電位主動控制試驗裝置供給單元的研制

范旭豐，官長斌，張 良，李恒建，劉慶海，孫立志

（1.北京控制工程研究所；2.北京市高效能及綠色宇航推進工程技術(shù)研究中心；3.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所：北京100094）

0 引言

低地球軌道空間充斥著低溫等離子體，其溫度為2000～3000 K，密度為10～10m，航天器與空間等離子體相互作用，兩者間可產(chǎn)生高達幾百伏的電勢差，給航天員出艙和載人飛船對接等空間作業(yè)帶來安全隱患，而表面涂敷、分區(qū)接地等被動電位控制方法無法防護高電勢差帶來的安全隱患。因此，航天器表面電位主動控制技術(shù)對保障航天器安全具有重要意義，國際空間站和俄羅斯“和平號”空間站都成功應用了主動電位控制技術(shù)。

我國貨運飛船搭載了新型電位主動控制試驗裝置。該裝置采用螺旋波電離的方式實現(xiàn)氣體電離，具有電離率高、結(jié)構(gòu)簡單可靠、適用于多種氣體的特點。氬氣作為最易于獲得并可安全長期儲存的惰性氣體，被選作電離工質(zhì)。

供給單元是該電位主動控制試驗裝置必不可少的組成部分，其與電推進儲供單元類似，需要實現(xiàn)惰性氣體的長期儲存和微流量輸出，但供氣組件體積更小、結(jié)構(gòu)更為緊湊、重量更輕、集成度更高，同時對泄漏率的要求也更為苛刻。

本文將對新型電位主動控制試驗裝置供給單元的任務(wù)需求、原理方案及試驗驗證情況進行介紹。

1 需求概述

貨運飛船搭載任務(wù)要求新型電位主動控制試驗裝置位于航天器艙壁外，試驗裝置外有金屬殼保護，金屬殼與航天器外壁電位保持一致。供給單元位于試驗裝置內(nèi)。

供給單元需求包括：尺寸為250 mm×172 mm×100 mm；環(huán)境溫度范圍為-20～50℃；輸出氬氣流量指標范圍為5～50 sccm（25 ℃±5 ℃）；漏率（內(nèi)、外漏疊加的綜合漏率）≤1×10Pa·L·s；在軌儲存6個月后有效工作時間≥180 s。

供給單元研制的主要技術(shù)難點包括：1）攜帶氬氣工質(zhì)有限且工作溫度范圍寬，漏率指標要求高（通常推進系統(tǒng)單機內(nèi)漏率約為1×10Pa·L·s，而供給單元內(nèi)、外漏率疊加要求≤1×10Pa·L·s，高出傳統(tǒng)推進產(chǎn)品漏率指標2個量級）；2）結(jié)構(gòu)緊湊，集成度高；3）微流量輸出。

2 原理及方案介紹

2.1 工作原理

供給單元采用落壓方式工作。氬氣在供給單元中需要經(jīng)過電磁閥1（等效流通面積為A）、電磁閥2（等效流通面積為A）和流量控制器（等效流通面積為A），然后進入真空環(huán)境（放電裝置），如圖1所示。通過迷宮型流量控制器的節(jié)流作用，可以實現(xiàn)微流量輸出，且輸出流量與流量控制器上游壓力相關(guān)。選用電磁閥1和電磁閥2串聯(lián)，一方面可以通過Bang-Bang 控制調(diào)節(jié)流量控制器上游壓力；另一方面有利于保證供給單元具有較低的漏率。

圖1 供給單元氣路原理Fig.1 Gas path of the supply unit

若假設(shè)圖1中A為單位流通面積，則由產(chǎn)品參數(shù)計算得出2個電磁閥的等效流通面積A=A=25A；流量控制器為迷宮孔板節(jié)流裝置，其等效流通面積A相當于160個A串聯(lián)。即流量控制器的通流能力遠小于電磁閥。因而，可以忽略電磁閥，僅考慮流量控制器的節(jié)流作用。流量控制器的上游壓力P等效于氣瓶壓力P，即P=P；在一定溫度范圍內(nèi)，流量控制器的輸出流量隨上游壓力而改變。因此，在給定溫度下，供給單元的輸出流量僅取決于氣瓶壓力。

在供給單元工作過程中，僅電磁閥內(nèi)有活動部件。當電磁閥打開時，氣瓶中的氬氣流經(jīng)電磁閥1、電磁閥2和流量控制器輸出給放電裝置。通過控制電磁閥1和電磁閥2的動作時序，可以調(diào)節(jié)流量控制器上游的工作壓力，進而實現(xiàn)輸出流量的調(diào)節(jié)。

2.2 結(jié)構(gòu)方案選擇

供給單元采用落壓工作方式，所需單機種類和數(shù)量最少，可較好地滿足結(jié)構(gòu)緊湊、集成度高的任務(wù)需求。除氣瓶根據(jù)空間約束重新研制外，其余單機產(chǎn)品均選擇同類中成熟度高、體積小、重量輕的產(chǎn)品。供給單元結(jié)構(gòu)如圖2所示，集成了氣瓶、壓力傳感器、加排閥、電磁閥和流量控制器等產(chǎn)品。

圖2 供給單元三維結(jié)構(gòu)Fig.2 Three dimensional structure of the supply unit

各單機產(chǎn)品的作用如下：

1）氣瓶：儲存氣體介質(zhì)，在外漏率檢測環(huán)節(jié)儲存氦氣作為檢漏工質(zhì)，其余時間均儲存氬氣作為電位控制工質(zhì)。供給單元交付前，將氬氣瓶充入規(guī)定壓力的氬氣。因流量控制器最高工作壓力不能超過1 MPa，所以氣瓶按照1 MPa 最大工作壓力設(shè)計。

2）壓力傳感器：監(jiān)測氣瓶壓力，將氣瓶壓力轉(zhuǎn)化為電信號反饋給控制系統(tǒng)。

3）加排閥：氣體介質(zhì)的加注與排放。

4）電磁閥：控制氣體介質(zhì)的流動。電磁閥為常閉狀態(tài)，僅當通電時處于打開狀態(tài)。電磁閥的密封副采用金屬對非金屬的軟密封結(jié)構(gòu)，為保證密封可靠，采用2個電磁閥串聯(lián)的方式保證供給單元在空間儲存過程中的外漏率指標滿足技術(shù)要求。

5）流量控制器：實現(xiàn)氬氣微流量輸出。

2.3 供給單元連接方式的確定

供給單元環(huán)境溫度范圍為-20～50℃，氣瓶的容積僅為0.75 L。為了保證在軌儲存6個月后，仍可以滿足任務(wù)要求的工作時間，供給單元必須具備良好的外漏率特性。在產(chǎn)品連接時采用了成熟可靠的焊接和球頭-錐面硬密封結(jié)構(gòu)。

除壓力傳感器外，所有單機產(chǎn)品均與管路通過氬弧焊焊接在一起，如圖3所示。對焊的管A 和管B分別有L的長度被管焊鉗包住。根據(jù)所選管焊鉗的規(guī)格，L=12.5 mm。

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

以圖4所示兩通為例，為滿足管焊鉗的最小夾持要求，直角通最小尺寸為22.5 mm×22.5 mm，由于彎管結(jié)構(gòu)最小彎曲半徑至少為管徑的4倍，所以采用彎管的最小尺寸為36.5 mm×36.5 mm，直角通尺寸顯著小于彎管的尺寸。在供給單元布局時采用直角通可以使結(jié)構(gòu)更加緊湊，能更好地滿足空間約束要求。

圖4 適應管焊鉗的直角通與彎管最小尺寸比較Fig.4 Comparison of the minimum size between the rightangle connector and the elbow tube

3 試驗和計算說明

3.1 漏率試驗

漏率是供給單元研制過程中的一項重要指標。若泄漏超標，會導致氣瓶壓力過低，輸出氬氣流量不足，搭載任務(wù)失敗。

力學振動試驗和熱試驗可能會對供給單元的漏率產(chǎn)生影響，因而在供給單元研制過程中，分別在組件焊裝完成后和環(huán)境試驗后設(shè)置了漏率檢測。

漏率檢測時，氣瓶內(nèi)充入1 MPa 氦氣。外漏率檢測原理如圖5所示，實際檢測結(jié)果為內(nèi)漏率與外漏率疊加的綜合漏率值。

圖5 外漏率檢測原理Fig.5 Principle of leak detection

2次漏率檢測工作均在北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所完成。試驗采用JLR1600高低溫檢漏試驗設(shè)備（圖6）、PHOENIX L300i 氦質(zhì)譜檢漏儀和LK-6標準漏孔。2次漏率檢測的數(shù)據(jù)見表1，可以發(fā)現(xiàn)，環(huán)境試驗前后供給單元的漏率無顯著變化，且均為10～10量級，滿足指標（≤1×10Pa·L·s）要求，說明供給單元漏率指標能適應空間環(huán)境條件。

圖6 供給單元在高低溫檢漏設(shè)備內(nèi)Fig.6 Supply unit in high and low temperature leak detection equipment

表1 供給單元漏率檢測數(shù)據(jù)Table 1 External leakagerate of thesupply unit

3.2 在軌儲存和輸出流量計算

供給單元采用落壓工作方式，其漏率Q 的計算公式為

式中：U 為流導；P為氣瓶壓力；P為供給單元外壓力，近似為真空。

由于泄漏的存在，氣瓶內(nèi)的氣體壓力P將隨時間逐漸降低，由式(1)可知漏率也隨之降低。根據(jù)表1的實測漏率數(shù)據(jù)，綜合考慮溫度的影響，取供給單元的漏率Q 為常值1×10Pa·L·s，利用

計算出在軌儲存6個月后的氣瓶壓力P=0.979 MPa（初始時刻氣瓶壓力為P=1 MPa）。式(2)中V 為氣瓶容積，V=0.75 L。

結(jié)合流量控制器的輸出特性，計算了供給單元在軌儲存6個月后的氣瓶壓力與輸出流量隨工作時間的變化，如圖7 所示。結(jié)果表明，在軌儲存6個月后，供給單元仍可以保證在輸出氬氣流量滿足指標要求（5～50 sccm）的工況下工作約360 s，滿足工作時間≥180 s的任務(wù)需求。

圖7 在軌6個月后氣瓶壓力與輸出流量隨工作時間的變化Fig.7 The change of cylinder pressure and output flow rate against working time after 6 months in orbit

4 結(jié)束語

設(shè)計研制的新型電位主動控制試驗裝置供給單元在有限空間內(nèi)集成了氣瓶、加排閥、壓力傳感器、電磁閥、流量控制器等產(chǎn)品，具有氬氣儲存和微流量輸出的功能。該供給單元的實測漏率數(shù)據(jù)為10～10量級，滿足指標（≤1×10Pa·L·s）要求。根據(jù)實測漏率數(shù)據(jù)和流量控制器的流量輸出特性，建立供給單元輸出氬氣流量、氣瓶壓力隨工作時間變化的數(shù)學模型，計算得出供給單元在軌儲存6個月后的有效工作時間約為360 s，滿足工作時間≥180 s的任務(wù)需求。