(zhuǎn)刷頭、燃料加注裝置的加注頭、燃燒室密封裝置的加注頭三者之一。
[0057]序號6是殼體。
[0058]序號7是燃燒室密封裝置的密封劑運(yùn)輸管道。
[0059]序號8是燃料加注裝置的燃料運(yùn)輸管道。
[0060]序號9是燃燒室清理裝置的燃燒殘渣回收管道。
[0061 ]序號10是溫度控制系統(tǒng)。
[0062]序號11是控制計算機(jī)系統(tǒng)。
[0063]序號12是燃燒室密封裝置的密封劑貯箱。
[0064]序號13是燃料加注裝置的燃料貯箱。
[0065]序號14是燃燒室清理裝置的塵渣收納裝置。
[0066]序號14是輪齒。
【具體實(shí)施方式】
[0067]為了更好的理解本發(fā)明，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】做進(jìn)一步的說明。
[0068]圖1所展示的是本發(fā)明的可以多次裝填燃料的微型推力發(fā)生裝置的一個實(shí)施例，其中，圓形基盤驅(qū)動裝置與圓形基盤中心軸連接。圖1中，部件5是燃燒室清理裝置的可旋轉(zhuǎn)刷頭、燃料加注裝置的加注頭、燃燒室密封裝置的加注頭三者之一，且展示的是其伸出并與圓形基盤上某個推力發(fā)生單元相連接后的情景。部件6是殼體，其承載燃燒室清理裝置、燃料加注裝置和燃燒室密封裝置等裝置，并通過部件4所指示的可旋轉(zhuǎn)軸承載部件和部件3所指示的圓形基盤驅(qū)動裝置。部件I是圓形基盤，其承載由多個部件2所指示的推力發(fā)生單元組成的推力發(fā)生單元陣列并為其提供電氣連接。由部件2所指示的眾多推力發(fā)生單元中的每一個均具有唯一的編號，并在任意給定的時刻唯一的位于可用推力發(fā)生單元列表和不可用推力發(fā)生單元列表兩者之一中。
[0069]如圖1所示，夾持圓形基盤I的殼體6與圓形基盤I之間保持合理的間隙，在對燃燒室進(jìn)行清理、燃料加注、燃燒室密封操作的過程中，利用可旋轉(zhuǎn)刷頭或加注頭形成安裝在殼體中的相應(yīng)裝置與圓形基盤上的相應(yīng)推力發(fā)生單元的燃燒室的密閉環(huán)境，以防止不期望的燃料、密封劑或燃燒殘余物泄露，以及由此引起的對本微型推力發(fā)生裝置的結(jié)構(gòu)或機(jī)構(gòu)和/或搭載本微型推力發(fā)生裝置的航天器的結(jié)構(gòu)或機(jī)構(gòu)的影響。
[0070]如圖1所示的可以多次裝填燃料微型推力發(fā)生裝置，其中圓形基盤驅(qū)動裝置3是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。
[0071]圖1所示的可以多次裝填燃料微型推力發(fā)生裝置的操作方法的一個實(shí)施例可描述如下:
[0072]假設(shè)具有編號(2，3，6)的推力發(fā)生單元2當(dāng)前位于可用推力發(fā)生單元列表中。當(dāng)具有編號(2，3，6)的推力發(fā)生單元6按照指令點(diǎn)火并完成了推力輸出后，將編號為(2，3，6)的推力發(fā)生單元從可用推力發(fā)生單元列表中刪除，增加到不可用推力發(fā)生單元列表中。可以多次裝填燃料微型推力發(fā)生裝置指令圓形基盤驅(qū)動裝置3動作，帶動圓形基盤I向預(yù)定方向繞中心軸轉(zhuǎn)過預(yù)定角度，使編號為(2，3，6)的推力發(fā)生單元離開其輸出推力時所在位置。隨著其它單元相繼輸出推力或者隨著時間推移，可以多次裝填燃料微型推力發(fā)生裝置指令圓形基盤驅(qū)動裝置3繼續(xù)帶動圓形基盤I向預(yù)定方向繞中心軸轉(zhuǎn)動，直到編號(2，3，6)的推力發(fā)生單元進(jìn)入殼體包裹內(nèi)，并與燃燒室清理裝置的可旋轉(zhuǎn)刷頭5對齊。這時，可以多次裝填燃料微型推力發(fā)生裝置指令燃燒室清理裝置動作，在預(yù)定的圓形基盤驅(qū)動裝置最長動作周期內(nèi)執(zhí)行燃燒室清理程序。圓形基盤驅(qū)動裝置3在可以多次裝填燃料微型推力發(fā)生裝置指令下繼續(xù)帶動圓形基盤I向預(yù)定方向繞中心軸轉(zhuǎn)動，使編號(2，3，6)的推力發(fā)生單元與燃料加注裝置的加注頭對齊。這時，可以多次裝填燃料微型推力發(fā)生裝置指令燃料加注裝置動作，在不大于1/2個預(yù)定的圓形基盤驅(qū)動裝置最長動作周期內(nèi)向編號(2，3，6)的推力發(fā)生單元的燃燒室內(nèi)注入預(yù)定量的燃料，完成燃料加注程序。然后，可以多次裝填燃料微型推力發(fā)生裝置指令燃燒室密封裝置動作，在不大于1/2個預(yù)定的圓形基盤驅(qū)動裝置最長動作周期內(nèi)向編號(2，3，6)的推力發(fā)生單元的燃燒室內(nèi)注入給定量的密封劑，完成對所加注燃料的密封操作。最后，可以多次裝填燃料微型推力發(fā)生裝置指令加注頭與圓形基盤脫離接觸，并將編號(2，3，6)的推力發(fā)生單元從不可用推力發(fā)生單元列表中刪除，增加到可用推力發(fā)生單元列表中。
[0073]在上述操作方法中，所加注燃料的量可以由控制計算機(jī)系統(tǒng)的指令進(jìn)行改變。這種加注燃料量的改變可以基于由航天器上負(fù)責(zé)控制和管理的計算機(jī)系統(tǒng)根據(jù)此前的航天器的姿態(tài)或軌道控制指令及姿態(tài)或軌道測量結(jié)果，按照基于區(qū)間算術(shù)法則，利用航天器姿態(tài)或軌道控制系統(tǒng)模型進(jìn)行的計算結(jié)果得到。這樣做的好處可以是微型推力發(fā)生單元消耗速率的降低，以及姿態(tài)或軌道控制效率的提高。
[0074]圖2所展示的是與圖1對應(yīng)的本發(fā)明的可以多次裝填燃料微型推力發(fā)生裝置的一個實(shí)施例的另一視圖，主要用于展示殼體所搭載的燃燒室清理裝置、燃料加注裝置、燃燒室密封裝置的結(jié)構(gòu)。部件I是圓形基盤。部件2是推力發(fā)生單元。部件3是圓形基盤驅(qū)動裝置。部件5是燃燒室清理裝置的可旋轉(zhuǎn)刷頭、燃料加注裝置的加注頭、燃燒室密封裝置的加注頭三者之一，在圖2中展示的位置為加注頭。部件6是殼體。部件7是燃燒室密封裝置的密封劑運(yùn)輸管道。部件8是燃料加注裝置的燃料運(yùn)輸管道。部件9是燃燒室清理裝置的燃燒殘渣回收管道。部件10是溫度控制系統(tǒng)。部件11是控制計算機(jī)系統(tǒng)。部件12是燃燒室密封裝置的密封劑貯箱。部件13是燃料加注裝置的燃料貯箱。部件14是燃燒室清理裝置的塵渣收納裝置。
[0075]如圖2所示的可以多次裝填燃料微型推力發(fā)生裝置的殼體上布置有多個部件5所指示的可旋轉(zhuǎn)刷頭或加注頭，其由進(jìn)給驅(qū)動機(jī)構(gòu)、密封圈、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機(jī)構(gòu)或閥門及閥門控制機(jī)構(gòu)等部分組成，可在進(jìn)給驅(qū)動機(jī)構(gòu)控制下從殼體伸出并接觸圓形基盤I的表面或者推力發(fā)生單元2的內(nèi)部，閥門控制機(jī)構(gòu)可以控制閥門的開閉，以控制相應(yīng)管路的開閉。這些可旋轉(zhuǎn)刷頭5或者加注頭5中任何一個或多個可以同時或分別按照控制計算機(jī)系統(tǒng)9的指令在預(yù)定時間段內(nèi)建立并保持與預(yù)定推力發(fā)生單元2的密閉連接，并進(jìn)行相應(yīng)的操作，如:清理燃燒室并收集燃燒室里的塵渣、向燃燒室內(nèi)加注預(yù)定質(zhì)量的燃料或密封劑?？刂朴嬎銠C(jī)系統(tǒng)11用于管理可以多次裝填燃料微型推力發(fā)生裝置，控制可以多次裝填燃料微型推力發(fā)生裝置上各種裝置或系統(tǒng)的操作，管理可用推力發(fā)生單元列表和不可用推力發(fā)生單元列表，并與所連接的航天器上的其它計算機(jī)系統(tǒng)或其它系統(tǒng)進(jìn)行信息和指令交互。溫度控制系統(tǒng)10對可以多次裝填燃料微型推力發(fā)生裝置的殼體的預(yù)定部位，如燃料貯箱、密封劑貯箱，進(jìn)行溫度檢測與溫度控制，其中溫度控制功能可以由溫度控制系統(tǒng)10自主進(jìn)行，也可接受并執(zhí)行控制計算機(jī)系統(tǒng)11的指令。塵渣收納裝置14具有排放通道及裝置，可以按照控制計算機(jī)系統(tǒng)的指令，在預(yù)定時間內(nèi)將所收納的塵渣的一部分或者全部排出到可以多次裝填燃料微型推力發(fā)生裝置外。
[0076]在圖2所示的可以多次裝填燃料微型推力發(fā)生裝置上，推力發(fā)生單元2沿圓形基盤I的半徑布置，并保持相鄰?fù)屏Πl(fā)生單元之間的距離不小于預(yù)定的最小間距。
[0077]在圖2所示的可以多次裝填燃料微型推力發(fā)生裝置上，燃料運(yùn)輸管道和密封劑運(yùn)輸管道分別與不同的加注頭連接，因此，燃料加注裝置的加注頭和燃燒室密封裝置的加注頭是不同的兩組加注頭。這一實(shí)施例的操作方法中，當(dāng)燃料加注結(jié)束后，控制計算機(jī)系統(tǒng)10發(fā)出的圓形基盤I旋轉(zhuǎn)指令將包括以下相繼指令:燃料加注頭與圓形基盤I脫離接觸、圓形基盤I旋轉(zhuǎn)給定角度、對應(yīng)的燃燒室密封裝置的加注頭伸出并與剛與燃料加注頭脫離接觸的推力發(fā)生單元建立密閉連接。
[0078]圖2所示的可以多次裝填燃料微型推力發(fā)生裝置也可以是燃料加注裝置和燃燒室密封裝置共用加注頭的。這只需要每個加注頭具有兩個閥門及閥門控制機(jī)構(gòu)，且兩個閥門分別與燃料運(yùn)輸管道和密封劑運(yùn)輸管道連接。
[0079]圖3中展示的是本發(fā)明的可以多次裝填燃料微型推力發(fā)生裝置的另一個實(shí)施例。其中，部件I是圓形基盤。部件15是圓形基盤I邊緣上布置的輪齒。部件4是可旋轉(zhuǎn)軸承載部件。部件3是圓形基盤驅(qū)動裝置。部件6是殼體?？尚D(zhuǎn)軸承載部件4及其附件提供圓形基盤I和殼體6的機(jī)械與電氣連接。圓形基盤驅(qū)動裝置3通過其邊緣上的輪齒與圓形基盤I邊緣上的輪齒15相連接，為圓形基盤I的旋轉(zhuǎn)提供驅(qū)動。
[0080]圖3所示的實(shí)施例中，圓形基盤驅(qū)動裝置3可以是步進(jìn)電機(jī)及相應(yīng)的傳動裝置等附件。
[0081 ]圖3所示的實(shí)施例可以使用與前面結(jié)合圖1描述的操作方法相同或相似的操作方法操作。
【主權(quán)項】
1.一種可以多次裝填燃料的微型推力發(fā)生裝置，其包括: 可繞中心軸旋轉(zhuǎn)的圓形基盤，圓形基盤上布置有多個可以產(chǎn)生推力的推力發(fā)生單元、以及點(diǎn)火邏輯控制電路、溫度控制系統(tǒng)，每個推力發(fā)生單元包括點(diǎn)火裝置、燃燒室、噴口，所有的推力發(fā)生單元的點(diǎn)火裝置都與點(diǎn)火邏輯電路相連接； 圓形基盤驅(qū)動裝置，用于控制圓形基盤繞中心軸的旋轉(zhuǎn)； 燃燒室清理裝置，用于清理具有空燃燒室的推力發(fā)生單元，其包括可旋轉(zhuǎn)刷頭、塵渣收納裝置； 燃料加注裝置，用于向空燃燒室中注入燃料，其包括燃料加注頭、燃料輸送系統(tǒng)、燃料貯箱； 燃燒室密封裝置，用于密封新加注了燃料的燃燒室，其包括燃燒室密封劑加注頭、燃燒室密封劑輸送系統(tǒng)、燃燒室密封劑貯箱； 控制計算機(jī)系統(tǒng)，用于控制點(diǎn)火邏輯電路、圓形基盤驅(qū)動裝置、燃燒室清理裝置、燃料加注裝置、燃燒室密封裝置，并與其它系統(tǒng)進(jìn)行通訊； 殼體，用于容納圓形基盤驅(qū)動裝置、燃燒室清理裝置、燃料加注裝置、燃燒室密封裝置、控制計算機(jī)系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、以及圓形基盤的一部分，并提供機(jī)械接口與電氣接口。2.如權(quán)利要求1所述的微型推力發(fā)生裝置，其圓形基盤上的推力發(fā)生單元沿圓形基盤半徑布置。3.如權(quán)利要求1-2所述的微型推力發(fā)生裝置，其圓形基盤驅(qū)動裝置為安裝在圓形基盤中心軸上的步進(jìn)電機(jī)及傳動裝置。4.如權(quán)利要求1-3所述的微型推力發(fā)生裝置，其圓形基盤邊緣具有齒輪齒，圓形基盤驅(qū)動裝置為與圓形基盤邊緣的齒輪相連接的步進(jìn)電機(jī)及傳動裝置。5.如權(quán)利要求1-4所述的微型推力發(fā)生裝置，其中包括兩個可繞同一中心軸旋轉(zhuǎn)的圓形基盤。6.如權(quán)利要求1-5所述的微型推力發(fā)生裝置，其兩個圓形基盤可在控制計算機(jī)指令下同時等量向相反的方向旋轉(zhuǎn)。7.如權(quán)利要求1-6所述的微型推力發(fā)生裝置，其燃料加注裝置和燃燒室密封裝置共用同一組加注頭。8.—種權(quán)利要求1-7所述微型推力發(fā)生裝置的操作方法，包括以下步驟: 步驟I，將微型推力發(fā)生系統(tǒng)中的推力發(fā)生單元編號，并按推力發(fā)生單元中是否具有燃料，形成可用推力發(fā)生單元列表和不可用推力發(fā)生單元列表； 步驟2，控制計算機(jī)系統(tǒng)發(fā)出點(diǎn)火指令后，將所使用的推力發(fā)生單元的編號記入不可用推力發(fā)生單元列表，并在該推力發(fā)生單元推力輸出結(jié)束后驅(qū)動圓形基盤旋轉(zhuǎn)，使該推力發(fā)生單元向燃燒室清理裝置運(yùn)動； 步驟3，當(dāng)該推力發(fā)生單元到達(dá)燃燒室清理裝置后，驅(qū)動燃燒室清理裝置動作，將可旋轉(zhuǎn)刷頭伸入該推力發(fā)生單元的燃燒室并進(jìn)行旋轉(zhuǎn)清掃，將可旋轉(zhuǎn)刷頭清掃下來的燃料塵渣推入塵渣收納裝置，清掃結(jié)束后，收回可旋轉(zhuǎn)刷頭，停止燃燒室清理裝置動作，等待圓形基盤下一次轉(zhuǎn)動； 步驟4，當(dāng)該推力發(fā)生單元離開燃燒室清理裝置，到達(dá)燃料加注裝置后，驅(qū)動燃料加注裝置動作，將燃料加注頭伸入該推力發(fā)生單元的燃燒室，測量燃燒室的溫度； 步驟5，對燃燒室溫度測量結(jié)果進(jìn)行評估，當(dāng)測量結(jié)果低于預(yù)定值時，進(jìn)行燃料加注，否則收回燃料加注頭，中止本次燃料加注操作； 步驟6，當(dāng)所加注的燃料量達(dá)到預(yù)定值后，停止燃料加注裝置動作； 步驟7，當(dāng)燃料加注裝置動作停止后，驅(qū)動燃燒室密封裝置動作，將燃燒室密封劑加注頭伸入該推力發(fā)生單元的噴口，注入燃燒室密封劑，完成后收回燃燒室密封劑加注頭，停止燃燒室密封裝置動作； 步驟8，控制計算機(jī)系統(tǒng)將該推力發(fā)生單元編號從不可用推力發(fā)生單元列表中刪除，記入可用推力發(fā)生單元列表。
【文檔編號】F02K9/95GK105863881SQ201610207706
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月6日
【發(fā)明人】朱宏玉, 王海涌, 胡肖肖, 劉琦
【申請人】北京航空航天大學(xué)