一种基于流量计的μN推力器及使用方法与流程

本申请涉及微推力器技术领域，具体而言，涉及一种基于流量计的μn推力器及使用方法。

背景技术：

微推力器在微小卫星的调姿与定轨等领域有着广泛的应用前景。微推力器一般可以提供μn级别的推力，根据微推进系统工作原理可以分为两大类：一类是以压缩气体经过化学反应产生大推力的化学推力器，一类是以等离子气体在电磁场中加速运动为动力的电子式推力器，电子式推力器的推力范围在n级以上。

现有气体推力器大部分采用的都是冷气推力器，如sstl公司所研制的snap-1卫星首次装备冷气推力器，采用丁烷为推进气体，产生的推力范围为45mn～120mn，总冲量最大达到22.3ns。但是采用丁烷为推进气体，成本较高，并且现有的推力器的大小与内部的气压密切相关，调压过程中会产生振动，输出的压力在中心值区域不停的波动，不够稳定，产生的推力不够精确。

技术实现要素：

本申请的主要目的在于提供一种基于流量计的μn推力器及使用方法，以解决相关技术中推力器产生的推力不够稳定，不能精确可调的问题。

为了实现上述目的本申请提供了一种基于流量计的μn推力器，包括：气瓶、流量计、缓冲室以及控制器，其中：气瓶和流量计连接，流量计和缓冲室连接；控制器分别与气瓶、流量计和缓冲室电连接，分别用于控制气瓶内的压力，控制流量计进行流量设定以及控制缓冲室的温度；缓冲室的端部设置有喷口，用于喷射气体。

进一步的，气瓶和流量计之间依次连接有自锁阀和减压阀，控制器通过电磁阀驱动电路与自锁阀连接。

进一步的，控制器通过压力控制系统与气瓶连接。

进一步的，控制器通过温度控制系统与缓冲室连接。

进一步的，缓冲室的上方设置有加热丝，加热丝通过加热系统与控制器连接。

进一步的，通过控制器调节气瓶、自锁阀以及减压阀，使气体的压力为0.3-0.5mpa。

本申请还提供了一种基于流量计的μn推力器的使用方法，包括以下步骤：(1)控制器接收地面设置指令，对所需推力数据进行计算，得出初始设定的流量值qset和温度值tset；(2)调节控制器，根据初始设定的流量值qset设定流量计的流量，根据初始设定的温度值tset通过温度控制系统调节缓冲室的温度；(3)接到开机指令后，控制器通过电磁驱动电路打开自锁阀，使气瓶内的气体流入到流量计；(4)通过减压阀以及压力控制系统的调节，使进入到流量计的气体压力保持在0.3-0.5mpa；(5)通过流量计对进入的气体进行流量调节控制，使输出进入缓冲室的气体的流量能够始终控制在初始设定的流量值qset范围内；(6)气体进入缓冲室后，控制器通过加热系统调节加热丝对缓冲室进行加热，使缓冲室的温度始终控制在初始设定的温度值tset范围内；(7)气体分子在缓冲室内发生热运动，会与缓冲室管壁进行热量交换，气体分子的动能提高，从缓冲室端部的喷口喷出，获得所需的推力。

本申请提供的一种基于流量计的μn推力器及使用方法，具有以下有益效果：

本申请提供的基于流量计的μn推力器采用的是常规气体分子热运动的方式来产生推力，结构简单，使用方便，能够提供精确可调的微牛级的推力，降低了使用成本，通过调节控制器使气体流动过程中压力稳定的维持在0.3-0.5mpa之间，在此工作范围内输出的气体流量与入口压力无关，在调节设定流量的过程中，既不会产生振动，也不会使输出的流量值产生波动，为气体流动提供了稳定的工作环境，保证了推力的稳定，通过流量计设定进入缓冲室内气体的流量，可以对流量进行高精度连续调节，确保产生的推力精确可调，并且不需要塞孔等多余的易堵零部件，大幅度延长了推力器的使用寿命。

附图说明

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：

图1是根据本申请实施例提供的一种基于流量计的μn推力器的结构示意图；

图中：1-气瓶、2-流量计、3-缓冲室、4-控制器、41-压力控制模块、42-压力调零模块、43-温度控制模块、44-温度调零模块、45-a/d转换器、46-pid控制模块、47-电磁阀驱动电路、48-加热驱动电路、5-喷口、6-自锁阀、7-减压阀、8-加热丝。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本申请实施例提供的基于流量计的μn推力器，包括：气瓶1、流量计2、缓冲室3以及控制器4，其中：气瓶1和流量计2连接，流量计2和缓冲室3连接；控制器4分别与气瓶1、流量计2和缓冲室3电连接，分别用于控制气瓶1内的压力，控制流量计2进行流量设定以及控制缓冲室3的温度；缓冲室3的端部设置有喷口5，用于喷射气体。

具体的，现有推力器技术一般采用减压阀进行调压进行输出，然后采用塞孔控制模块进行微流量的控制，但是在调压的过程中会产生振动，大大限制了应用范围，并且采用塞孔控制模块进行微流量控制，由于输出的压力在中心值区域不停的波动，进而导致产生的推力也会不停的波动，不够精确稳定。而本发明实施例提供的μn推力器，是采用流量计对气体流量进行调节控制的，流量计的要求的压力范围比较宽泛，在调节输出流量的过程中既不会振动，也不会产生波动，大大提高了推力的精确度和稳定性。本发明实施例主要采取的是常规气体分子热运动的方式来产生推力的，通过对常规气体压力和温度的控制，对气体的输出流量进行连续高精度的调节，使常规气体分子进行热运动，从而喷出产生稳定的推力。气瓶1主要用于储存气体，将产生推力的发生气体填充到气瓶1内进行储存，后续气瓶1内的气体会持续向缓冲室3内流入。流量计2主要用于根据所需推力设定气体的流量，控制气体进入缓冲室3的流量情况，使进入缓冲室3的气体流量保持在初始的设定qset范围内，为缓冲室3提供稳定的气体，并且通过流量计2可以计算出通气时间和气体的体积。缓冲室3主要用于气体的聚集，聚集的气体在缓冲室3内发生热运动，随后通过喷口5喷出，并产生所需推力。控制器4主要用于集成控制，通过控制电路分别和气瓶1、流量计2和缓冲室3连接，用于在气体流动过程中，控制气体的工作环境。喷口5为细长形态，能够减少气体分子的无规则碰撞，使气体快速喷出。在本发明实施例中，气瓶1优选为不锈钢气瓶，气瓶1内储存的气体优选为氮气，流量计2优选采用毛细管传热温差量热的方法对气体的流量进行控制，喷口5优选为细直长结构的喷口。

进一步的，气瓶1和流量计2之间依次连接有自锁阀6和减压阀7，控制器4通过电磁阀驱动电路47与自锁阀6连接。由于流量计2和自锁阀6有缓慢漏气的特点，所以在不工作的情况下，控制自锁阀6将气源关闭，防止漏气，并且自锁阀6具有磁保持的特点，在开关稳定状态下不需要耗电即可运行，大幅度降低了功耗。在本发明实施例中，电磁阀驱动电路47采用常规的阀门控制电路即可，自锁阀6选择高压自锁阀，控制器4通过电磁阀驱动电路47与自锁阀6连接，通过自锁阀6可以实现气瓶1内气体流通的开启与关闭。减压阀7设置在自锁阀6与流量计2之间的流动管路上，用于对气瓶1内流出的高压气体进行减压，调节气体进入流量计2内的压力范围，使气体能够平稳的进入流量计2内。

进一步的，控制器4通过压力控制系统与气瓶1连接。控制器4通过压力控制系统对气瓶1内气体的压力进行控制，压力控制系统主要包括压力控制模块41，压力调零模块42以及a/d转换器45，控制器4通过压力控制模块41控制气瓶1内气体的压力，通过压力调零模块42控制调整压力表归零，通过a/d转换器45将压力信号和数字控制信号进行转换。

进一步的，控制器4通过温度控制系统与缓冲室3连接。控制器4通过温度控制系统对缓冲室3内的温度进行控制，温度控制系统主要包括温度控制模块43，温度调零模块44以及a/d转换器45，控制器4通过温度控制模块43控制缓冲室3内的温度，通过温度调零模块44控制调整温度表归零，通过a/d转换器45将温度信号和数字控制信号进行转换。

进一步的，缓冲室3的上方设置有加热丝8，加热丝8通过加热系统与控制器4连接。控制器4内部设置有pid控制模块46，pid控制模块46通过加热驱动电路48与加热丝8连接，用于对缓冲室3内的温度进行闭环pid控制，使缓冲室3内的温度为恒温环境。在工作过程中，随着气体持续进入缓冲室3内发生热交换，缓冲室3内的温度会发生改变，而控制器4会通过温度控制系统实时获得缓冲室3内的温度，并且与初始设定的温度值tset进行比对，然后进行误差计算，根据误差计算结果，控制器4内部的pid控制模块46通过加热驱动电路48调节加热丝8的加热功率，使缓冲室3内的温度始终保持在设定的温度值tset范围内。

进一步的，通过控制器4调节气瓶1、自锁阀6以及减压阀7，使气体的压力为0.3-0.5mpa。在气体流动喷出的过程中，气体的压力维持在0.3-0.5mpa之间，使气体能够平稳的喷出。

本申请还提供了一种基于流量计的μn推力器的使用方法，包括以下步骤：(1)控制器4接收地面设置指令，对所需推力数据进行计算，得出初始设定的流量值qset和温度值tset；(2)调节控制器4，根据初始设定的流量值qset设定流量计的流量，根据初始设定的温度值tset通过温度控制系统调节缓冲室3的温度；(3)接到开机指令后，控制器4通过电磁驱动电路47打开自锁阀6，使气瓶1内的气体流入到流量计2；(4)通过减压阀7以及压力控制系统的调节，使进入到流量计的气体压力保持在0.3-0.5mpa；(5)通过流量计2对进入的气体进行流量调节控制，使输出进入缓冲室3的气体的流量能够始终控制在初始设定的流量值qset范围内，设定计算气体的通气时间和气体的体积；(6)气体进入缓冲室3后，控制器4通过加热系统调节加热丝8对缓冲室3进行加热，使缓冲室3的温度始终控制在初始设定的温度值tset范围内，设定换算成开尔文温度；(7)气体分子在缓冲室3内发生热运动，会与缓冲室3管壁进行热量交换，气体分子的动能提高，从缓冲室3端部的喷口5喷出，获得所需的推力，其中推力可以根据公式f＝p*v*m*s/(r*tj*t)计算得出，其中p表示大气压强，v表示1ml下气体体积，m表示气体摩尔质量，s表示气体均方根速度，r表示气体摩尔质量，tj表示开尔文温度，t表示时间。

下面以氮气获得1μn的推力为例，对本发明实施例进行具体说明：

(1)已知气体常压p＝101325pa，氮气的摩尔质量m＝28*10-3g/mol，摩尔气体常数r＝8.314j/(mol·k)，控制器4接收地面设置指令，通过对推力数据f＝1μn和公式f＝p*v*m*s/(r*tj*t)进行计算，得出初始设定的流量值1/60sccm和温度值为20℃；

(2)调节控制器4，设定流量计2的初始流量为1/60sccm，设定缓冲室3的初始温度为20℃；

(3)打开自锁阀6，使气瓶1内的氮气流入到流量计2中；

(4)通过减压阀7以及压力控制系统的调节，使进入到流量计2的氮气压力保持在0.3-0.5mpa；

(5)通过流量计2对进入的氮气进行流量调节控制，使输出进入缓冲室3的氮气的流量始终保持在1/60sccm，设定氮气的通气时间t＝60s和氮气的体积v＝1*10-7l；

(6)氮气进入缓冲室3后，控制器4通过加热系统调节加热丝8对缓冲室3进行加热，使缓冲室3的温度始终保持在20℃，设定换算成开尔文温度tj＝290k；

(7)氮气分子在缓冲室3内发生热运动，会与缓冲室3管壁进行热量交换，氮气分子的动能提高，从缓冲室3端部的喷口5喷出，获得所需推力，根据公式f＝p*v*m*s/(r*tj*t)，将上述数据代入公式可得：

f＝(101325×1×10-7×0.028×508)/8.314×290×60＝10-7n＝1μn，

由此可以计算得出1ml氮气在1min之内产生的推力为1μn，获得推力值为1μn，因此采用本发明实施例提供的基于流量计的μn推力器及使用方法，通过对气体分子流量和温度的控制，结合能量守恒定律，可以使推力器产生微小的能够精确可调的微牛级推力，具有广泛的应用前景。

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。