電推力器氣體比例流量控制技術的展望

胡 竟，張天平，楊福全，李 沛

（蘭州空間技術物理研究所 真空技術與物理重點實驗室，蘭州 730000）

電推力器氣體比例流量控制技術的展望

胡 竟，張天平，楊福全，李 沛

（蘭州空間技術物理研究所 真空技術與物理重點實驗室，蘭州 730000）

針對航天器在軌期間的高精度姿軌控機動和無阻尼調節需求，電推力器貯供單元必須采用比例流量控制閥以實現推進劑流量的高精度、寬范圍、低噪聲調控。目前正在發展的比例流量控制閥主要利用材料的應變特性和微小流量通道的節流作用，通過調節和控制材料的應變量進而改變流道的結構尺寸，實現推進劑的快速、穩定、連續可調。文章系統介紹了國內外比例流量控制閥的發展概括，并在分析國內未來航天使命應用需求的基礎上，對該技術的發展趨勢進行了分析和展望，以期對比例流量控制閥的研制提供指導。

電推力器；比例流量控制閥；磁致伸縮材料；壓電陶瓷材料

0 引言

電推力器由于其比沖高、壽命長、工作模式精確可調等顯著特點，多用于航天器位置保持、姿態控制及軌道轉移等領域[1]。為確保電推力器穩定工作，必須對進入陰極、放電室的推進劑流量進行精確控制。根據航天器軌道機動任務的不同需求，各國衛星的電推力器貯供單元主要采用基于粉末冶金多孔金屬塞片的熱節流器[2-9]、標準孔板及毛細管類型的節流器[10-12]等氣體流量控制部件進行推進劑氣體流量控制。而采用熱節流器及標準孔板制式的氣體流量調節方式均需在貯供單元中配以復雜的機械或電子壓力隔離及調節模塊，對相關閥門的啟閉可靠性及壽命提出了極高的要求。同時，受傳統調壓組合方式精度低、響應慢、擾動大等固有特性的制約，現有電推力器貯供單元的推進劑調控方式和能力已無法滿足未來航天器日趨復雜多樣化的姿軌控機動要求，使得電推力器在航天器中的應用受到很大影響。

針對上述問題，并結合航天器在軌期間的高精度姿軌控機動和無阻尼調節需求，電推力器貯供單元必須采用基于比例流量控制閥的比例流量供氣方式以實現推進劑流量的高精度、寬范圍、低噪聲調控。目前正在發展的比例流量控制閥主要利用材料的應變特性和微小流量通道的節流作用，通過調節和控制材料的應變量進而改變流道的結構尺寸，實現推進劑的快速、穩定、連續可調。

根據推進劑流量調節原理的差異，比例流量控制閥大致可分為三種：磁致式、壓電式及電熱式。磁致式比例流量控制閥是以磁致伸縮材料為基礎，利用磁致伸縮材料在外加磁場作用下內部磁疇的磁化方向重新排布產生宏觀尺寸變化的特性和微小流量通道的節流作用，在恒定入口推進劑壓力的情況下，通過調節和控制磁致伸縮材料應變量進而改變流道的結構尺寸，實現推進劑微小流量的精準調節；與磁致式比例流量控制閥調節機理相類似，壓電式比例流量控制閥同樣以改變流體的流量通道最終實現推進劑流量的精確調節，但壓電式比例流量控制閥采用的是壓電陶瓷材料，利用其逆壓電效應，通過改變外加電場的強弱達到調整材料應變量并實現流量通道的改變。而區別于上述改變流量通道的方式，電熱式比例流量控制閥利用小孔節流原理和推進劑黏性隨溫度變化明顯的特性，通過調節溫度實現推進劑微小流量的調節。鑒于磁致伸縮材料良好的應變特性及穩定性，在比例流量控制閥實現推進劑微小流量高精密調節得到廣泛應用。

文章系統介紹了國內外比例流量控制閥的發展概括，并在分析國內未來航天使命應用需求的基礎上，對該技術的發展趨勢進行了分析和展望。

1 比例流量控制技術

針對重力梯度衛星在軌機動任務要求，為了保證重力梯度衛星的測量范圍和靈敏度，需要衛星推進系統對衛星飛行過程中非重力因素進行補償，而為保證阻尼補償的及時性和其精確性，傳統化學推進方式的推力調節速率、分辨率和噪聲已無法滿足衛星重力梯度測量要求，必須采用配備氣體比例流量控制技術的電推力器進行阻尼補償調節。此外，低軌衛星在運行過程中不可避免的會受到大氣阻尼的影響，為確保衛星在設計軌道中飛行，必須進行頻繁的軌道維持，傳統的化學推進方式消耗燃料多且推力擾動大，無法實現連續阻尼補償。同樣必須采用基于比例流量控制技術的推力連續可調的電推力器，可達到在進行軌道維持的同時正常高精度成像不中斷的目標。相關比例控制元件及比例調節原理的引入為實現氣體比例流量控制奠定了堅實的基礎。

電推力器氣體比例流量控制分為壓力控制模塊和流量控制模塊兩部分，壓力控制模塊是將推進劑氣瓶中的氣體由高壓狀態（15～20 MPa）調節到流量控制模塊工作所需要的低壓狀態（0.20～0.35 MPa），流量控制模塊則是根據推力器工作需要向其陰極、放電室提供準確的推進劑流量。圖1為氣體比例流量閉環控制線路原理圖。

圖1 氣體比例流量閉環控制線路原理圖Fig.1 Schematic diagram of closed loop control circuit of gas proportional flow

圖1氣體比例流量調節由一個比例流量控制閥和一套基于熱測量原理的流量傳感器系統實現，流量傳感器的輸出信號反饋給流量控制閥從而實現閉環控制。

2 國外比例流量控制閥研究

2.1 磁致式比例流量控制閥

（1）美國Moog公司產品

美國Moog公司內研制的比例流量控制閥[13-15]是一種常閉比例電磁閥，在繼承產品狀態較為成熟的電磁閥技術基礎上，通過調整核心驅動結構，Moog公司研制形成了一系列能夠滿足不同流量要求的比例調節閥產品。該控制閥以磁致伸縮材料為基礎，通過調整伸縮材料外圍勵磁線圈的輸入電流，改變磁場的大小，實現閥門磁致伸縮材料的伸縮，進而實現閥芯組件位置的變化，最終提供所要求的流率（壓力），一般情況下，比例流量控制閥與下游的反饋元件共同使用，以實現流率（壓力）的閉環控制，而下游的反饋元件多為流量（壓力）傳感器，是電推力器貯供單元的“心臟”，并具有多重功能，在調節壓力及流量的同時能夠在很寬的壓力范圍內提供可靠的壓力隔離，其本質是一個能夠調節流道的調壓器。如圖2所示為Moog公司Model 51E339型比例流量控制閥。

該產品的主要特點有：（1）非滑動配合，懸置式銜鐵設計，并有利于控制多余物的污染；（2）Vespel密封，實現良好氣密性的同時吸放氣少，不影響推進劑；（3）采用通用接口界面，產品之間具有較好的互換性；（4）全結構焊接。

圖2 Moog公司Model 51E339型比例調節閥Fig.2 Moog Model 51E339 type proportional control valve

截止目前，Moog公司根據不同的空間任務需求，研發了多款比例流量控制閥產品，并已成功實現在軌的工程化應用。歐空局于2009年3月17日發射的地球重力場和海洋環流探測器[16-17]（Gravity and steady state Ocean Circulation Explorer，GOCE）采用T5離子電推力器進行衛星在軌期間的大氣阻尼補償。根據探測任務需求，電推力器配備了2套基于Moog公司磁致式比例流量控制閥的推進劑比例供給單元，該控制閥主要對放電室工作所需推進劑進行比例流量供給，并采用閉環控制算法通過調節電推力器放電室推進劑流量、陽極電流及勵磁電流最終實現電推力器推力的精準控制。截止探測任務結束，衛星推進系統累計工作時間接近40 000 h。

鑒于GOCE衛星的成功應用，歐空局在BepiCo?lombo水星探測器中為T6離子電推力器開發了以Moog公司比例流量控制閥為基礎的推進劑流量比例控制單元，圖3為T6離子電推力器推進劑比例控制單元功能圖。

圖3 BepiColombo水星探測器離子電推力器推進劑比例控制單元功能圖Fig.3 BepiColombo mercury detector of ion thruster propellant proportion control unit function chart

如圖3所示，在BepiColombo水星探測器離子電推力器推進劑比例控制單元中，推進劑通過隔離閥后分為三路，分別向放電室陽極、主陰極及中和器供氣。其中，放電室陽極及主陰極均采用了比例流量控制閥，并利用壓力傳感器實現比例流量控制閥的閉環控制。

此外，美國空軍TechSat-21衛星的BHT-200霍爾電推力器[18]及NASA未來開展太陽系外行星探測使命的NEXT-40離子電推力器貯供單元均采用Moog公司的比例流量控制閥進行推進劑比例流量控制。

（2）英國Marotta公司產品

針對星載航天器電推力器推進劑比例流量控制需求，英國Marotta公司以磁致伸縮材料為基礎，研制了相應的比例流量控制閥[19-20]，如圖4所示。

圖4為Marotta公司設計的基于磁致伸縮的比例流量調節閥，該閥門具有多重功能。該產品具有的特點：1）正常處于閉合狀態，壓力為0.25～20.7 MPa、溫度為-54～93℃的范圍內產品內漏率低于1.0× 10-6Pa·m3/s；2）在溫度0～80℃范圍內，具有高精度的流量/壓力閉環控制（反饋形式多為流量、流量或陽極電流）；3）推進劑流量調節范圍：0.02～25 mg/s；4）整體重量：＜318 g，壽命循環次數：＞100 000次，功耗：＜10 W。

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

2.2 壓電式比例流量控制閥

（1）英國Marotta公司產品

針對ROS 2000等離子體電推力器和T6離子電推力器空間軌道任務需求，Marotta公司研制了壓電式比例流量控制閥[21-22]，如圖5所示。該控制閥可以滿足微小推力電推進衛星的推進劑流量控制要求，在推進劑入口壓力為0.25 MPa時，流量控制范圍為0～25 mg/s。

圖5 Marotta公司壓電式比例流量控制閥Fig.5 Marotta piezoelectric proportional flow control valve

（2）意大利AAS-I公司產品

針對不同類型空間軌道任務對電推力器需求，在歐空局“通用支持技術計劃”支持下，意大利AAS-I公司研制了基于壓電陶瓷材料的比例流量控制閥[23]，該控制閥主要包括壓電陶瓷盤、S型彈簧、活塞及相關電氣接口與機械外殼構成，如圖6所示。

該產品的主要性能特點：1）流量調節范圍：0～30 mg/s；2）壓力調節范圍：0.2～17 MPa；3）控制相應速度快：＜200 ms；內/外漏率低：5.0×10-9Pa·m3/s；4）質量小（＜200 g）、功耗低（＜0.1 W）；5）工作溫度范圍：-30～+50℃；6）具有加熱功能，可對入口氣體相態進行控制；7）采用PID閉環控制措施可實現氣體壓力/流量的實時可調；8）非工作狀態下，產品斷電，在彈簧預緊力作用下，活塞與閘閥基座緊密貼合，閥門處于關閉狀態，起隔離閥作用。目前，該產品已完成相關爆破試驗、熱循環試驗及力學驗證試驗。

圖6 AAS-I公司壓電式比例流量控制閥Fig.6 AAS-I piezoelectric proportional flow control valve

（3）印度LPSC公司產品

針對小型化、輕量化電推進系統研制要求，印度液體推進系統中心（Liquid Propulsion Systems Center，LPSC）研制了基于壓電陶瓷材料的比例流量控制閥[24-25]，如圖7所示。

圖7 LPSC公司壓電式比例流量控制閥實物及剖面圖Fig.7 LPSC piezoelectric proportional flow control valve in kind and profile

如圖7所示，該控制閥核心元件是：（a）AISI 440C不銹鋼基座；（b）鎢碳合金球頭。不銹鋼基座與合金球頭具有良好的密封接觸面，從而滿足閥門整體的漏率要求。在此基礎上，采用一套C75S材質的盤形不銹鋼彈簧（c），用于為不銹鋼基座與合金球頭密封所需提供預緊力的同時，為壓電陶瓷環（d）提供預緊載荷。

該產品的主要技術特點：1）控制閥中堆疊起來的壓電陶瓷環受盤形不銹鋼彈簧產生的預緊壓力；2）采用無約束的高精度硬質鎢碳合金球頭和不銹鋼基座實現球面間的硬接觸密封，以提高閥門抵抗多余物的能力，同時球頭在有限的空間內可自由轉動，從而將球頭與不銹鋼基座頻繁接觸的磨損降至最低；3）盤形不銹鋼彈簧所受極限應力遠低于其屈服應力強度；4）使用與壓電陶瓷材料熱膨脹系數相接近的材料，以盡量減小熱因素導致的流量及閥體載荷的變化。目前，該產品的啟閉次數壽命試驗已達到45 000次，并完成了不同環境溫度下的流量調節性能測試試驗。

2.3 電熱式比例流量控制閥

利用推進劑氙氣黏性隨溫度變化明顯和毛細管節流原理的特性，Marotta公司設計了基于溫控結構形式的比例流量控制閥，如圖8所示。

圖8 基于溫控結構形式的比例流量控制閥Fig.8 Proportional flow control valve based on temperatrue control structure

該控制閥通過對毛細管通電加熱改變其內部氙氣的黏度和密度等特性，使得其流阻特性發生變化，實現推進劑流量隨溫度的升高而比例下降的目標，并最終實現推進劑流量的精準變化。截止目前，采用基于溫控結構比例流量控制閥的ROS 2000等離子體電推力器貯供單元已通過鑒定級熱真空試驗和力學試驗。圖9為ROS 2000等離子體電推力器貯供單元。

圖9 ROS 2000等離子體電推力器貯供單元Fig.9 ROS 2000 plasma thruster for storage unit

3 國內比例流量控制閥研究

國內比例流量控制閥已在汽車發動機燃料噴嘴[26]及航空發動機高速開關閥[27-28]中得到廣泛應用，但該控制閥的流量控制精度、響應時間及重量遠不能滿足電推力器的在軌空間應用需求。

目前，針對電推力器推力寬范圍連續可調等空間應用需求，北京控制工程研究所、蘭州空間技術物理研究所及六院西安航天動力研究所、上海空間推進研究所均開展了比例流量控制閥的研制，但尚未發現相關技術文獻報到，相關研究多停留在關鍵技術鞏固階段，產品技術成熟度遠不能滿足開展空間環境應用的要求。圖10為北京控制工程研究所研制的基于壓電陶瓷材料的比例流量控制閥原理樣機。

圖10 壓電式比例流量控制閥原理樣機Fig.10 Piezoelectric proportional flow control valve prototype

4 比例流量控制閥發展

隨著航天器軌道機動任務的日趨多樣化及復雜化，電推力器的應用已成為多類航天器空間任務成敗的關鍵和基礎，而基于比例流量控制閥的電推力器氣體比例流量控制技術將是未來空間基礎科學試驗、超低擾動無阻尼控制及精確姿態和位置控制的支撐技術，同時也是電推力器貯供單元實現整機小型化與輕量化的核心技術。

根據國外重力場測量電推力器技術發展情況和我國電推力器技術應用需求，我國基于比例流量控制閥的電推力器氣體比例流量控制技術發展，應當緊密結合未來地球重力場測量衛星使命需求和中低軌道航天器阻尼補償應用需求，以此為基本目標，同時也兼顧深空探測變推力等其他使命航天器的應用。

從國內外比例流量控制閥的發展現狀來看，國際上已形成磁致驅動型和壓電驅動型兩大比例流量控制閥產品，其中美國Moog公司的磁致驅動型比例流量控制閥產品成熟度最高，其余相關國家雖均取得了一定成績，但其產品遠不能滿足電推力器開展空間環境應用的需求，還存在比例流量控制閥長期安全、可靠、穩定供氣的多種因素制約，而這些因素也成為進一步研究工作的主要立足點。到目前為止，比例流量控制閥研制主要存在的問題有三個方面：

（1）產品設計方面。比例流量控制閥的工作過程包含電、磁、力、熱等多種物理場的交互與轉換，因此產品設計中需考慮各種因素的影響作用關系，識別并提出關鍵參數，及各參數間的平衡成為產品設計的難點。但相關理論分析的缺失導致產品設計隨意性較大，直接影響到產品最終性能的指標滿足性和可實現性；

（2）加工制造方面。比例流量控制閥屬于精密部件，產品零件的精密加工是所有功能設計的落腳點，為實現其密封的可靠性和氣體流量調節的穩定性，部分零件的加工精度要求極高，而受傳統制造工藝水平的限制，比例流量控制閥的高精密加工制造受到嚴重制約；

（3）組裝測試方面。比例流量控制閥零件裝配對環境潔凈度要求極高，其性能測試則需配套高靈敏度的質量流量計、相應的控制算法及真空試驗系統，相關要求的高標準、高起點給比例流量控制閥的研制帶來極大困難。

針對目前國內外比例流量控制閥的研究現狀以及存在的問題，基于比例流量控制閥的電推力器氣體比例流量控制技術的研究重點和技術發展有四個方面：

（1）進一步深入研究比例流量控制閥驅動材料對閥門性能的影響作用機理，構建比例流量控制閥關鍵性能敏感參數集及合理有效的性能評價體系與方法，確定不同流量需求下的比例流量控制閥設計參數的合理區間，有效支持比例流量控制閥的設計；

（2）科學界定比例流量控制閥零件加工工藝方法，并利用有效的結構設計和合理的配合尺寸鏈，在不影響比例流量控制閥產品整體性能的基礎上，采取全新的產品制造思想，顛覆傳統制造技術的束縛，集成應用先進制造技術，有效支撐比例流量控制閥的制造；

（3）開展電推力器推進劑流量調節要求和基于比例流量控制閥的貯供單元推進劑調節能力間的順應性研究，建立基于拓撲性能評價模型的比例流量控制閥的控制算法，以有效支持比例流量控制閥的調控；

（4）以現有成熟技術為基礎，緊貼任務需求，采取強強聯合的方式，并充分借鑒和繼承國外電推力器用氣體比例流量控制技術方面的先進水平是實現電推力器氣體比例流量控制的有效措施。

5 結論

氣體的比例流量控制是航天器在軌期間得以高精度姿軌控機動和無阻尼調節的基礎和核心，也是貯供單元小型化、輕量化的關鍵。針對國內未來航天使命應用需求，開展比例流量控制閥設計、制造及測試等相關的基礎理論方法與關鍵支撐技術研究在學術方面和技術經濟方面都有十分重要的作用。

[1]張天平，田華兵，孫運奎.離子推進系統用于GEO衛星南北位保使命的能力與效益[J].真空與低溫，2010，16（2）：72-77.

[2]Wilson F，Hoskins A，Monheiser J，et al.Overview of ion pro?pulsion system development at Aerojet Redmond[C]//40thAIAA Joint Propulsion Conference and Exhibit，2004：3966.

[3]Ganapathi G，Engelbrecht C.Post-launch performance char?acterization of the xenon feed system on deep space one[C]// 35thJoint Propulsion Conference and Exhibit，1999：2273.

[4]Scott W B，Michael J P.Development status of next：NASA’s evolutionary xenon thruster[R].IEPC，2003.

[5]Randall S A，Jeff M，Elizabeth A D，et al.Development status of the NEXT propellant management system[R].AIAA，2004.

[6]Randall S A，Carl S E，Gani B G，et al.Xenon propellant man?agement system for 40 cm NEXT ion thruster[R].AIAA，2003.

[7]楊福全，孫運奎，高軍.離子推力器流率調節熱節流器性能測試[J].真空與低溫，2011，17（3）：170-175.

[8]楊福全，高軍，顧左.多孔金屬材料在微小流量節流器上的應用[J].粉末冶金工業，2007，17（1）：34-37.

[9]胡竟，楊福全，孫運奎，等.用多孔塞片實現推進劑微小流率的控制[J].航天器環境工程，2015，32（1）：95-98.

[10]Arkhipov B，Khoromsky I，Murashko V.problems of designing EPSs with SPTs working on krypton-xenon[R].AIAA，2002.

[11]Day M，Maslennikov N A，Rogers W P.SPT-100 Subsystem Development Status and Plan[R].AIAA，1994.

[12]Pidgeon D，Hoeber C，Day M.system benefits and satellite ac?commodations of the stationary plasma thruster[R].AIAA，1994.

[13]David M P.continuing development of the proportional flow control valve（PFCV）for electric propulsion systems[R]. IEPC，2007.

[14]Edward DB，Paul TK，Carl E，et al.Axenon flowrate control?ler for hall current thruster applications[R].IEPC，2007.

[15]Michael F O，Christopher J N.high performance xenon flow system（XFS）optimized for low mass，volume and cost[R]. AIAA，2009.

[16]Johnny A J，Miguel A M.the four candidate earth explorer core missions：gravity field and steady-state ocean circula?tion[R].ESASP，1999.

[17]Mark H，Huw S，Javier P J.QinetiQ’s T6 and T5 ion thruster electric propulsion system architectures and performances [R].IEPC，2015.

[18]Joseph KB，Paul TK.Xenon feed system progress[R].AIAA，2006.

[19]Peter S.xenon flow control unit development and qualifica?tion programme[R].AIAA，2006.

[20]Robert S，Butler G W，Duff B，et al.Evaluation of proportion?al flow control valves for potential use in electric propulsion feed systems[R].AIAA，2000.

[21]Schappell D T，McLean C H.Multi-function valve extended development testing[R].AIAA，1999.

[22]Robert S.Marotta multi-function valve test report[R].JPL Test Report，1999.

[23]Matticari G，Noci G E，Siciliano P，et al.Next generation pro?pellant flow control components for electric propulsion sys?tems：Status of achievements at Alcatel Alenia Space Italia/ Laben-Proel[R].IEPC，2005.

[24]Chitnis V D，Shanbhouge K M，Prasad M V N，et al.Design，Development and Performance study of Piezoelectric Micro?valve for Electric Propulsion System[R].IEPC，2015.

[25]Yagnanarayana M.Xenon flow control system for ion thrusters [R].AIAA，2009.

[26]項占琴，呂福在.高速強力電磁閥在柴油機電噴系統中的應用研究[J].內燃機工程，2000，21（3）：7-13.

[27]石延平，張永忠，劉成文.超磁致式高速開關閥的研究與設計[J].中國機械工程，2003，14（21）：1824-1826.

[28]石延平，張永忠.一種基于超磁致伸縮效應的新型液壓高速開關閥的研究[J].工程機械，2004，35（1）：26-28.

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

真空低溫技術與物理重點實驗室基金（9140C550206130C5503）

胡竟（1988-），男，寧夏吳忠人，工程師，碩士，主要從事放電等離子電推力器技術與應用工作。E-mail：hjing37615486@163.com。