用于调节气体流量的装置和方法与流程

本发明更具体地涉及用于调节气体流量、旨在为航天器的推进设备供气的装置和方法。

本发明特别涉及用于调节旨在向航天器的推进设备供应的气体的流量的装置，该装置包括：加压气体、特别是氙气的罐；流体回路，该流体回路连接到该罐并包括抽出管，该抽出管具有连接到该罐的上游端和旨在连接到比如等离子体发动机等推进构件的至少一个下游端，该抽出管包括从上游到下游串联布置的第一隔离阀、第二调节阀和用于测量该第二调节阀下游压力的构件，该第二调节阀被配置为根据该下游压力测量构件测量的压力提供流量和/或压力的限定调节。

等离子体推进的卫星具有使用比如氙气等气体的推进器。调节后的气体流供应两个分支，每个分支设有校准孔口以用于分别供应推进系统的阳极和阴极。

为了获得令人满意的推进力，必须向推进构件供应精确的气体流量。

已知的流量调节装置使用两个串联的阀：常闭上游隔离阀(具有全开或全闭控制)和下游流量调节阀。下游阀是具有全开或全闭控制的阀，其通过下游压力开关在压力方面进行控制(参见例如由vacco生产的调节器(“智能流量控制”参见文献1302500-01))。也就是说，根据压力(或施加的流量)设定值，下游压力开关将命令第二阀打开或关闭，以便将压力和流量调节到设定值。这种全开或全闭控制在英语中也称为“开关(bang-bang)”控制。

然而，这个解决方案导致所得气体流量的压力变化(设定值压力任一侧至少5％的变化量级)。此外，通过这个解决方案，在控制阀出现故障的情况下，调节仍然不可能。

根据另一种已知配置，两个“全开或全闭”阀在抽出管中串联布置，并且每个分支(阳极和阴极)包含调节阀。除了其高成本和复杂性(四个阀)之外，这个解决方案不能为上述问题提供令人满意的解决方案。

本发明的一个目的是减轻现有技术的所有或一些上述缺点。

为此，根据本发明的装置另外被在上述前序部分中给出的通用定义所覆盖，其基本特征在于，第二调节阀至少包括电控可变通量“pcv”类型的比例阀。

此外，本发明的一些实施例可以包括以下特征中的一个或多个：

-第一隔离阀还包括电控可变通量“pcv”类型的比例阀，

-该装置包括电子数据采集、存储与处理构件，该构件被配置为基于由下游压力测量构件测量的值来控制该第二阀和该第一阀中的一个或两个，

-该装置包括用于测量该第一阀上游压力的构件，该电子数据采集、存储与处理构件被配置为基于该上游压力测量构件测量的值来控制该第二阀和该第一阀中的一个或两个，

-在该第二阀没有任何故障的情况下，该电子数据采集、存储与处理构件被配置为以全开或全闭操作控制该第一阀，也就是说，该第一阀仅在两种配置之间切换：完全打开和完全关闭，并且，该电子数据采集、存储与处理构件被配置为以比例操作控制该第二阀，也就是说具有多个可能的开度，以便根据多个可能的值将抽出气体的流量调节到限定的流量和/或压力，

-在该第二阀发生故障的情况下，该电子数据采集、存储与处理构件被配置为以比例操作控制该第一阀，以便根据多个可能的值将抽出气体的流量调节到限定的流量和/或压力，

-该第二阀(8)和该第一阀中的一个或两个是热启动比例调节阀，

-该热启动比例调节阀在未加热到高于给定阈值(例如在50℃与180℃之间，优选在80℃与120℃之间)时是常闭的，

-该热启动比例调节阀包括：本体，该本体限定用于气体的入口和出口并在该入口与该出口之间容纳至少一个、优选地两个活塞以及比如蓝宝石的闭塞器，该闭塞器被配置为根据该闭塞器与该一个或多个活塞之间的相对位置而中断或允许该入口与该出口之间限定的气体流动，该一个或多个活塞固定到该本体，该本体外设置有加热构件，该本体具有与这些活塞的热膨胀系数不同的热膨胀系数，以便根据该本体的加热程度相对于该闭塞器将这些活塞移动到限定的位置，以调节气体的流量，

-根据比例-积分控制或比例-积分-微分控制来调节该第二阀和该第一阀中的一个或两个，

-该第二阀和该第一阀中的一个或两个被配置为将气态氙的流量调节到0与50mg/s之间、优选地0与20mg/s之间，

-该流体回路包括至少一个抽出分支，该抽出分支具有连接到该第一阀上游的抽出管的上游端和旨在连接到气体消耗器的下游端，该抽出分支包括至少一个阀，

-该至少一个抽出分支的阀是电控可变通量“pcv”类型的比例阀，

-该装置包括用于测量该第一阀上游的温度的构件，该电子数据采集、存储与处理构件被配置为基于该上游温度测量构件测量的值来控制该第二阀和该第一阀中的一个或两个，

-该装置包括用于测量该第二调节阀下游的温度的构件，至少该第二调节阀被配置为根据由该下游温度测量构件测量的温度提供流量和/或压力的限定调节。

本发明还涉及一种通过上述或下述任一特征中所述的流量调节装置向航天器的推进设备供应氙气的方法，其中，气体流以一定压力和/或流量从该罐传递到该抽出管的下游端，该压力和/或流量根据由该下游压力测量构件测量的压力值通过该第二调节阀的比例控制来限定。

本发明还可以涉及包括以上或以下特征的任何组合的任何替代装置或方法。

通过阅读参考附图给出的以下描述，其他特定特征和优点将变得显而易见，在附图中：

-图1是展示了根据本发明的调节装置的结构和操作的第一实例的示意图和局部视图，

-图2是展示了根据本发明的调节装置的结构和操作的第二实例的示意图和局部视图，

-图3是以截面展示了可以用于根据本发明的调节装置中的阀的结构和操作的实例的示意图和局部视图。

图1和图2中所示的气体流量调节装置1旨在为航天器的推进设备供应。该装置通常包括加压气体(例如，氙气)的罐2，加压气体的压力特别是在几巴与200巴之间。

该装置包括抽出管3，该抽出管具有连接到罐2的上游端和旨在连接到推进构件6的下游端4、5。更具体地，下游端可以分成分别连接到推进系统的阳极和阴极的供应装置的两条平行线路4、5。这两条线路4、5各自优选地仅包括一个校准孔口并且不包括受控阀系统。

抽出管3在两条线路4、5的上游包括用于调节气体流量的阀7、8的系统。特别地，装置1包括第一隔离阀7和第二调节阀8。在第二调节阀8的下游，该装置包括位于第二调节阀8下游的压力测量构件9(比如，压力传感器)。这个第二调节阀8被配置为根据由下游压力测量构件9测量的压力提供流量和/或压力的限定调节。

根据一个有利特征，第二调节阀8包括电控可变通量“pcv”类型的比例阀。

例如，该装置包括电子数据采集、存储与处理构件10，该构件被配置为基于由下游压力测量构件9测量的值来控制第二阀8(并且可能还控制第一阀7)。

优选地，第二阀8以比例操作(特别是比例-积分-微分或“pid”)受到控制。也就是说，对第二阀的可变开度进行排序，以便实现压力和/或质量流量的限定设定值(例如，分别为一巴至两巴和1.2至2mg/s)。

电子数据采集、存储与处理构件10包括例如微处理器，并且可以是自动机、计算机或任何其他等效系统。用于控制阀8的这种电子逻辑可以例如被集成到阀8中或位于单独的设备中。

根据这个配置，当调节压力水平时，例如第二阀8下游的压力保持在1.8巴。这个调节模式使得可以以非常高的精度和稳定性保持该设定值压力(例如，波动最多1％)。

优选地，阀8是热启动比例调节阀(参见例如文献ep1204906a1的实例)。例如，阀8在未加热到高于给定阈值(例如在50℃与180℃之间，优选地在80℃与120℃之间)时是常闭的，并且加热设定值使得可以按顺序调节开度而改变气体流量。

例如，并且如图3所示，热启动比例调节阀8可以包括本体12，该本体限定用于气体的入口15和出口16。本体12在入口15与出口16之间容纳至少一个、优选地两个管状活塞11和布置在两个活塞11之间的闭塞器(比如蓝宝石)14。闭塞器14被配置为根据闭塞器14与活塞15、16之间的相对位置来中断或允许通过活塞11在入口15与出口16之间限定的气体流动。

活塞11(例如，通过焊接到本体的两端)固定到本体12。本体12之外设置有加热构件13，比如围绕本体12盘绕的电阻。本体12(例如，由不锈钢或铬镍铁合金制成)具有与活塞11的热膨胀系数不同的热膨胀系数(活塞由比如因瓦合金(invar)的铁合金制成)。

阀8是(在未加热时)常闭的。在这个位置，活塞11与闭塞器14处于密封接触。通过电阻13的加热实现打开。这种加热引起本体12膨胀，该膨胀大于活塞11和闭塞器14的膨胀。然后，活塞11与闭塞器14分离(在图2中箭头方向上相对于闭塞器分离)。

例如，对于这种加热控制，2w的功率和300ma的电流可能就足够。打开和调节这个开度所需的典型温度可以根据阀的制造参数来选择。非限制性地，这些温度可以例如在80℃与120℃之间。

这个阀8可以在其入口处接收处于例如200巴量级压力的气体。

这种类型的阀是紧凑的(质量为五克，长度约为两厘米量级)，并且特别适于经由pid类型的控制系统将气体流量调节到例如0与20mg/s之间。以pid方式受控以调节压力/流量的物理变量可以是供应给阀8的加热电阻的电流。

根据一个有利特征，优选地，第一隔离阀7还可以包括电控可变通量“pcv”类型(并且特别是与第二阀8的类型相同)的比例阀。

因此，在第二阀8没有任何故障的情况下，可以以全开或全闭操作控制第一阀7，也就是说第一阀7仅在两种配置之间切换：完全打开和完全关闭。相反，在第二阀8发生故障的情况下(例如，如果它不能关闭)，可以以比例模式控制第一阀7，以便根据多个可能的值将抽出气体的流量调节到限定的流量和/或压力。因此，第一阀7可以构成用于流量调节功能的冗余解决方案。

如图2中更详细所示，抽出管3可以在第一阀7的上游包括下列中的至少一个：上游温度传感器27，设有连接器23以用于填充罐2的管，用于加热气体的元件24，过滤器26，上游压力传感器21。应注意，如图2中通过填充线路上的叉号表示，在填充罐2之后，填充装置可以移除并且填充线路可以被密封(在单次使用的情况下)。

此外，流体回路可以包括两个抽出分支17、18，这些抽出分支的上游端连接到第一阀7上游的抽出管3，下游端旨在连接到气体消耗器(例如，以便为例如航天器钝化系统或应用进行供应)。每个抽出分支17、18包括隔离阀19、20，这些隔离阀也可以是与上述第二阀8相同的类型(在全开或全闭模式下使用的比例开度阀)。

在第二阀8的下游和两条线路4、5的上游，抽出管3优选地包括集气室26，也就是说，用于稳定气体压力和流量的缓冲容积，其用作用于控制阀8的参考。

这个集气室26优选地是小的，例如容积小于2cm³。如果需要，可以简单地通过对抽出管3局部加宽来形成这个集气室26。优选地，在集气室26处执行下游压力测量9。类似地，在这个点处可以执行下游温度测量22。

如图所示，通过第二阀8调节流量和/或压力也可以取决于以下中的至少一个：在第一阀7上游测量11的气体温度，在集气室处测量22的气体温度。

根据这些配置获得的流量/压力调节使得可以达到1％量级的精度。所使用的阀7、8的实例意味着该装置(在耐久性、精度等方面)非常可靠。