一种适用于微小卫星的基于电解水的微推进器

1.本发明涉及基于电解水微推进器领域，具体涉及一种适用于微小卫星的基于电解水的微推进器。


背景技术：

2.1必要性分析
3.目前卫星技术向两极发展,即一方面研究大型卫星技术,另一方面开发微小卫星技术,并研究卫星组网技术。各种微小型(微型、纳型、超小型)卫星、深空探测器、航天器等是当前宇航技术发展的新趋势。
4.无论卫星大小，推进系统都是航天器的关键子系统,主要用于航天器的轨道机动、特殊姿态控制等。随着微小卫星技术的发展和应用领域的扩大,对微推进系统提出了越来越迫切的需求。微型卫星编队飞行可以完成许多复杂昂贵的大卫星所无法完成的工作,对卫星间相对轨道位置的保持、高精度的姿态控制提出较高的要求。
5.现阶段很多微小卫星由于成本或重量限制，不配备推进系统，仅靠初始速度在轨运行，寿命末期卫星速度降低坠入大气层。如果微小卫星配备推进系统，具有变轨的功能，将大大提高其能效，比如可以提前在某个轨道部署大量微小卫星，平时这些卫星处于蛰伏状态，在非常时期，通过地面注入指令或者在轨自我感知，即刻实现在轨激活，灵活变轨，飞入指定轨道执行任务。
6.虽然传统推进系统能够提供大比冲推力，但是结构复杂，尺寸和重量大，不适用于微小卫星推进系统。另外,当前微小卫星多由商业公司开发和使用，传统推进系统成本高，专业性强，在商业领域不具有优势。因此研究适合于微型卫星的低功耗、小推力、微冲量的微型推进系统，不但在科学、技术、军事领域具有较高应价值，而且商业前景广阔。
7.本项目提出基于水为原料的微小卫星推进器技术，通过在轨电解水，制备氢气和氧气，然后再次点火产生冲量，为微小卫星提供推力。
8.2现状分析
9.主要对当前各种微推进器的发展现状及优缺点进行比较，并介绍基于电解水的微推进器的特点，分析得出该推进器更适合微小卫星的应用。
10.微推进器无论在国内还是国外都是一个新兴的研究领域。微推进系统的研究受到了世界各国的关注,在国际会议上有专门的微推进的议题。国外从20世纪90年代开始从事这方面的研究。在美国大学卫星计划和先进空间运输计划支持下,美国的实验室、公司、斯坦福大学以及华盛顿大学等学校和科研机构都在积极从事微型推进器方面的研究。在欧洲、英国大学以及日本等国的大学和科研机构也在从事微推进方面的工作。
11.在过去的几年中各种不同原理的微推进系统在工业界和学术界被开发出来。各种方法都有其各自的优势,包括液体和固体化学推进剂,电推进系统和电热推进系统。
12.微型冷气推进器是对大型冷气推进器的微缩化。英国surrey大学发射的snap-1纳型卫星上使用了气体推进器,推进剂为丁烷,推力达到45mn,比冲大于60s,系统重量小于
0.5kg。
13.微型电推进器的种类很多,根据工作原理不同主要分为电热式、静电式和电磁式。电热式电推进结构简单,易用工艺实现,它的工作原理有两种,一种是利用电阻加热器将推力室中的气体加热,再经过喷嘴将气体喷出产生推力。另一种是利用加热电阻将硅型腔推力室中的液体或固体加热到相变温度,当液体蒸发或固体升华得到的气体压强大于微阀所能承受的压力时,微阀打开,气体通过喷嘴喷出产生推力。静电式电推进的基本原理是利用静电场加速带电离子或胶体颗粒,用其反作用产生推力。目前主要研究的静电式电推进有场效应离子发动机和胶体推进器。微型脉冲等离子体推进器属于电磁式电推进,它的推进剂一般为固体,如聚四氟乙烯等。
14.化学微型推进器通常是通过推进剂燃烧、放热分解产生推力。它与电热式电推进的根本区别在于将化学能转换为机械能。nasa研制了固体燃料数字推进器,它利用mems工艺,采用soc技术,将寻址驱动电路、点火器、工质储箱、燃烧室、微型阀和微喷嘴集成在一片芯片中。它多采用固体推进剂,如双基固体硝化纤维等。这种推进阵列往往储箱和燃烧室合为一体,推进剂一次性加注,因此所携带能量有限,推进器总冲较小,工作寿命有限。
15.戈达德空间飞行中心研制了单一组分燃料推进器原型。该推进器采用催化分解高浓度双氧水作为推进机理。分解后的产物通过微型超音速喷嘴产生推力。目标推力为50un,比冲140～180s。
16.下表对近年出现的各种类型微型推进器进行总结和比较
[0017][0018]
在评价各种推进器特点之前,我们必须清醒的认识到每个卫星的特点决定了它有不同的约束条件。一种推进器适合一类卫星,但不一定适合其它卫星。例如,脉冲等离子推
进器、离子推进器能产生极小的推力水平,但目前它们的体积和重量都比较大,微小卫星也无法提供它们的大功耗需求。固体推进器数字推进器从它们的原理本身来看就存在很大缺陷每个小喷嘴只能使用一次。这种推进器因此只能做成阵列形式,预先设定好喷嘴个数。潜在的问题是在微小卫星应用过程中这些阵列分布的推进器产生的推力向量每次都不一致。在微小卫星尺度下,每次推力位置的不同会给卫星姿态带来新的扰动。
[0019]
单双组份燃料推进器属于化学推进器，优点是它与固体推进器相比能提供一个比较宽的总冲量、推力和脉冲比特范围。但是无论是双氧水作为燃料，还是肼作为燃料，其都有一定的毒性，开发试验环境要求较高，不利于商业推广应用。


技术实现要素：

[0020]
本发明的目的在于克服现有技术中应用于微小卫星的化学推进器有毒，危害环境，不易生产的问题，提出了一种适用于微小卫星的基于电解水的微推进器。
[0021]
本发明提出了一种适用于微小卫星的基于电解水的微推进器，所述微推进器包括太阳能电池板、电源系统、电磁阀门、燃烧室和喷嘴，所述微推进器还包括电解装置，所述电解装置采用离子交换膜电解技术实现在轨电解水产生氢气和氧气，并通过加装气液分离器实现氢气与水的分离和氧气与水的分离。
[0022]
作为上述技术方案的改进之一，所述电解装置包括：水槽、电解槽、气液分离器、氢气储存罐和氧气储存罐；
[0023]
所述水槽，用于储存电解水溶液，并将水溶液传输到所述电解槽中；
[0024]
所述电解槽，采用离子交换膜水电解技术将水溶液电解产生氢气和氧气，并将产生的氢气和氧气分别传输到所述气液分离器中；
[0025]
所述气液分离器，用于将氢气和氧气与水溶液分离，并将氢气传输到氢气储存罐中，将氧气传输到氧气储存罐中，将水溶液重新压回水槽。
[0026]
作为上述技术方案的改进之一，所述水槽中安装有推板，所述推板通过弹簧与水槽顶部相连；所述推板在弹簧的推动下给水溶液增加压力将水溶液推入电解槽。
[0027]
作为上述技术方案的改进之一，所述电解槽中间有一层质子交换膜；所述质子交换膜将电解槽分隔为氢腔室和氧腔室；所述氢腔室和氧腔室通过阀门1分别与水槽相连；所述氢腔室通过阀门2与气液分离器相连；所述氧腔室通过阀门3与气液分离器相连；
[0028]
所述阀门1和阀门2打开时，在水槽中水压下，电解槽中的水被压入氧腔室，混合有氢气的水溶液被顶入气液分离器，气液分离器将氢气与水分离；
[0029]
所述阀门1和阀门3打开时，在水槽中水压下，电解槽中的水被压入氢腔室，混合有氧气的水溶液被顶入气液分离器，气液分离器将氧气与水分离。
[0030]
作为上述技术方案的改进之一，所述气液分离器，通过阀门8与水槽相连，通过阀门4与氢气储存罐相连，通过阀门5与氧气储存罐相连；
[0031]
所述阀门4和阀门8打开时，氢气通过阀门4进入氢气储存罐，水溶液被气液分离器通过阀门8压回水槽；
[0032]
所述阀门5和阀门8打开时，氧气通过阀门5进入氧气储存罐，水溶液被气液分离器通过阀门8压回水槽。
[0033]
作为上述技术方案的改进之一，所述电解装置在气液分离器和氧气储存罐之间及
气液分离器和氢气储存罐之间还分别装有气泡破碎器，用于将气液分离器在完成气液分离时，进一步对仍存在的氧气或氢气气泡进行破碎处理，使氧气或氢气释放；
[0034]
所述气泡破碎器内部交替排列有高压线和高压回线；通电后，所述高压线和高压回线之间形成高压电场；当氢气或氧气气泡进入所述气泡破碎器后，高压电场将气泡表面的液体薄膜电离，薄膜表面局部出现放电，局部温度升高，导致气泡薄膜破裂、氢气或氧气释出。
[0035]
作为上述技术方案的改进之一，所述高压线和高压回线通电时，要求施加的电压大于500v。
[0036]
作为上述技术方案的改进之一，所述氢气储存罐和氧气储存罐外分别贴有加热片，所述加热片用于加热氢气储存罐和氧气储存罐，使内部气体膨胀产生一定压力，将气体压至燃烧室中，燃烧后的水汽通过喷嘴喷出，从而产生微推进器的推力。
[0037]
作为上述技术方案的改进之一，所述氢气储存罐通过阀门6与燃烧室相连，所述氧气储存罐通过阀门7与燃烧室相连；所述阀门6和阀门7打开时，通过控制不同的开启时间，将氢气和氧气按照比例混入燃烧室。
[0038]
作为上述技术方案的改进之一，所述电源系统包括电源控制系统和电极电源控制器；所述太阳能电池板通过太阳能帆板获取电能，并利用电源控制系统转换成所述微推进器需要的各种电压；所述电极电源控制器，用于给质子膜电解槽里供配电；所述电解装置还包括控制器，用于控制质子膜电解槽里电解电极的电压和电流，从而控制电解速度，以及控制气液分离器的工作。
[0039]
本发明与现有技术相比优点在于：
[0040]
本发明基于离子交换膜电解水技术设计了微推进器，实现了在太空使用电解水技术制备氢气和氧气。本发明通过在基于电解水的微推进器中设计加装气液分离装置，解决了由于没有重力，在太空中气体不会从液体中升到水面，气泡会悬浮在水中导致气液无法分离的问题；同时，通过设计加装高压电离式气泡破碎器，更好地将水溶液中含有的氧气或氢气气泡破碎掉使氧气或氢气释放出，大大提高了对电解水产生的氢气和氧气的使用效率，节约了资源。
附图说明
[0041]
图1为基于电解水微推进器原理图；
[0042]
图2为加装气液分离装置的基于电解水微推进器原理图；
[0043]
图3为本发明设计的高压电离式气泡破碎器结构示意图。
具体实施方式
[0044]
以下结合实施例进一步说明本发明所提供的技术方案。
[0045]
3基于电解水的微推进器特点分析
[0046]
基于目前微推进器的不足，本项目提出使用水作为原料，在轨利用太阳能电解生产氢气和氧气，每次制备微量气体后，就在燃烧室内点燃并使其充分燃烧，通过喷嘴产生喷气，为卫星提供推力。从而实现以水为媒介的电能—化学能—机械能的转化流程。如图1所示，为基于电解水微推进器原理图。
[0047]
安全性高，成本低，易于商业大规模应用：水作为一种惰性物质，微小卫星使用水做推进剂可以实现存储、发射过程中的高安全性。存储水的容器只需要保持1～1.5个大气压即可，远远小于使用气体做推进剂的容器(一般这种容器的内部压力在20～30个大气压)，因此容器的制造成本会远远低于气体燃料的容器。同时以水做原料无毒无污染，避免使用化学燃料带来的危险。
[0048]
高比冲，高效率，结构相对简单：根据现有报道，基于电解水的微推进器比冲大于800m/s,虽然低于传统化学组份的推进器，但是高于大部分电推进和冷气推进器，更重要的是该推进器相对其它推进器结构简单，安全可靠，综合下来经济效益高。
[0049]
以水为动力原料，易于在轨制备，应用前景广阔：目前在地面应用的液态氧和液态氢发动机，需要低温环境，加注设备庞大，加注过程复杂，不易于实现在轨加注和制备。如果使用以水为动力原料，不仅利于在轨加注，而且可以在轨制备氢气和氧气。开发基于电解水的微推进器不仅可用于微小卫星，而且为探索某些有水的行星提供了技术途径，比如火星上已经存在水的证据，如果在火星上制备水，并以此为原料作为推进剂，就可以为航天器从火星返回地球提供能源。
[0050]
4方案
[0051]
电解水技术在工业上应用十分广泛且成熟。电解技术分为碱性电解、离子交换膜电解和固体氧化物电解。碱性电解技术成熟，成本比较低；离子交换膜电解采用较贵重的材料，成本比较高，但是电解速率较高，所需电源低，约10v左右即可，因此离子交换膜电解方法非常适合微小卫星的电源系统。本项目计划采用离子交换膜电解技术实现在轨电解水产生氢气和氧气。
[0052]
在太空使用电解水技术制备氢气和氧气，与地面不同的是，由于没有重力，气体不会从液体中升到水面，气泡会悬浮在水中。因此设计加装气液分离装置，如图2所示。
[0053]
工作步骤：
[0054]
1.通过太阳能帆板获取电能，利用电源系统转换成系统需要的各种电压。
[0055]
2.电极电源控制器用来控制质子膜电解槽里电解电极的电压和电流，从而控制电解速度。
[0056]
3.水槽中储存用于电解的水溶液，为了增加导电性，水溶液里含有硫酸钠。
[0057]
4.水槽顶部可上下活动，由弹簧推动，给水溶液增加压力，便于在失重环境下将水推入电解槽。
[0058]
5.开始工作前，所有阀门关闭状态；
[0059]
6.开始工作时，控制器控制阀门1打开，将100ml水溶液压入质子膜电解槽，然后关闭阀门1。
[0060]
7.电极电源控制器控制电极通电，质子膜电解槽内产生氢气和氧气。
[0061]
8.由于失重环境下氢气和氧气不会像地面一样升出水面，而是悬浮在水中，因此需要利用离心式气液分离器把气体从水中分离开。
[0062]
9.打开阀门1和阀门2，在水槽水压下，100ml水被压入左侧电解槽，混合有氢气的水溶液被顶入离心式气液分离器，关闭阀门1和阀门2。
[0063]
10.离心式气液分离器开始工作，气体和液体分离。
[0064]
11.在失重环境下，气体从液体中分离出来时，除了纯净气体，还有很多气泡，需要
进一步破碎气泡，将气体释放出来。
[0065]
12.本方案设计了一种高压电离式气泡破碎器，将混有气泡的混合物从入口通入气泡破碎器，该装置内部交替排列有高压线和高压回线(如图3所示)，之间形成高压电场，当气泡进入后，高压电场将气泡表面的液体薄膜电离，薄膜表面局部出现放电，局部温度升高，导致气泡薄膜破裂，气体释出。高压可以施加大于500v即可。
[0066]
本实施例将气泡破碎器安装在气液分离器的外面，具体是在分离器与阀门4或阀门5之间的管路上。
[0067]
13.打开阀门4和阀门8，氢气通过阀门4进入氢气储存罐，水溶液被离心式气液分离器通过阀门8重新压回水槽。
[0068]
14.关闭阀门4和阀门8。
[0069]
15.接下来开始分离氧气和水。打开阀门1和阀门3，在水槽水压下，100ml水被压入左侧电解槽，混合有氧气的水溶液被顶入离心式气液分离器，关闭阀门1和阀门3。
[0070]
16.离心式气液分离器开始工作，打开阀门5和阀门8，氧气通过阀门5进入氧气储存罐，水溶液被离心式气液分离器通过阀门8重新压回水槽。
[0071]
17.关闭阀门5和阀门8。
[0072]
18.氢气储存罐和氧气储存罐外贴有加热片，通过加热使内部气体膨胀产生一定压力。
[0073]
19.打开阀门6和阀门7，分别控制不同的开启时间，将氢气和氧气按照2：1的比例混入燃烧室。
[0074]
20.控制点火器点燃氢气和氧气，燃烧后的水汽通过喷嘴喷出，由此产生推力。
[0075]
21.重复上述5～15步骤。
[0076]
从上述对本发明的具体描述可以看出，本发明基于离子交换膜电解水技术设计了微推进器，并通过在基于电解水的微推进器中设计加装气液分离装置和气泡破碎器，解决了由于没有重力，在太空中气液不好分离的问题，实现了利用电解水产生的氢气和氧气燃烧作为微推进器的推力。
[0077]
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。