梯度结构和温度场协同作用的小卫星水推进装置及方法与流程

1.本发明涉及机械设计和自动控制领域，具体是一种梯度结构和温度场协同作用的小卫星水推进装置及方法。


背景技术：

2.小卫星的用途十分广泛，在民用领域，在通讯、对地观测、空间遥感、气象观测、海洋探测、科学研究等均有成功应用。在军事领域，因其具备快速研制、快速发射、及时投入使用的优点，可以满足战时特殊要求。
3.推进系统在卫星分系统中占有重要位置，其性能对卫星在轨寿命、有效载荷、飞行时间等有显著影响，是卫星重要的分系统之一。不同的能源转换和转换途径决定了不同的推进方式，目前空间推进系统存在三种具有代表性的推进系统。霍尔推进系统属于电推进，其基于霍尔效应进行推进，比冲量可达到极高水平（》1000s）。但该推进系统需要高功率推力比，卫星小型化时会有效率损失，因此该推进系统不适合体积受限的小卫星。肼推进系统，又称联氨推进系统，该推进系统依靠催化燃烧推进，比冲量高，且存储密度高。但该推进系统存在极复杂的推进剂供给系统，需要附加催化剂推进器，同时，联氨极活泼，存储要求高。利用压缩气体推进的气体推进系统，结构简单，易于小型化。但比冲量小，存储密度低，虽然液化气体可提高存储密度，但需要额外能量汽化气体。而结构简单、高比冲量、低能耗、长效服役的小卫星推进技术是重大需求。
4.目前，太空失重环境下，贮箱内介质难以通过压力充分流出，导致效率低下，且传统推进介质如肼在太空无法补加，若以宇航员能随时补充的水作为介质将如何提高比冲量、改善尾喷效果。
5.针对上述问题，近期研究人员提出了一种梯度结构和温度场协同作用的小卫星水推进技术及实现方法，在推进剂贮存和调控阶段利用梯度结构引导推进剂自发流动，在介质运输阶段利用温度梯度加速推进，同时在喷射阶段利用laval喷嘴改善尾喷，提高喷射效率。


技术实现要素：

6.本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种，拟利用水作为介质，在贮箱内导流板上设计梯度功能表面，驱动水自发流动，在出口处设计温控模块，并加热形成水蒸气加速推进，同时借鉴火箭laval喷嘴结构原理，对尾喷管优化设计，最终实现介质的高效推进。
7.本发明提供了一种梯度结构和温度场协同作用的小卫星水推进装置，包括依次连接的介质贮藏段、介质运输段和喷射做功段。
8.所述介质贮藏段包括内部设置有导流板的贮藏箱，贮藏箱一端开有进水口，另一端与介质运输段连接；所述导流板上设置有驱动液体从进水口流向介质运输段的梯度功能表面；所述介质运输段连接在介质贮藏段和喷射做功段之间，介质运输段外缘上分布设
置有内圈温控单元和外圈温控单元，其中内圈温控单元靠近介质贮藏段，外圈温控单元靠近喷射做功段，内圈温控单元温度高于外圈温控单元。
9.进一步改进，所述梯度功能表面为并列分布的若干板材，板材的宽度从进水口到介质运输段逐渐减小。
10.进一步改进，所述介质运输段和喷射做功段连接处设计有一个力臂，力臂与流量监测仪连接。
11.进一步改进，所述喷射做功段为喷射尾管。
12.进一步改进，所述喷射尾管为拉瓦尔（laval）管。
13.本发明还提供了一种梯度结构和温度场协同作用的小卫星水推进方法，利用梯度功能表面使介质流经温控场后进入喷射做功段喷射，通过调控温度场温差控制介质的流速，从而实现推进介质的高效运输，实现喷射推进。
14.具体推进过程如下：1）推进剂贮存和调控：在介质贮藏段贮箱内部的导流板上设计功能梯度表面,加速推进剂的自驱流动，使其流向介质运输段。
15.2）介质运输：在介质运输段设计智能温控模块,温控模块安装在贮箱出口处，在靠近贮箱处开设环形槽，用于安装内圈温控单元；在靠近喷射做功段处开设环形槽，用于安装外圈温控单元；通过温控模块精准调节内外圈温度，从而在贮箱出口处形成温度场；介质流向喷射做功段时经过流量监测仪，测量水流流速流量。
16.3）喷射做功：利用拉瓦尔（laval）管作为尾喷管，贮箱出口处形成的水蒸气进入喷管后，在 laval 喷管中被加速至超声速，形成低温低压区域，促使气体液化，液相被旋流分离，气相从喷管出口排出做功。
17.步骤2）所述介质运输过程具体如下：流量监测仪实时测量出口处水流流量，经由计算机判断流量是否低于设定值；2.1）若流量低于设定值下限，表示介质运输速率过慢，需要增加温差；2.11）计算机传递信号给温控模块，提高内圈温控单元的温度，同时缓慢降低外圈温控单元处的温度，形成左端热右端冷的温度场，调控水流流动，加速介质运输速率；2.12）温控模块和流量监测仪对工况实时监测，若流量监测仪测量的水流流量仍低于设定值下限，则重复步骤2.11），直至水流流量不低于设定值，记录此时温度场，温控模块维持该状态；2.2）若流量高于设定值上限，表示介质运输速率过快，工况温度过高，需要降低温差；2.21）计算机传递信号给温控模块，缓慢内圈温控单元处的温度，同时缓慢提高外圈温控单元处的温度，形成外端热内端冷的温度场，调控水流流动，适当减缓介质运输速率，避免温度过高造成的极端工况影响贮箱服役寿命；2.22）温控模块和流量监测仪对工况实时监测，若流量监测仪测量的水流流量仍高于设定值上限，则重复步骤2.21），直至水流流量低于设定值，记录此时温度场，温控模块维持该状态；2.3）若水流流量在设定的上下限值之间，则表示介质运输速率正常，无需创造温度梯度调控水流流动，一切正常工作。
18.本发明有益效果在于：1、在贮箱内导流板上设计梯度功能表面，驱动水自发流动；2、设计温控模块，控制介质流速，并加热形成水蒸气加速推进；3、借鉴火箭laval喷嘴结构原理，对尾喷管优化设计，最终实现介质的高效推进。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
20.图1a 为楔形织构自驱动原理图；图1b为热驱动原理图；图1c为 laval管原理图；图2为导流板表面织构设计图；图3为推进系统整体图；图4为控制原理图。
具体实施方式
21.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
22.如图1a所示，超亲水和超疏水区域存在明显的界限，液体始终被限制在超亲水区域。同时由于楔形织构内部存在拉普拉斯压力的差异，产生了驱使液体运动的驱动力，驱使液体从窄端向宽端流动，最终液体在前端聚集，使得楔形超亲水/超疏水梯度功能表面具有强大的引导液体流动的能力。该梯度功能表面可以被用来推动贮箱里水的自发流动。
23.如图1b所示，当一液体置于固体表面时，可以视为气、液、固三相共存的系统。固体表面温度梯度的存在会改变固-液界面张力γsl和接触角θ，使得三相界面处受力不再平衡，从而产生了驱使液体运动的驱动力，驱使液体从热端向冷端爬移。该热驱动流可以被用来促进推进剂的运输，并加热形成水蒸气，为尾喷做准备。
24.如图1c所示，火箭发动机中的燃气流在燃烧室压力作用下，经过喷管向后运动，进入喷管的a1。在这一阶段，燃气运动遵循"流体在管中运动时，截面小处流速大，截面大处流速小"的原理，因此气流不断加速。当到达窄喉时，流速已经超过了音速。而跨音速的流体在运动时却不再遵循"截面小处流速大，截面大处流速小"的原理，而是恰恰相反，截面越大，流速越快。在a2，燃气流的速度被进一步加速，产生了巨大的推力。利用laval管作为尾喷管可以极大增大尾喷推力，增强小卫星的推进系统性能。
25.基于以上原理，拟首先对导流板出口处结构进行改造，在其圆周表面构筑出温度场，同时采用流量监测仪实时监测贮箱端面的水流速度；根据实时采集的水流速度，利用计算机分析获得水流的幅值和变化趋势，由此确定出口处所需要的温度场并将电信号输入到
贮箱出口处的温控模块，精准调节出口处的温差，从而调控推进介质的运输速率。同时加热水流形成水蒸气，为尾喷做准备。在贮箱尾部设计laval喷嘴，增大推力、改善尾喷，最终实现贮箱推进剂的高效运输。
26.梯度结构和温度场协同作用的小卫星水推进装置结构如图3所示，包括依次连接的介质贮藏段、介质运输段和喷射做功段。
27.所述介质贮藏段包括内部设置有导流板2的贮藏箱，贮藏箱一端开有进水口1，另一端与介质运输段连接；所述导流板上设置有驱动液体从进水口流向介质运输段的梯度功能表面；所述介质运输段连接在介质贮藏段和喷射做功段之间，介质运输段外缘上分布设置有内圈温控单元3和外圈温控单元4，其中内圈温控单元靠近介质贮藏段，外圈温控单元靠近喷射做功段，内圈温控单元温度高于外圈温控单元。
28.所述梯度功能表面如图2所示，为并列分布的若干板材，板材的宽度从进水口到介质运输段逐渐减小。
29.所述介质运输段和喷射做功段连接处设计有一个力臂，力臂与流量监测仪5连接。
30.所述喷射尾管为拉瓦尔（laval）管6。
31.下面以水为推进介质为例，详细阐述其技术方案。
32.1. 推进剂贮存和调控：在贮箱内部的导流板上设计功能梯度表面（图2）,加速推进剂的自驱流动。
33.2.介质运输：智能温控模块设计：温控模块安装在贮箱出口处，在远离出口处（图3，位置3）开设环形槽，用于安装内圈温控单元；在靠近出口处（图3，位置4）开设环形槽，用于安装外圈温控单元。推进系统整体图如图3所示，正常工作时，通过温控模块精准调节内外圈温度，从而在贮箱出口处形成所需的温度场。
34.水流流量监测：为了实时监测水流流量，在出口处设计一个力臂（图3，位置5），并与流量监测仪连接，测量水流流速流量。
35.具体的实施步骤如下：（1）系统运行，温控模块、各传感器正常工作。
36.（2）流量监测仪实时测量出口处水流流量，经由计算机判断流量是否低于设定值。
37.（3）若流量低于设定值下限，表示介质运输速率过慢，需要适当增加温差。
38.计算机传递信号给温控模块，缓慢提高图3中位置3处的温度，同时缓慢降低图3中位置4处的温度，在出口处形成左端热右端冷的温度场，调控水流流动，加速介质运输速率。
39.温控模块和流量监测仪对工况实时监测，若流量监测仪测量的水流流量仍低于设定值下限，则重复步骤3；直至水流流量不低于设定值，记录此时温度场，温控模块维持该状态。
40.至此，实现推进介质的高效运输。
41.（4）若流量高于设定值上限，表示介质运输速率过快，工况温度过高，需要适当降低温差。
42.计算机传递信号给温控模块，缓慢降低图3中位置3处的温度，同时缓慢提高图3中位置4处的温度，在出口处形成外端热内端冷的温度场，调控水流流动，适当减缓介质运输
速率，避免温度过高造成的极端工况影响贮箱服役寿命。
43.温控模块和流量监测仪对工况实时监测，若流量监测仪测量的水流流量仍高于设定值上限，则重复步骤4；直至水流流量低于设定值，记录此时温度场，温控模块维持该状态。
44.至此，实现介质运输效率的协调控制。
45.（5）若水流流量在设定的上下限值之间，则表示介质运输速率正常，无需创造温度梯度调控水流流动，一切正常工作。
46.3. 喷射做功：利用laval管作为尾喷管，贮箱出口处形成的水蒸气进入喷管后，在 laval 喷管中被加速至超声速，形成低温低压区域，促使气体液化，液相被旋流分离，气相从喷管出口排出做功，可以极大增大尾喷推力，增强小卫星的推进系统性能。
47.本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实施例而言，以上所述仅是本发明的优选实施方式，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，对于本技术领域的普通技术人员来说，可轻易想到的变化或替换，在不脱离本发明原理的前提下，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。