国外电推进系统推进剂供给技术的发展

王小永，张洪鹏，胡 竟，李兴坤

（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）

0 引言

电推进系统具有比冲高、寿命长等显著特点，采用电推进系统已成为提升航天器整体性能与技术水平的重要手段，美国、俄罗斯、欧洲等国外航天技术先进国家和地区在20世纪90年代中期就已经实现了电推进系统在航天器中的商业应用，取得了显著的经济效益[1-2]。进入21世纪后，电推进在航天领域中的应用更是日益广泛和深入[3-7]，推进剂供给技术作为电推进技术的重要组成部分也同步得到了快速发展。美国、法国等国家在传统的推进剂供给技术基础上，积极开展新技术探索与研究，先后开发出了高性能电推进系统所需要的多功能阀门、高精度质量流量传感器以及低功耗毛细管式流量控制器等新一代推进剂供给组件产品，并在近几年发射的航天型号中逐步得到了应用，大幅提升了推进剂供给单元的综合性能，并由此实现了供给单元的小型化、轻量化及高可靠目标。

1 推进剂供给单元功能与性能

1.1 推进剂供给单元功能

目前的电推进系统基本上都采用高纯氙气（Xe）作为推进剂，推进剂供给单元通常也称为氙气供给单元（XFU），其主要功能是为电推进系统中的电推力器提供符合流量指标要求的高纯氙气，具体包括三个方面：（1）实现系统内高、低压推进剂间的可靠隔离；（2）对贮存在氙气瓶内的高压推进剂进行压力调节（减压和稳压）；（3）对调压后的低压推进剂进行流量分配和控制。根据功能要求，电推进系统推进剂供给单元通常由压力隔离与调节模块（简称“调压模块”）和流量分配与控制模块（简称“流量控制模块”）两部分组成，不包含推进剂贮存容器（氙气瓶或氙贮箱）。调压模块主要用于对贮存在气瓶中的高压推进剂进行减压和稳压，以保证流量控制模块的入口压力满足要求，同时可实现航天器发射阶段和在轨非工作期间电推进系统内高、低压推进剂间的可靠隔离；流量控制模块的主要功能是按照下游电推力器的工作需求进行推进剂分配，并对各路推进剂流量进行准确控制，保证输入电推力器中的各路推进剂流量满足工作要求[8]。目前，已经实现航天应用的电推进系统主要有离子型和霍尔型两大类，离子推力器共需要三路推进剂输入，分别为阳极、阴极和中和器，霍尔推力器需要两路推进剂输入，分别为阳极和阴极。

1.2 推进剂供给单元性能要求

电推进系统推进剂供给单元具有以下几个方面的特点：

（1）高调压比与高压力输出稳定度

为了提高贮存效率，空间电推进系统中的推进剂（高纯Xe）一般都采用超临界高压方式储存，初始贮存压力为15 MPa左右，而推进剂供给单元中流量控制模块的入口压力较低，通常为0.3 MPa左右，这就要求调压模块应具有很高的调压比（输入压力与输出压力之比），通常为50∶1左右，最高甚至达到或超过100∶1，压力输出稳定度要求也很高，通常为±2%左右，以确保流量控制模块的流量控制精度满足任务要求。

（2）高精度、微流量控制和宽范围快速可调

离子与霍尔电推进系统的推进剂流量很小，通常从0.1~20 mg/s不等，即使将来的百千瓦级高功率电推进也不过100 mg/s左右，控制精度一般在±3%~±5%之间；某些高稳定推力领域对控制精度的要求更高，须达到±1%左右；无拖曳飞行要求推进剂流量在较宽范围内能够高精度快速可调。

（3）连续工作时间长

推进剂供给单元的单次工作时长由电推进系统的单次工作时间决定。任务性质不同，电推进系统单次工作时间不同，新技术试验卫星上的电推进系统单次工作时间通常从几分钟到几十分钟，最长为数小时；GEO长寿命卫星上承担在轨位保任务的电推进系统单次工作时间一般为1 h左右，轨道转移所对应的单次工作时间通常在数小时到数十小时，甚至上百小时之间；用于深空探测主推进的电推进系统单次工作时间更长，如美国深空一号（DS-1）上作为主推进的NSTAR-30cm离子电推进系统最长一次连续工作时间达到了335 h。

（4）开、关工作寿命长

推进剂供给单元必须具有与电推进系统相同甚至更长（如压力调节阀等部件）的开、关工作寿命。电推进系统开、关工作寿命与其所承担的任务性质有关，用于执行近地小行星探测使命的电推进系统的开、关工作次数须达到10 000次；长寿命航天器，如应用最为广泛的GEO长寿命通信卫星平台电推进系统的开、关工作寿命设计值通常为6 000~12 000次。

2 国外推进剂供给技术发展与应用现状

2.1 传统推进剂供给技术

电推进系统推进剂供给技术包括推进剂高-低压隔离技术、压力调节（包括减压与稳压）技术和微流量控制技术三个方面。

在航天器发射阶段及电推进系统非工作状态下，推进剂贮存容器内的高压推进剂与供给单元中的低压推进剂之间是否可靠隔离，直接关系着推进剂供给单元的结构安全性。在国外已实现飞行应用的电推进系统中，推进剂高、低压隔离主要采用长闭电爆阀与自锁阀串联的技术方案，长闭电爆阀闭锁可靠性高，主要负责航天器发射阶段严酷力学环境下的高低、压隔离，自锁阀则承担航天器在轨阶段电推进非工作状态下的高、低压隔离任务；也有单独使用自锁阀或电磁阀实现压力隔离功能的，如美国在DS-1和DWAN上使用NSTAR-30cm离子电推进系统和欧洲ARTEMIS卫星与GOCE卫星离子电推进系统等，但这对阀门的工作可靠性，尤其是关闭可靠性提出了很高的要求。压力调节主要有机械调压、电子调压（Bang-Bang调压）以及机械与电子组合调压三种方案，美国、欧州以机械调压或电子调压方案为主，俄罗斯普遍采用机械与电子相组合的调压方式。为了提高工作可靠性，压力隔离与调压模块通常采用主、备支路的冗余设计。在流量控制方案中，美国和欧洲主要采用热节流器技术，这种技术具有很好的调节灵活性，通过对压力与温度进行调整即可获得所需要的推进剂流量，特别适合于多工作模式或多点工作状态的航天任务；俄罗斯主要采用标准孔板结构，结构简单、可靠性高，但这种结构的流量控制器装配前必须进行严格、精确的流量标定[8]。

分析国外近三十年来已空间应用的电推进系统推进剂供给单元技术方案可以发现，推进剂供给技术的发展很大程度上依赖或取决于阀门、传感器和流量控制器等推进剂管理组件研制及其集成技术的发展。随着阀门研制技术水平，特别是阀门长期工作可靠性的不断提高，利用电爆阀承担或完成贮供单元高、低压隔离功能的技术方案已基本上被淘汰，采用高可靠自锁阀、电磁阀即可独立实现可靠的压力隔离。压力调节更多地采用电子调压取代应用初期质量较大的机械调压或机械与电子组合调压。

2.2 新一代高性能推进剂管理组件技术

经过多年的技术发展与工程研制，国外已成功开发出了多功能阀门、高精度流量传感器以及新一代低压毛细管流量控制器等高性能推进剂管理组件。

（1）新一代高性能多功能阀门技术

众所周知，阀门是电推进系统推进剂贮供单元的核心部件。近年来，随着阀门技术的日益完善与成熟，电推进系统推进剂供给技术也出现了一些新变化，传统的技术方案正在被新的推进剂管理技术方案取代。集推进剂高-低压隔离、压力调节与流量控制三种功能为一体的多功能阀在国外已经研制成功，并达到工程应用水平。其中以美国Moog（穆格）公司和法国阿尔卡特-阿列尼亚（Alcatel Alenia）公司研制的比例阀最具代表性，采用这种阀门不仅可以极大地简化推进剂供给单元的结构设计，还能够有效地克服电子调压精度低、响应慢以及对“Bang-Bang”电磁阀开关工作寿命要求高的缺点，工作时不需要其他阀门和增压容器配合，不存在附加质量，可减轻结构质量。

美国Moog公司的比例流量控制阀（Proportional Flow Control Valve，简称PFCV）基于磁致伸缩原理，是一种常闭比例电磁阀，通过改变阀门线圈中的输入电流，阀门中衔铁组件的行程即会按比例变化，从而提供所要求的推进剂压力或流量；PFCV下游的反馈元件一般是压力传感器、流量传感器或来自于电推力器的束电流，是推进剂供给单元的“心脏”；PFCV具有多重功能，既能调节压力或流量，又能够在很宽的压力范围内提供可靠的压力隔离。Moog公司的PFCV具有无滑动配合、悬置式衔铁、S弹簧导向等特点，使用Vespel密封，也可以在入口或出口安装过滤器[9-10]。

利用Moog公司的PFCV可以实现推进剂隔离、压力和流量控制三种功能。将PFCV与一台比例/集成控制器和下游的压力传感器配合，通过闭环控制可完成压力调节，调节后的压力再传输到下游的固定结构流量控制器。通过改变压力可以改变流量，这种特性对于任务变化或在将来具有不同压力调节要求的飞行任务中能够提供更大的灵活性。经验证，以Moog公司PFCV作为200 W霍尔电推进系统的压力调节模块，具有一次将15.2 MPa的入口高压调节为0.017~0.037 MPa之间低压的能力，控制精度不超过±1%。表1列出了Moog公司研制的几种不同型号PFCV产品的主要性能[9]，图1为PFCV的实物照片[11]。图2为基于Moog公司PFCV的美国200 W霍尔电推进系统推进剂（氙气）供给单元（XFU）的技术方案[12]。

表1 美国Moog公司PFCV的主要性能参数Tab.1 Main performance of the Moog PFCV

图1 Moog公司PFCV产品照片Fig.1 Photo of the moog PFCV product

图2 基于Moog公司PFCV的200 W霍尔电推进系统的XFU技术方案Fig.2 XFU schematic based on the Moog PFCV for 200 W hall electric propulsion system

为了提高欧洲电推进系统的综合性能，法国Alcatel Alenia公司成功研制出了一种具有高压隔离（关断）功能的比例阀（Proportional Valve，PV）工程样机（EM）。该比例阀采用压电技术，能够承受很高的入口压力，流量调节精度高、漏率小、功耗低，非激励时处于长闭固有安全状态。图3是PV的工作原理图[13]。

图3 PV工作原理图Fig.3 PV operation mechanism

图4（a）为带加热装置的PV EM；（b）为不带加热装置的PV EM照片[13]。表2列出了这两种PV EM的性能参数[13]。

表2 法国Alcatel公司PV的性能参数Tab.2 Main performance of Alcatel PV EM1 and EM2

图4 PV EM照片Fig.4 Photo of PV EM model

英国Marotta公司也开发出一种多功能阀门（Multi-Funtion Valve，MFV），可以提供离子和霍尔电推进系统要求的许多高性能，如在-54~93℃温度范围和0.25~20.7 MPa压力下内漏率低于1.0×10-5Pa·m3/s（G He）的常闭压力隔离功能、0~80℃温度下精确的压力与流量闭环调节、工作点电子调节（质量流量调节）比大于25∶1、压力可从20.7 MPa减至10-1Pa量级等。采用该产品可以极大地减少电推进系统推进剂供给单元的组件数量，在提高系统工作可靠性的同时减小质量。表3是Marotta公司MFV产品的主要性能[14]。

表3 Marotta公司MFV产品的主要性能参数Tab.3 Main performance of Marotta MFV

（2）新一代质量流量传感器技术

为了同时实现推进剂流量的高灵敏度和快速时间响应，Alcatel Alenia开发出一种基于热概念的硅结构质量流量传感器（Mass Flow Sensor，S-MFS）[12]，与PV配套使用完成电推进的微流量闭环控制。S-MFS传感元件输出一个0~1 000 mV的电压信号，该信号经一个差分放大器放大和滤波器滤波后转换为0~5 V模拟信号，对应的质量流量为0~40 mg/s。图5为S-MFS结构图[13]，图6为S-MFS在0.05 MPa入口压力、0~40 mg/s（Xe）质量流量范围内出口压力测试曲线[13]，表4列出了S-MFS的主要性能测试结果[13]。

表4 S-MFS主要性能测试结果Tab.4 The S-MFS main performance test results

图5 S-MFS结构图Fig.5 S-MFS structure

图6 S-MFS出口电压与质量流量的关系Fig.6 Relationship between outlet voltage and mass rate of S-MFS

目前，Alcatel Alenia正在对S-MFS进行设计改进，以进一步提高其分辨率和低流量下的工作稳定性。

（3）新一代微流量控制组件技术

Alcatel Alenia在开发和研制比例阀（PV）、质量流量传感器（S-MFS）的同时，还研制出了一种比俄罗斯霍尔电推进系统所使用的毛细管流量控制器体积更小、质量更轻、性能更好的低压毛细管（Low Pressure Capillary，LPC）热节流器。LPC是1根内径为50~100 mm的不锈钢管，两端各钎焊1个不锈钢支撑。图7是1个长度45 mm、内径100 mm的LPC部件实物图[13]（0.08~0.25 MPa入口压力下的Xe质量流量为1.36~13.6 mg/s）。图8为安装在一个圆柱形不锈钢壳体中最终状态的LPC热节流器[13]。表5列出了两种不同流量范围的LPC热节流器的性能参数[13]。

表5 LPC热节流器的主要性能参数Tab.5 main performance of the LPC thermo-capillary

图7 LPC部件及其支撑结构Fig.7 LPC parts and supports

图8 LPC热节流器照片Fig.8 LPC thermo-capillary on a cylindrical stainless housin

图9是基于Alcate公司 研制的PV、S-MFS和LPC等新一代推进剂管理组件所设计的一种电推进系统推进剂供给与控制单元（PFCU）的技术方案[13]，PV通过压力传感器进行压力闭环控制，LPC用S-MFC实现流量闭环控制。该PFCU潜在的应用背景包括SEA的AlphaBus平台等。

图9 一种基于Alcate公司PV、S-MFS和LPC的PFCU技术方案Fig.9 A PFCU Schematic based on Alcate PV，S-MFS and LPC components

2.3 推进剂供给单元小型化、轻量化设计与集成技术

为简化推进剂供给单元的结构、减少组件数量、减小产品体积和质量，除采用上述PFCV、PV和MFV、S-MFS、LPC等新一代推进剂管理组件外，美国VACCO公司综合利用化学刻蚀碟片过滤器技术、高性能Bang-Bang电磁阀技术以及组件高效集成技术等实现了化学刻蚀微系统（ChEMSTM）压力控制模块（PCM）和流量控制模块（FCM）的小型化、轻量化设计与研制，开发出了一种数字化Xe流量控制模块[15]。图10是ChEMSTMPCM模块设计原理图[16]。

图10 ChEMSTM PCM模块设计原理图Fig.10 ChEMSTMPCM design mechanism frame

该模块由1个5μm系统过滤器和4个常闭电磁阀A1、A2、B1、B2在内的5个功能组件构成，工作压力在10 MPa以上，阀门为全焊接钛合金结构、管路材料为钛、采用悬置式衔铁和Viton密封体，模块总质量仅198 g。经测试，循环寿命达180 000次以上。

VACCO开发的数字化Xe流量控制模块（DXFCM）由21个功能组件组成，包括1个5μm过滤器，4个隔离阀C1、C2、D1、D2，8个流量控制阀和8个流阻器，通过不同数量的阀门开、关组合可实现对推进剂流量的精准调节与控制，模块最高工作压力0.82 MPa，采用高可靠阀门设计，总质量398 g。流量最小调节精度0.08 mg/s，流量调节范围0~20.4 mg/s（0.276 MPa、21℃下）。图11为数字化流量控制模块原理框图[17]。图12为ChEMSTMPCM和FCM模 块的实物照片[16]。

图11 数字化流量控制模块原理框图Fig.12 Digital xenon flow control module mechanism frame

图12 ChEMSTM PCM与FCM模块实物照片Fig.12 Products photo of ChEMSTM PCM and FCM

2.4 推进剂供给技术的应用

调研结果表明，目前国外已经发射的各类航天器电推进系统中，推进剂供给仍然以Bang-Bang阀压力调节、热节流器微流量控制等传统的推进剂供给技术为主，但也有个别卫星已经采用了基于新一代推进剂管理组件的推进剂供给新技术，如2006年12月16日美国发射的TACSAT-2卫星BPT-200小功率霍尔电推进系统采用PFCV进行推进剂隔离和压力调节[18]；2009年3月17日欧空局发射的重力梯度与海洋环境监测卫星——GOCE卫星T5离子电推进系统采用PFCV对推力器阳极流量进行控制与调节，有效保证了阳极流量的宽范围、快速调节与高精度控制，实现了卫星的无阻尼飞行[19-20]；2013年11月韩国发射的“科学技术3号卫星（STSAT-3）”中的300W霍尔电推进系统，其推进剂供给单元的高-低压隔离、调压和流量控制均通过Moog公司51E339型PFCV产品实现，第一级利用PFCV进行推进剂隔离与压力闭环控制，PFCV出口压力为0.1~0.3 MPa，第二级利用PFCV通过阳极电流闭环反馈控制流量，PFCV下游2个并联的固定口径式流阻器，将PFCV出口的总流量按比例（7∶1）分配给推力器阳极和阴极，整个XFU总质量只有2.4 kg[21]。

美国针对太阳系Robotic探测任务开发和研制了大功率离子电推进系统——40 cm口径Xe离子电推进系统（NEXT-40），目前已进入最后的地面试验验证阶段，即将实现空间飞行应用。该系统中的推进剂供给单元采用两级压力控制方案，前级采用2台PFCV（Moog公司生产）的并联设计，作为高-低压隔离与初始减压组件，后级针对离子推力器阳极、阴极和中和器各配置1台独立的PFCV，实现各路压力的精细调节，PFCV出口压力在35~70 kPa之间。新技术的采用极大地简化了推进剂供给单元中的阀门配置，提高了系统可靠性，并显著降低了单元质量。图13为美国40 cm口径Xe离子电推进系统推进剂供给单元原理框图[22]。图14和图15分别为其压力调节模块（PRM）高压组件（High Pressure Assembly）和低压组件（Low Pressure Assembly）产品照片[23-24]。美国VACCO公司利用先进集成技术开发的小型、轻质Xe压力与流量控制模块产品也已应用于电推进系统地面试验。图16为VACCO集成后的完整Xe供给系统在NASA GRC进行120 W霍尔推力器点火试验的照片[14]。

图13 美国40 cm口径Xe离子电推进系统推进剂供给单元原理框图Fig.13 The PFU mechanism frame on USA NEXT-40 xenon ion electric propulsion system

图14 美国40 cm口径离子推进系统推进剂供给单元压力调节模块高压组件产品照片Fig.14 The photo of high pressure assembly in USA NEST-40 XFU PRM

图15 美国40 cm口径离子推进系统推进剂供给单元压力调节模块低压组件产品照片Fig.15 The photo of low pressure assembly in USA NEST-40 XFU PRM

图16 VACCO Xe供给系统在120 W霍尔推力器上热点火试验的照片Fig.16 The photo of VACCO integrated xenon feed system in 120 W hall thruster hot fire test

4 结论与建议

从国外电推进系统推进剂管理组件技术发展路线、近几年空间应用方案以及电推进未来空间应用需求分析，以PFCV为代表的推进剂流量比例调节技术是电推进系统推进剂供给技术发展的必然趋势，小型化、轻量化是航天产品永恒的主题。

我国电推进技术经过几十年的发展，已经基本完成在轨飞行初步验证，正式进入飞行应用阶段。目前正在开发和研制的多个GEO卫星平台，均采用了高性能电推进系统，其推进剂供给单元基本上仍然沿用传统的电子调压和热节流流量控制技术，流量控制精度低，系统体积与结构质量较大。针对我国空间电推进系统推进剂供给技术与国外先进技术之间的差距，以及无拖曳空间飞行任务为代表的未来科学探测等需求，提出如下建议：

（1）以PFCV和高精度质量流量计为重点，开展新一代推进剂流量供给组件工程化研制和控制系统开发，并在实验卫星上进行飞行验证，为新一代推进剂流量供给组件空间应用奠定基础，并结合飞行验证结果逐步解决产品的高可靠、高稳定及长寿命问题；

（2）适时开展毛细管流量控制器技术和数字化氙气流量控制技术预先研究，解决关键技术，完善技术储备；

（3）加大电推进分系统单位、贮供单元单机单位与阀门、流量计等组件产品技术优势单位之间的协同力度，通力合作，开展推进剂贮供单元小型化、轻量化设计与集成技术研究，不断优化组件配置，减小单元体积，降低结构质量。