电推力器气体比例流量控制技术的展望

胡 竟，张天平，杨福全，李 沛

（兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理重点实验室，兰州 730000）

电推力器气体比例流量控制技术的展望

胡 竟，张天平，杨福全，李 沛

（兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理重点实验室，兰州 730000）

针对航天器在轨期间的高精度姿轨控机动和无阻尼调节需求，电推力器贮供单元必须采用比例流量控制阀以实现推进剂流量的高精度、宽范围、低噪声调控。目前正在发展的比例流量控制阀主要利用材料的应变特性和微小流量通道的节流作用，通过调节和控制材料的应变量进而改变流道的结构尺寸，实现推进剂的快速、稳定、连续可调。文章系统介绍了国内外比例流量控制阀的发展概括，并在分析国内未来航天使命应用需求的基础上，对该技术的发展趋势进行了分析和展望，以期对比例流量控制阀的研制提供指导。

电推力器；比例流量控制阀；磁致伸缩材料；压电陶瓷材料

0 引言

电推力器由于其比冲高、寿命长、工作模式精确可调等显著特点，多用于航天器位置保持、姿态控制及轨道转移等领域[1]。为确保电推力器稳定工作，必须对进入阴极、放电室的推进剂流量进行精确控制。根据航天器轨道机动任务的不同需求，各国卫星的电推力器贮供单元主要采用基于粉末冶金多孔金属塞片的热节流器[2-9]、标准孔板及毛细管类型的节流器[10-12]等气体流量控制部件进行推进剂气体流量控制。而采用热节流器及标准孔板制式的气体流量调节方式均需在贮供单元中配以复杂的机械或电子压力隔离及调节模块，对相关阀门的启闭可靠性及寿命提出了极高的要求。同时，受传统调压组合方式精度低、响应慢、扰动大等固有特性的制约，现有电推力器贮供单元的推进剂调控方式和能力已无法满足未来航天器日趋复杂多样化的姿轨控机动要求，使得电推力器在航天器中的应用受到很大影响。

针对上述问题，并结合航天器在轨期间的高精度姿轨控机动和无阻尼调节需求，电推力器贮供单元必须采用基于比例流量控制阀的比例流量供气方式以实现推进剂流量的高精度、宽范围、低噪声调控。目前正在发展的比例流量控制阀主要利用材料的应变特性和微小流量通道的节流作用，通过调节和控制材料的应变量进而改变流道的结构尺寸，实现推进剂的快速、稳定、连续可调。

根据推进剂流量调节原理的差异，比例流量控制阀大致可分为三种：磁致式、压电式及电热式。磁致式比例流量控制阀是以磁致伸缩材料为基础，利用磁致伸缩材料在外加磁场作用下内部磁畴的磁化方向重新排布产生宏观尺寸变化的特性和微小流量通道的节流作用，在恒定入口推进剂压力的情况下，通过调节和控制磁致伸缩材料应变量进而改变流道的结构尺寸，实现推进剂微小流量的精准调节；与磁致式比例流量控制阀调节机理相类似，压电式比例流量控制阀同样以改变流体的流量通道最终实现推进剂流量的精确调节，但压电式比例流量控制阀采用的是压电陶瓷材料，利用其逆压电效应，通过改变外加电场的强弱达到调整材料应变量并实现流量通道的改变。而区别于上述改变流量通道的方式，电热式比例流量控制阀利用小孔节流原理和推进剂黏性随温度变化明显的特性，通过调节温度实现推进剂微小流量的调节。鉴于磁致伸缩材料良好的应变特性及稳定性，在比例流量控制阀实现推进剂微小流量高精密调节得到广泛应用。

文章系统介绍了国内外比例流量控制阀的发展概括，并在分析国内未来航天使命应用需求的基础上，对该技术的发展趋势进行了分析和展望。

1 比例流量控制技术

针对重力梯度卫星在轨机动任务要求，为了保证重力梯度卫星的测量范围和灵敏度，需要卫星推进系统对卫星飞行过程中非重力因素进行补偿，而为保证阻尼补偿的及时性和其精确性，传统化学推进方式的推力调节速率、分辨率和噪声已无法满足卫星重力梯度测量要求，必须采用配备气体比例流量控制技术的电推力器进行阻尼补偿调节。此外，低轨卫星在运行过程中不可避免的会受到大气阻尼的影响，为确保卫星在设计轨道中飞行，必须进行频繁的轨道维持，传统的化学推进方式消耗燃料多且推力扰动大，无法实现连续阻尼补偿。同样必须采用基于比例流量控制技术的推力连续可调的电推力器，可达到在进行轨道维持的同时正常高精度成像不中断的目标。相关比例控制元件及比例调节原理的引入为实现气体比例流量控制奠定了坚实的基础。

电推力器气体比例流量控制分为压力控制模块和流量控制模块两部分，压力控制模块是将推进剂气瓶中的气体由高压状态（15～20 MPa）调节到流量控制模块工作所需要的低压状态（0.20～0.35 MPa），流量控制模块则是根据推力器工作需要向其阴极、放电室提供准确的推进剂流量。图1为气体比例流量闭环控制线路原理图。

图1 气体比例流量闭环控制线路原理图Fig.1 Schematic diagram of closed loop control circuit of gas proportional flow

图1气体比例流量调节由一个比例流量控制阀和一套基于热测量原理的流量传感器系统实现，流量传感器的输出信号反馈给流量控制阀从而实现闭环控制。

2 国外比例流量控制阀研究

2.1 磁致式比例流量控制阀

（1）美国Moog公司产品

美国Moog公司内研制的比例流量控制阀[13-15]是一种常闭比例电磁阀，在继承产品状态较为成熟的电磁阀技术基础上，通过调整核心驱动结构，Moog公司研制形成了一系列能够满足不同流量要求的比例调节阀产品。该控制阀以磁致伸缩材料为基础，通过调整伸缩材料外围励磁线圈的输入电流，改变磁场的大小，实现阀门磁致伸缩材料的伸缩，进而实现阀芯组件位置的变化，最终提供所要求的流率（压力），一般情况下，比例流量控制阀与下游的反馈元件共同使用，以实现流率（压力）的闭环控制，而下游的反馈元件多为流量（压力）传感器，是电推力器贮供单元的“心脏”，并具有多重功能，在调节压力及流量的同时能够在很宽的压力范围内提供可靠的压力隔离，其本质是一个能够调节流道的调压器。如图2所示为Moog公司Model 51E339型比例流量控制阀。

该产品的主要特点有：（1）非滑动配合，悬置式衔铁设计，并有利于控制多余物的污染；（2）Vespel密封，实现良好气密性的同时吸放气少，不影响推进剂；（3）采用通用接口界面，产品之间具有较好的互换性；（4）全结构焊接。

图2 Moog公司Model 51E339型比例调节阀Fig.2 Moog Model 51E339 type proportional control valve

截止目前，Moog公司根据不同的空间任务需求，研发了多款比例流量控制阀产品，并已成功实现在轨的工程化应用。欧空局于2009年3月17日发射的地球重力场和海洋环流探测器[16-17]（Gravity and steady state Ocean Circulation Explorer，GOCE）采用T5离子电推力器进行卫星在轨期间的大气阻尼补偿。根据探测任务需求，电推力器配备了2套基于Moog公司磁致式比例流量控制阀的推进剂比例供给单元，该控制阀主要对放电室工作所需推进剂进行比例流量供给，并采用闭环控制算法通过调节电推力器放电室推进剂流量、阳极电流及励磁电流最终实现电推力器推力的精准控制。截止探测任务结束，卫星推进系统累计工作时间接近40 000 h。

鉴于GOCE卫星的成功应用，欧空局在BepiCo⁃lombo水星探测器中为T6离子电推力器开发了以Moog公司比例流量控制阀为基础的推进剂流量比例控制单元，图3为T6离子电推力器推进剂比例控制单元功能图。

图3 BepiColombo水星探测器离子电推力器推进剂比例控制单元功能图Fig.3 BepiColombo mercury detector of ion thruster propellant proportion control unit function chart

如图3所示，在BepiColombo水星探测器离子电推力器推进剂比例控制单元中，推进剂通过隔离阀后分为三路，分别向放电室阳极、主阴极及中和器供气。其中，放电室阳极及主阴极均采用了比例流量控制阀，并利用压力传感器实现比例流量控制阀的闭环控制。

此外，美国空军TechSat-21卫星的BHT-200霍尔电推力器[18]及NASA未来开展太阳系外行星探测使命的NEXT-40离子电推力器贮供单元均采用Moog公司的比例流量控制阀进行推进剂比例流量控制。

（2）英国Marotta公司产品

针对星载航天器电推力器推进剂比例流量控制需求，英国Marotta公司以磁致伸缩材料为基础，研制了相应的比例流量控制阀[19-20]，如图4所示。

图4为Marotta公司设计的基于磁致伸缩的比例流量调节阀，该阀门具有多重功能。该产品具有的特点：1）正常处于闭合状态，压力为0.25～20.7 MPa、温度为-54～93℃的范围内产品内漏率低于1.0× 10-6Pa·m3/s；2）在温度0～80℃范围内，具有高精度的流量/压力闭环控制（反馈形式多为流量、流量或阳极电流）；3）推进剂流量调节范围：0.02～25 mg/s；4）整体重量：＜318 g，寿命循环次数：＞100 000次，功耗：＜10 W。

图4 Marotta公司磁致式比例流量控制阀Fig.4 Marotta magnetic proportional flow control valve

2.2 压电式比例流量控制阀

（1）英国Marotta公司产品

针对ROS 2000等离子体电推力器和T6离子电推力器空间轨道任务需求，Marotta公司研制了压电式比例流量控制阀[21-22]，如图5所示。该控制阀可以满足微小推力电推进卫星的推进剂流量控制要求，在推进剂入口压力为0.25 MPa时，流量控制范围为0～25 mg/s。

图5 Marotta公司压电式比例流量控制阀Fig.5 Marotta piezoelectric proportional flow control valve

（2）意大利AAS-I公司产品

针对不同类型空间轨道任务对电推力器需求，在欧空局“通用支持技术计划”支持下，意大利AAS-I公司研制了基于压电陶瓷材料的比例流量控制阀[23]，该控制阀主要包括压电陶瓷盘、S型弹簧、活塞及相关电气接口与机械外壳构成，如图6所示。

该产品的主要性能特点：1）流量调节范围：0～30 mg/s；2）压力调节范围：0.2～17 MPa；3）控制相应速度快：＜200 ms；内/外漏率低：5.0×10-9Pa·m3/s；4）质量小（＜200 g）、功耗低（＜0.1 W）；5）工作温度范围：-30～+50℃；6）具有加热功能，可对入口气体相态进行控制；7）采用PID闭环控制措施可实现气体压力/流量的实时可调；8）非工作状态下，产品断电，在弹簧预紧力作用下，活塞与闸阀基座紧密贴合，阀门处于关闭状态，起隔离阀作用。目前，该产品已完成相关爆破试验、热循环试验及力学验证试验。

图6 AAS-I公司压电式比例流量控制阀Fig.6 AAS-I piezoelectric proportional flow control valve

（3）印度LPSC公司产品

针对小型化、轻量化电推进系统研制要求，印度液体推进系统中心（Liquid Propulsion Systems Center，LPSC）研制了基于压电陶瓷材料的比例流量控制阀[24-25]，如图7所示。

图7 LPSC公司压电式比例流量控制阀实物及剖面图Fig.7 LPSC piezoelectric proportional flow control valve in kind and profile

如图7所示，该控制阀核心元件是：（a）AISI 440C不锈钢基座；（b）钨碳合金球头。不锈钢基座与合金球头具有良好的密封接触面，从而满足阀门整体的漏率要求。在此基础上，采用一套C75S材质的盘形不锈钢弹簧（c），用于为不锈钢基座与合金球头密封所需提供预紧力的同时，为压电陶瓷环（d）提供预紧载荷。

该产品的主要技术特点：1）控制阀中堆叠起来的压电陶瓷环受盘形不锈钢弹簧产生的预紧压力；2）采用无约束的高精度硬质钨碳合金球头和不锈钢基座实现球面间的硬接触密封，以提高阀门抵抗多余物的能力，同时球头在有限的空间内可自由转动，从而将球头与不锈钢基座频繁接触的磨损降至最低；3）盘形不锈钢弹簧所受极限应力远低于其屈服应力强度；4）使用与压电陶瓷材料热膨胀系数相接近的材料，以尽量减小热因素导致的流量及阀体载荷的变化。目前，该产品的启闭次数寿命试验已达到45 000次，并完成了不同环境温度下的流量调节性能测试试验。

2.3 电热式比例流量控制阀

利用推进剂氙气黏性随温度变化明显和毛细管节流原理的特性，Marotta公司设计了基于温控结构形式的比例流量控制阀，如图8所示。

图8 基于温控结构形式的比例流量控制阀Fig.8 Proportional flow control valve based on temperatrue control structure

该控制阀通过对毛细管通电加热改变其内部氙气的黏度和密度等特性，使得其流阻特性发生变化，实现推进剂流量随温度的升高而比例下降的目标，并最终实现推进剂流量的精准变化。截止目前，采用基于温控结构比例流量控制阀的ROS 2000等离子体电推力器贮供单元已通过鉴定级热真空试验和力学试验。图9为ROS 2000等离子体电推力器贮供单元。

图9 ROS 2000等离子体电推力器贮供单元Fig.9 ROS 2000 plasma thruster for storage unit

3 国内比例流量控制阀研究

国内比例流量控制阀已在汽车发动机燃料喷嘴[26]及航空发动机高速开关阀[27-28]中得到广泛应用，但该控制阀的流量控制精度、响应时间及重量远不能满足电推力器的在轨空间应用需求。

目前，针对电推力器推力宽范围连续可调等空间应用需求，北京控制工程研究所、兰州空间技术物理研究所及六院西安航天动力研究所、上海空间推进研究所均开展了比例流量控制阀的研制，但尚未发现相关技术文献报到，相关研究多停留在关键技术巩固阶段，产品技术成熟度远不能满足开展空间环境应用的要求。图10为北京控制工程研究所研制的基于压电陶瓷材料的比例流量控制阀原理样机。

图10 压电式比例流量控制阀原理样机Fig.10 Piezoelectric proportional flow control valve prototype

4 比例流量控制阀发展

随着航天器轨道机动任务的日趋多样化及复杂化，电推力器的应用已成为多类航天器空间任务成败的关键和基础，而基于比例流量控制阀的电推力器气体比例流量控制技术将是未来空间基础科学试验、超低扰动无阻尼控制及精确姿态和位置控制的支撑技术，同时也是电推力器贮供单元实现整机小型化与轻量化的核心技术。

根据国外重力场测量电推力器技术发展情况和我国电推力器技术应用需求，我国基于比例流量控制阀的电推力器气体比例流量控制技术发展，应当紧密结合未来地球重力场测量卫星使命需求和中低轨道航天器阻尼补偿应用需求，以此为基本目标，同时也兼顾深空探测变推力等其他使命航天器的应用。

从国内外比例流量控制阀的发展现状来看，国际上已形成磁致驱动型和压电驱动型两大比例流量控制阀产品，其中美国Moog公司的磁致驱动型比例流量控制阀产品成熟度最高，其余相关国家虽均取得了一定成绩，但其产品远不能满足电推力器开展空间环境应用的需求，还存在比例流量控制阀长期安全、可靠、稳定供气的多种因素制约，而这些因素也成为进一步研究工作的主要立足点。到目前为止，比例流量控制阀研制主要存在的问题有三个方面：

（1）产品设计方面。比例流量控制阀的工作过程包含电、磁、力、热等多种物理场的交互与转换，因此产品设计中需考虑各种因素的影响作用关系，识别并提出关键参数，及各参数间的平衡成为产品设计的难点。但相关理论分析的缺失导致产品设计随意性较大，直接影响到产品最终性能的指标满足性和可实现性；

（2）加工制造方面。比例流量控制阀属于精密部件，产品零件的精密加工是所有功能设计的落脚点，为实现其密封的可靠性和气体流量调节的稳定性，部分零件的加工精度要求极高，而受传统制造工艺水平的限制，比例流量控制阀的高精密加工制造受到严重制约；

（3）组装测试方面。比例流量控制阀零件装配对环境洁净度要求极高，其性能测试则需配套高灵敏度的质量流量计、相应的控制算法及真空试验系统，相关要求的高标准、高起点给比例流量控制阀的研制带来极大困难。

针对目前国内外比例流量控制阀的研究现状以及存在的问题，基于比例流量控制阀的电推力器气体比例流量控制技术的研究重点和技术发展有四个方面：

（1）进一步深入研究比例流量控制阀驱动材料对阀门性能的影响作用机理，构建比例流量控制阀关键性能敏感参数集及合理有效的性能评价体系与方法，确定不同流量需求下的比例流量控制阀设计参数的合理区间，有效支持比例流量控制阀的设计；

（2）科学界定比例流量控制阀零件加工工艺方法，并利用有效的结构设计和合理的配合尺寸链，在不影响比例流量控制阀产品整体性能的基础上，采取全新的产品制造思想，颠覆传统制造技术的束缚，集成应用先进制造技术，有效支撑比例流量控制阀的制造；

（3）开展电推力器推进剂流量调节要求和基于比例流量控制阀的贮供单元推进剂调节能力间的顺应性研究，建立基于拓扑性能评价模型的比例流量控制阀的控制算法，以有效支持比例流量控制阀的调控；

（4）以现有成熟技术为基础，紧贴任务需求，采取强强联合的方式，并充分借鉴和继承国外电推力器用气体比例流量控制技术方面的先进水平是实现电推力器气体比例流量控制的有效措施。

5 结论

气体的比例流量控制是航天器在轨期间得以高精度姿轨控机动和无阻尼调节的基础和核心，也是贮供单元小型化、轻量化的关键。针对国内未来航天使命应用需求，开展比例流量控制阀设计、制造及测试等相关的基础理论方法与关键支撑技术研究在学术方面和技术经济方面都有十分重要的作用。

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PRESENT STATUS AND EXPECTATION OF PROPOORTIONAL FLOW CONTROL VALVES FOR ELECTRIC THRUSTER

HU Jing，ZHANG Tian-ping，YANG Fu-quan，LI Pei
（Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou 730000，China）

Aiming at the requirements for high-precision of attitude and orbit control mechanism and undamped adjustment of spacecraft in orbit，proportional flow control valve must be used in the propellant feed unit of electric thruster. It is possible to regulate propellant flow in a high-precision，low-noise and wide way.Strain properties for materials and throttling effort of micro-flow channels are employed to achieve rapid，stable and continuously adjustment of propellant by adjusting and controlling the material strain to change the size of the flow channel structure.Based on the domestic space mission application requirements in the future，this thesis introduces the development of proportional flow control valve and analysis its trend to provide guidance on its development.

electric thruster；proportional flow control valve；magnetostrictive materials；piezoelectric ceramic materials

V439+.1

A

1006-7086（2017）01-0013-07

10.3969/j.issn.1006-7086.2017.01.003

2016-06-14

真空低温技术与物理重点实验室基金（9140C550206130C5503）

胡竟（1988-），男，宁夏吴忠人，工程师，硕士，主要从事放电等离子电推力器技术与应用工作。E-mail：hjing37615486@163.com。