一种微波加热水推进系统和推进控制方法

1.本技术涉及推进系统技术领域，特别是涉及一种微波加热水推进系统和推进控制方法。


背景技术：

2.以立方星为代表的微纳卫星具有体积小、成本低、开发周期短等优势，近年来在天基互联网、科学实验、对地观测等领域得到了快速发展。但受体积、成本的限制，已有的各类立方星大多没有装备推进系统，无法实现自主轨道调整、阻力补偿、离轨控制等任务，极大地限制了微纳卫星的使用效能，而使用完后的微纳卫星由于无法进行离轨控制，只能继续漂浮在太空中成为太空垃圾，严重地威胁到了航天器和空间站的安全。
3.传统的推进方式，比如冷气推进，比冲相对较低；化学推进，结构复杂，技术难度大，推进剂存在毒性；电推进，推力小，体积较大等等，这些推进系统都不适合应用在微纳卫星上。


技术实现要素：

4.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种微波加热水推进系统和推进控制方法。
5.一种微波加热水推进系统，所述系统包括：推进剂供给子系统、微波加热子系统、推力室子系统、温度调节子系统、电源子系统和控制子系统。
6.所述推进剂供给子系统，用于储存液态水工质，并根据预定需求通过控制子系统控制推进剂供给子系统向微波加热子系统中加载预定量的水工质。
7.所述微波加热子系统，用于将电能转化为微波，利用微波对从推进剂供给子系统中加载的水工质进行加热，当温度或压力达到预定值时，将高压过热水蒸气送入推力室子系统。
8.所述推力室子系统，用于对注入的所述高压过热水蒸气提速至预定速度后喷出，完成推进任务。
9.所述温度调节子系统，用于检测推进剂供给子系统中的温度和压力，并传送给控制子系统，根据控制子系统的指令控制加热电阻，使水工质在太空低温低压的环境下保持为一定温度的液态水工质。
10.所述控制子系统，用于根据预定需求、推进剂供给子系统、温度调节子系统、微波加热子系统反馈的信号，对系统进行反馈调节。
11.所述电源子系统用于给推进剂供给子系统、微波加热子系统、推力室子系统、温度调节子系统和控制子系统提供电源。
12.一种推进控制方法，所述方法应用于上述微波加热水推进系统进行推进控制，所述方法包括：
13.获取姿态调整指令，并根据所述姿态调整指令计算所需水工质的流量和高压过热
水蒸气的预定温度或预定压力。
14.发出电磁阀打开指令，通过控制电路打开推进剂供给子系统中的第二电磁阀，推进剂供给子系统中的水工质通过第二电磁阀注入微波加热子系统中。
15.当水工质的加注量达到预设值，则关闭第二电磁阀。
16.启动微波加热，并实时采集微波加热子系统的温度和压力。
17.当高压过热水蒸气的温度达到预定温度时，通过控制电路打开微波加热子系统中的第一电磁阀和推力室子系统的换向阀，所述高压过热水蒸气通过第一电磁阀和换向阀后注入缩放喷管中，完成推进任务。
18.上述一种微波加热水推进系统和推进控制方法，所述系统包括：推进剂供给子系统、微波加热子系统、推力室子系统、温度调节子系统、电源子系统和控制子系统。本系统采用水作为推进剂，推进剂供给子系统将水工质加注到微波加热子系统中，微波加热子系统将电能转化为微波，通过微波加热的方式达到较大的压力和温度，最后将高温高压水蒸气送入推力室子系统，对注入的所述高压过热水蒸气提速至预定速度后喷出，完成推进任务。本系统以水作为推进工质，通过微波加热来获得能量，使得微波加热水推进系统具有体积小，成本低，安全可靠，开发周期短，清洁无污染等众多优点，该系统可以广泛地应用在多种微纳卫星上，符合节能减排的要求。
附图说明
19.图1为一个实施例中一种微波加热水推进系统组成结构图；
20.图2为另一个实施例中一种微波加热水推进系统二维结构示意图；
21.图3为另一个实施例中采用微波加热水推进系统的微纳卫星结构布局；
22.图4为另一个实施例中微波加热水推进系统三维结构布局示意图；
23.图5为一个实施例中喷管形状图；
24.图6为一个实施例中一种推进控制方法的流程示意图。
具体实施方式
25.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
26.在一个实施例中，如图1所示，提供了一种微波加热水推进系统，该系统包括：用于推进剂供给子系统10、微波加热子系统20、推力室子系统30、温度调节子系统40、电源子系统50和控制子系统60。
27.推进剂供给子系统10，用于储存液态水工质，并根据预定需求通过控制子系统40控制推进剂供给子系统向微波加热子系统20中加载预定量的水工质。
28.微波加热子系统20，用于将电能转化为微波，利用微波对从推进剂供给子系统10中加载的水工质进行加热，当温度或压力达到预定值时，将高压过热水蒸气送入推力室子系统30。
29.推力室子系统30，用于对注入的高压过热水蒸气提速至预定速度后喷出，完成推进任务。
30.温度调节子系统40，用于检测推进剂供给子系统10中的温度和压力，并传送给控制子系统60，根据控制子系统60的指令控制加热电阻，使水工质在太空低温低压的环境下保持为一定温度的液态水工质。
31.控制子系统60，用于根据预定需求、推进剂供给子系统10、温度调节子系统20、微波加热子系统30反馈的信号，对系统进行反馈调节。
32.电源子系统50用于给推进剂供给子系统10、微波加热子系统20、推力室子系统40、温度调节子系统30和控制子系统60提供电源。
33.上述一种微波加热水推进系统中，所述系统包括：推进剂供给子系统、微波加热子系统、推力室子系统、温度调节子系统、电源子系统和控制子系统。本系统采用水作为推进剂，推进剂供给子系统将水工质加注到微波加热子系统中，微波加热子系统将电能转化为微波，通过微波加热的方式达到较大的压力和温度，最后将高温高压水蒸气送入推力室子系统，对注入的所述高压过热水蒸气提速至预定速度后喷出，完成推进任务。本系统以水作为推进工质，通过微波加热来获得能量，使得微波加热水推进系统具有体积小，成本低，安全可靠，开发周期短，清洁无污染等众多优点，该系统可以广泛地应用在多种微纳卫星上，符合节能减排的要求。
34.在其中一个实施例中，微波加热子系统包括：微波加热腔、变压器、磁控管、波导、第一温度传感器、第一压力传感器以及第一电磁阀；微波加热腔用保温材料制成，用于对推进剂供给子系统加载的水工质进行加热；第一温度传感器和第一压力传感器，分别用于检测微波加热腔内部的温度和压力，并将检测的加热腔内部温度和压力值发送至控制子系统。
35.第一电磁阀，用于控制高压过热水蒸气喷入推力室子系统或停止；第一电磁阀的通断控制是控制子系统根据采集到的加热腔内部温度或加热腔内部压力与预定值进行比较，当加热腔内部温度或加热腔内部压力达到预定值时，打开第一电磁阀，高压过热水蒸气喷入推力室子系统；反之则关闭第一电磁阀；电源子系统提供的电压经过变压器升高电压，高电压通过磁控管产生微波，并由波导将微波传送至微波加热腔；微波加热腔对加载的水工质进行加热，第一温度传感器和第一压力传感器将检测到的微波加热腔内部的温度和压力传送至控制子系统中，当满足预定条件时，控制子系统发出指令打开第一电磁阀，将高压过热水蒸气被送入推力室；当不满足预定条件时，控制子系统发出指令关闭电磁阀。
36.具体的，如图2所示微波加热水推进系统，微波加热子系统是整个推进系统中极为关键的一部分，它用于给水工质提供能量，将其加热升温，使得气体通过拉瓦尔喷管后能够获得更大的推力。由微波加热腔、磁控管、波导、温度传感器、压力传感器和金属风扇等构成微波加热子系统。它将从柔性储水囊中流入的水加热到极高的温度，当温度(或压力)达到预定值时，电磁阀打开，高压过热水蒸气被送入推力室，从而完成整个子系统的工作任务。整个微波腔所需的电能由蓄电池提供，经过变压器升高电压，高电压通过磁控管产生微波，最后由波导将微波传送至微波腔。金属风扇用于将微波腔内的工质搅拌，使得工质能够得到充分且均匀的加热。在整个加热过程中，由于压力特别高时会呈现显著的真实气体效应，气体在温度特别高的情况下发生离解甚至电离，变成理想气体的混合物，所以我们采用压力传感器和温度传感器同时检测微波腔中的状态，将信息转送到星载计算机，通过星载计算机的精确计算和综合分析，对加热时间进行精确的调控。
37.在其中一个实施例中，推进剂供给子系统包括加压罐，柔性储水囊以及第二电磁阀；加压罐用保温材料制成，用于储存用于系统增压的高压气体；柔性储水囊用于存储液态的水工质；第二电磁阀用于控制水工质流入微波加热子系统；当需要加载水工质至微波加热子系统时，控制子系统发出指令，控制第二电磁阀打开，加压罐中的高压气体挤压柔性储水囊中的水工质经过第二电磁阀流入微波加热子系统中；当通过电磁阀的水达到预设值时，控制子系统再发出指令，控制第二电磁阀关闭。
38.具体的，推进剂供给子系统以贮存在加压罐中的高压氦气作为增压气源。加压罐由保温材料制成，水工质以液态存储在加压罐内的柔性储水囊中。
39.当需要加注水工质时，控制子系统的星载计算机发出指令，通过控制电路将第二电磁阀开关打开，加压罐中的高压氦气挤压着柔性储水囊中的水经过电磁阀流出。当通过电磁阀的水达到所需值的时候，星载计算机再通过控制电路发出指令，关闭第二电磁阀。
40.柔性储水囊中的温度通过内置于其中的电阻丝控制在300k左右。第二温度传感器通过实时测量将水温反馈给星载计算机，与加热控制器相互配合，完成柔性储水囊中水的保温工作，以保证推进剂供给系统持续稳定的运行。
41.在其中一个实施例中，温度调节子系统包括第二温度传感器、加热控制器和加热电阻；第二温度传感器和加热电阻均置于柔性储水囊中，第二温度传感器用于测量柔性储水囊中水工质的温度，并将检测的值传送至控制子系统；加热控制器用于根据控制子系统发送的指令控制加热电阻对柔性储水囊中水工质进行加热。
42.具体的，温度调节子系统用于维持柔性储水囊中的温度,避免在太空低温低压的环境下水发生结冰，从而保证系统正常的工作效率。在整个系统的运行过程中，第二温度传感器会实时检测柔性储水囊中的水温，并将数据传输给控制子系统的信号采集卡，通过星载计算机的计算处理，将信息反馈给加热控制器。根据星载计算机的反馈，加热控制器会对柔性储水囊做出升温或降温的处理，从而将柔性储水囊中的水温控制在一定的水平，避免水的结冰等不利情况的发生。
43.在其中一个实施例中，推力室子系统包括缩放喷管和换向阀；换向阀的控制端与控制子系统连接，用于微波加热子系统流出的控制高压过热水蒸气流入缩放喷管；缩放喷管由喷管前半段的收缩段，中间的喉部和末段的扩张喷管组成。
44.具体的，在推进系统产生推力的最后一环，喷管的任务需求是将微波加热腔内高温状态的水蒸气不断提速至1500m/s以上的速度喷出。作为优选，缩放喷管是最合适的喷管类型。
45.缩放喷管由喷管前半段的收缩段，中间的喉部和末段的扩张段组成。其中高压过热水蒸气在喷管的收缩段由初始速度极低的情况下开始流动，至喉部时即达到当地声速，通过喉部在扩张段继续加速流动(此时流速超过当地声速)然后喷出。整个过程假设为气体在一维的稳态流动状态下来进行性能估计和计算以设计喷管。
46.收缩段的喷管的性能主要取决于喷管的收缩比和收缩曲线。气流在收缩过程中既要保证气流的稳定流动又要在体积有限的情况下使气体加速。实验的几种办法中有维代法，五次曲线，三次曲线，移轴维代法等。经过设计分析，移轴维代法具有整体分布较均匀，喷管后的速度场均匀，通过移轴量大小灵活控制曲线形状等优点，是最好的收缩形面选择。
47.喷管喉部是跨声速流动的开始，而喷管喉部的流动参数是工质超声速段的开始。
这里需要对喉部流场求近似解，作为优选采用kliegel方法，除了靠近壁面的部分外，它的结果是可靠的。
48.扩张段的喷管设计需注意在高马赫数的状态下维持气流的稳定性，采用轴对称的圆形截面的形面。高超声速气流喷出出口截面时，使高速气流尽量保持平直均匀，所以扩张段喷管分为初始膨胀段和消波段。在初始膨胀段，喷管曲面逐渐向外扩张，这一段里面的气流向外膨胀而加速和产生一系列的膨胀波。在消波段，壁面斜率逐渐缩小，气流向内膨胀并产生压缩波以抵消之前产生的膨胀波，最终在出口处形成平直均匀的超声速气流。
49.在其中一个实施例中，缩放喷管为拉瓦尔喷管。
50.推力室子系统主要由拉瓦尔喷管和换向阀组成，加热后的气体通过第一电磁阀后，经由换向阀进入不同方向的喷管来完成不同要求的推进任务，从而保证微纳卫星具有较高的姿态控制精度。
51.在其中一个实施例中，电源子系统包括太阳能帆板和蓄电池；蓄电池用于储存来自太阳能帆板的电能。
52.具体的，太阳能帆板选用常用于商用微纳卫星的折叠式太阳帆板。
53.单面太阳电池阵列的最大输出功率可表示为:
54.p
mppt
＝(ns·vmppt-vd)
·
(n
p
·a·jmppt
)
55.式中,p
mppt
代表单面太阳电池阵列的最大输出功率；ns代表电池片串联数量；n
p
代表电池片并联数量；v
mppt
代表单片电池最大功率点电压，vd代表反向二极管压降；a代表单片电池片面积；j
mppt
代表最大功率点电流面密度。由此计算得出，太阳帆板的功率约为448瓦，再乘以通常转化效率25％，得出最大供电功率为112瓦。
56.由于太阳能的不稳定性，为了更好地利用能源，本发明中采用18650锂离子蓄电池组进行能量储存与能量供应。18650锂离子电池作为最为广泛使用的蓄电池，具有比能量高、成本低廉、供电稳定等优点，经其组合而成的蓄电池系统，适用于低成本卫星领域。
57.作为优选，锂离子电池选用bpi-18650-3s16p-11.1v型号，可以输出最大500瓦的功率。
58.在其中一个实施例中，控制子系统包括星载计算机、控制电路以及信号采集卡；控制电路和信号采集卡与星载计算机连接；信号采集卡与第一温度传感器、第一压力传感器、第二温度传感器连接；控制电路与第一电磁阀、第二电磁阀、换向阀、磁控管以及加热控制器连接。
59.上述的一种微波加热水推进系统应用于12u的卫星中，采用微波加热水推进系统的微纳卫星结构布局如图3所示，微波加热水推进系统三维结构布局示意图如图4所示。整个微波加热水推进系统大概占8u的体积，其中的推进剂供给系统占2u，微波加热系统占2u，推力室系统占2u，最后的电源系统大概占1.5u。
60.在一个验证性实施例中，对系统进行了理想化的参数计算，不考虑由阻力、传热等带来的各种损失。把高压过热水蒸气看作理想气体，满足理想气体方程式pv＝rgt。以下的计算均是在单次用水量m＝20g，柔性储水囊中液态水的温度为t0＝300k的假设下进行计算。
61.首先是电源子系统的供电功率，太阳能帆板的总面积没有特殊限制，一组帆板一般允许折叠2-5次，折叠后面积和卫星的一侧面积相当。
62.假设总面积为：s＝2*2*3*0.06＝0.72
㎡
，在距离地球表面600km的轨道处的太阳辐射功率大概是1400w/
㎡
,假定太阳能帆板的转化效率为25％，可以得到太阳能帆板的供电功率为：w＝s*0.25*1400＝252w。
63.锂离子蓄电池bpi-18650-3s16p-11.1v。在推进系统工作时可以提供约500w的功率,11.1v的交变电压。
64.微波加热腔的总效率为：
65.代入参数后计算可得总效率n0约为0.7。
66.再由公式
[0067][0068]
假设cv＝1.57kj/(kg*k)，t＝1000k得出加热时间为t＝62.8s。
[0069]
微波加热腔即为微波谐振腔。微波谐振腔尺寸的设计采用矩形谐振腔，设计的原则是设计的谐振腔应具有尽可能多的振荡模式，使它们叠加后能够取得较为均匀的能量分布状态。先确定波长和期望的振荡模式，然后计算这种矩形谐振腔的尺寸大小。
[0070]
实施例中使用2450mhz的磁控管，波长为12.24cm，频谱范围δf＝10mhz。假定谐振腔沿x,y,z方向上的边长分别为a,b,l而m,n,p是电磁波在谐振腔内长宽高方向上的驻波数，(m,n,p)的各种可能的组合代表电磁场的分布。
[0071]
光速设为c,由公式：
[0072][0073]
计算可得出多组符合计算要求的模式数目及对应的谐振频率，再从中选择模式最多，频率间隔较均匀的，有利于改善加热均匀性的组合；谐振模式分布应该较均匀，在中心频率两边存在大致相同的谐振频率；模式标号最好为奇偶相当，利用模式奇偶互补使场分布更加均匀，得到合适的谐振腔尺寸。经过编程计算，得到：在1u的框架下，最多有3种不同的模式，而且奇偶互补。最终选择了a＝8.63cm,b＝8.63cm,c＝8.72cm的矩形谐振腔，体积约为650ml。
[0074]
其次是喷管形状的设计，由于推进器对高比冲的性能的需要，因此采用了拉瓦尔喷管。喷管的设计主要包括喉部也就是临界截面的面积a
cr
，出口的截面面积a2，长度以及曲线的形状来获得较好的加速效益。根据控制喷管体积和尽量提高喷管的喷气速度的原则来设定喉部的截面面积a
cr
＝0.283mm2和出口截面的压强，通过出口截面与临界截面的压强比来获得出口截面的面积a2约为20mm2。由已经获得的临界截面的面积通过理想的收缩比来求出入口截面面积为18.01mm2。那么由经验公式来得到收缩段的长度l1为3mm。扩展部分长度无一定标准，如果选择过短，则气流扩张过快，易引起扰动增加内部摩擦损失；如果选择过长，则气流与壁面摩擦损失增加，也不利。由设计的顶锥角ψ＝10
°
[0075]
根据公式：
[0076][0077]
确定扩张段的长度l2为23.97mm。图5是由移轴算法编程得出的喷管形状结果。该方法设计出来的速度要比普通的喷管高出8％。
[0078]
最后就是喷气速度、单个喷管产生的推力、获得的动量的计算。首先由理想气体状态方程pv＝rgt。设定微波加热系统将过热水蒸气加热到1000k，14.19mpa，此时喷管入口处过热蒸气的比体积比热比约为1.3，rg＝461.5j/(kg*k)，临界压力比为0.546。根据绝热流动的公式，通过编程我们可以得到如下结果：
[0079]
表1喷管气体参数
[0080][0081]
获得的流量为3.94g/s，单个喷管推力为7.1n，喷气的时间为5.07s，提供的动量为36.0n*s，比冲为180s。由此可见，参数的设置比较合理，而且喷气速度相比一般的冷气推进更高，推力较大，可以为卫星提供较大的比冲。
[0082]
在一个实施例中，如图6所示，提供了一种推进控制方法，该方法应用于上述微波加热水推进系统进行推进控制，该方法包括步骤：
[0083]
步骤s100：获取姿态调整指令，并根据姿态调整指令计算所需水工质的流量和高压过热水蒸气的预定温度或预定压力。
[0084]
步骤s200：发出电磁阀打开指令，通过控制电路打开推进剂供给子系统中的第二电磁阀，推进剂供给子系统中的水工质通过第二电磁阀注入微波加热子系统中。
[0085]
步骤s300：当水工质的加注量达到预设值，则关闭第二电磁阀。
[0086]
步骤s400：启动微波加热，并实时采集微波加热子系统的温度和压力。
[0087]
步骤s500：当高压过热水蒸气的温度达到预定温度时，通过控制电路打开微波加热子系统中的第一电磁阀和推力室子系统的换向阀，高压过热水蒸气通过第一电磁阀和换向阀后注入缩放喷管中，完成推进任务。
[0088]
在其中一个实施例中，方法还包括：根据接收到的推进剂供给子系统中柔性储水囊中水工质的温度，当温度达到启动加热的预定值时，发送指令至加热控制器，控制加热电阻对水工质进行加热。
[0089]
应该理解的是，虽然图6的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图6中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
[0090]
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例
中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0091]
以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。