一种冷气推进系统的制作方法

本发明涉及推进系统的技术领域，尤其涉及一种冷气推进系统。

背景技术：

航天器推进系统有冷气推进系统、固体推进系统、液体推进系统（单组元、双组元、双模式、混合式）、电推进系统等。冷气推进系统是采用高压气体经过喷管直接膨胀加速喷出产生推力。推力器把压力能变成流动动能喷出，而无任何化学反应。冷气推进一般选择惰性气体氮气或氦气为工质，主要特点是无燃烧等化学反应，系统特别简单、成本低、可靠性高、惰性工质无热、无爆炸危险、无污染等优点。在航天器姿轨控推进或者分离过程中经常要用到冷气推进系统，用于进行飞行器状态控制或实现结构分离。

现有的冷气推进系统一般是储气源通过减压阀将压力调节为所需恒定气源压力，然后通过一个或多个电磁阀对气体进行控制，通过管道喷出冷气产生推力或东利，实现产品的动作或者分离等。

现有的冷气推进系统一般需要将截止阀、减压器、过滤器、单向阀、电磁阀等多个阀门采用多个“管路+接头”连接的方式进行连接，其工作流程比较复杂，涉及到多段管路和多个阀门的串联式连续动作，任何一个部位的故障都可能会导致系统的失灵，同时这样的系统布局对空间要求比较苛刻，需要更大的空间试验产品的安装和管路的布局。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种简化现有的冷气推进系统结构并且减少占用空间的冷气推进系统。

本发明的技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种冷气推进系统，包括至少由一个气瓶形成的气瓶组，所述气瓶组连通有组合阀，组合阀内部集成有用于单向充气的充气单向阀、用于将气瓶高压减压输出同时兼具超压安全保护功能的指挥式减压器和主减压器、用于对气瓶进行电控放气的主电磁阀和指挥式电磁阀，组合阀的出口处连通有由至少一个推力器形成的推力器单元。

通过上述技术方案，气瓶组提供高压惰性气体，以作为动力源提供动力，气瓶组通过管路与组合阀连通，组合阀同时具有截止阀、单向阀、减压器和电磁阀的功能，实现气体的充气、减压及通断控制，在工作时通过管路与推力器单元连接产生所需的推力，由于设置组合阀，组合阀为多功能阀门，因此不需要采用多个阀门的管路+接头的连接方式，大大简化了冷气推进系统结构，并且减少了占用的空间。

本发明进一步设置为：所述组合阀与推力器单元之间连通设置有多通道管路，多通道管路根据推力器单元中推力器的个数选用直通、三通或者四通。

通过上述技术方案，推力器单元采用一个推力器时，则直接用直通进行了连接，推力器单元采用两个推力器时，则用三通进行连接，推力器单元采用三个推力器时，则用四通进行连接，以此类推，通过多通道管路进行与不同数量的推力器数量进行匹配，能够根据实际需要实现多个推力器的同步控制，进一步简化冷气推进系统的内部管路连接结构。

本发明进一步设置为：所述多通道管路与推力器单元之间连通设置有异步电磁阀。

通过上述技术方案，在多通道管路与推力器单元之间连接电磁阀，可以实现推力器单元中每个推力器异步工作状态控制，从而实现不同方向和维度的推力控制。

本发明进一步设置为：所述组合阀包括主壳体，主壳体的一端开设有与气瓶连通的入口腔，主壳体内集成有手动开关、指挥式减压器、指挥式电磁阀、主减压器以及主电磁阀；指挥式减压器包括指挥减压器壳体，指挥减压器壳体内部与入口腔连通，指挥减压器壳体内设置有滑动设置有指挥减压器调整盘和指挥减压器活塞，指挥调整盘上方抵接设置有与指挥减压器壳体的内壁螺纹配合的压柱，指挥减压器活塞位于指挥减压器调整盘的下方且二者之间固定连接有指挥减压器弹簧，指挥减压器活塞上开设有指挥减压器超压释放通道，指挥减压器壳体内部在指挥减压器活塞的下方开设有指挥减压器出口腔，指挥减压器出口腔通过气道与指挥减压器超压释放通道连通，指挥减压器壳体内开设有与入口腔连通的指挥减压器入口腔，指挥减压器入口腔内滑动设置有指挥减压器阀芯，指挥减压器阀芯与指挥减压器入口腔的内底面之间固定连接有指挥减压器阀芯弹簧，指挥减压器活塞与指挥减压器阀芯之间设置有用于堵住指挥减压器超压释放通道的指挥减压器安全阀芯；主减压器包括滑动设置于指挥减压器出口腔内的主减压器活塞，主减压器活塞内开设有用于卸压的主减压器超压释放通道，主减压器活塞的下方开设有与指挥减压器出口腔连通的主减压器出口腔，主减压器出口腔内设置有主减压器阀芯，主减压器阀芯的顶端堵住主减压器超压释放通道。

通过上述技术方案，阀门工作时，首先使用工装将手动开关的阀芯旋转至打开状态，此时入口腔的压力和指挥减压器入口腔的压力都相等，旋转压柱，压柱向下压动指挥减压器调整盘，压缩指挥减压器加载弹簧，带动指挥减压器活塞向下运动，指挥减压器安全阀芯将指挥减压器阀芯顶开，气体由指挥减压器入口腔通过阀芯周围的气体通道进入指挥减压器出口腔，随着压力的慢慢建立，作用在指挥减压器活塞的作用力慢慢增加，推动减压器活塞向上运动，指挥减压器阀芯在指挥减压器阀芯弹簧的作用下向上运动直至关闭，指挥减压器阀芯的受力平衡。可以假定此时指挥减压器出口腔的压力为p2，主减压器出口腔的压力为p3，由于主减压器阀芯上下两端所受的气体压力p2和p3的作用面积相同，因此在主减压器阀芯处于平衡状态下p2=p3，即减压器的出口测压点的压力值即代表了减压压力，操作时即可以根据压力测点的示数将气瓶压力p1减为目标压力p3。当随着气瓶的放气，气瓶压力p1明显下降时，由于指挥减压器出口腔始终是封闭状态，所以p2始终保持不变，而在主减压器阀芯的平衡状态下p2始终与p3相等，因此p3也基本保持不变，这样就通过指挥减压器的作用隔绝了上游压力p1变化对于p2的影响，大大提高了减压器出口压力p3的稳定精度，因此使得冷气推进系统的推进力平稳、可靠。若组合阀的指挥减压器阀芯出现泄漏等异常情况，导致p2不断升高，当p2高于一定值时，指挥减压器活塞向上运动至与指挥减压器安全阀芯脱离接触，此时指挥减压器超压释放通道打开，向外界泄放气体，实现了指挥减压器的超压保护、若组合阀放弃的下游出现异常情况，导致p3不断升高，当p3高于p2一定值时，主减压器活塞向上运动至与主减压器阀芯脱离接触，此时主减压器超压释放通道打开，p3压力通过主减压器阀芯内部的空腔释放到外界，向外界泄放气体，实现了主减压器的超压保护。因此，本减压器模块可实现指挥减压器和主减压器的“双安全保护”。若组合阀的减压模块彻底失效或出现其他紧急情况，可使用工具将手动开关的阀芯旋转至关闭状态，此时实现终极安全防护。综上，通过设置主减压器和指挥式减压器，大大提高了组合阀的使用安全性，进而提高了冷气推进系统的使用安全性。

本发明进一步设置为：所述主减压器阀芯的顶端呈圆头状，主减压器活塞与主减压器阀芯抵接的位置处固定设置有主减压器安全阀密封垫。

通过上述技术方案，主减压器阀体的顶端呈圆头状且与主减压器活塞抵接，同时在主减压器活塞上固定设置主减压器安全阀密封垫，使得主减压器出口腔内的压力在正常范围内时，主减压器超压释放通道不会被打通，密封性较好，组合阀的使用稳定性较高。

本发明进一步设置为：所述指挥式电磁阀包括与主壳体固定连接的电磁铁以及被电磁铁吸引的衔铁，衔铁的底部固定连接有指挥电磁阀芯组合体，主壳体内开设有主电磁阀背压腔，指挥电磁阀芯组合体位于主电磁阀背压腔内，指挥电磁阀芯组合体与主电磁阀背压腔的内底面之间固定连接有指挥电磁阀弹簧，主电磁阀背压腔的一侧连通有电磁阀出口，主电磁阀背压腔内滑动设置有靠近电磁阀出口的主电磁阀芯，主电磁阀芯背离电磁阀出口的一侧固定连接有与主电磁阀背压腔的腔壁固定的主电磁阀弹簧，主减压器出口腔连通设置有主电磁阀出口腔，且主电磁阀出口腔与主电磁阀背压腔连通。

通过上述技术方案，减压器调整目标压力完成后，此时电磁阀尚未通电，指挥电磁阀芯组合体的上密封面保持密封，主电磁阀背压腔压力和主电磁阀出口腔压力相同，在主电磁阀弹簧的作用下主电磁阀芯处于关闭状态。接通电磁阀的电源，衔铁在电磁铁产生的吸力作用下向下运动，直至指挥电磁阀芯组合体的下密封面实现密封，此时主电磁阀背压腔的气体通过指挥电磁阀排气通道排出，压力降为0，主电磁阀芯在不平衡压力的作用下迅速打开，实现了对气瓶的电控放气，且出口压力始终保持不变，由于集成的电磁阀模块采用了指挥式结构，响应时间大大缩短，响应速度大大增加。

本发明进一步设置为：所述手动开关与气瓶充气口之间设置有充气单向阀。

通过上述技术方案，对气瓶充气完成后，切断入口气源，充气单向阀自动保持密封，确保气瓶的密封性能，因此整个冷气推进系统的密封性也大大提高。

综上所述，本发明的有益技术效果为：

1、通过在冷气推进系统中以组合阀代替传统的多个以管路+接头形式的阀门，简化了冷气推进系统的工作流程，改善了冷气推进系统的空间利用率；

2、在组合阀与各个推力器之间连接异步电磁阀，实现每个推力器异步工作状态控制，实现不同方向和维度的推力控制；

3、本冷气推进系统中组合阀高度集成，同时具备截止阀、单向阀、减压器以及电磁阀的作用，对空间要求布局要求简单，易于实现。

附图说明

图1为本实施例中冷气推进系统同步工作状态下的原理图；

图2为本实施例中冷气推进系统异步工作状态下的原理图；

图3是本实施例中组合阀的结构示意图；

图4是本实施例中组合阀的剖面示意图；

图5为组合阀的功能原理图。

附图标记：1、主壳体；11、入口腔；12、主减压器入口腔；13、主减压器出口腔；14、指挥减压器入口腔；15、指挥减压器出口腔；16、指挥减压器超压释放通道；17、主减压器超压释放通道；18、主电磁阀背压腔；181、指挥电磁阀排气通道；19、主电磁阀出口腔；2、指挥式减压器；21、指挥减压器壳体；22、指挥减压器调整盘；221、压柱；23、指挥减压器加载弹簧；24、指挥减压器活塞；25、指挥减压器安全阀芯；26、指挥减压器阀芯；27、指挥减压器阀芯弹簧；3、主减压器；31、主减压器活塞；32、主减压器安全阀密封垫；33、主减压器阀芯；4、主电磁阀；41、主电磁阀芯；42、主电磁阀弹簧；5、指挥式电磁阀；51、指挥电磁阀芯组合体；511、上密封块；512、顶针；513、下密封块；52、指挥电磁阀弹簧；6、气瓶压力测点；7、出口压力测点；8、电磁阀出口；9、手动开关；10、充气单向阀;101、电磁铁；102、衔铁；1001、气瓶组；1002、组合阀；1003、多通道管路；1004、推力器单元；1005、异步电磁阀。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

一种冷气推进系统，如图1所示，包括依次连通的气瓶组1001、组合阀1002、多通道管路1003以及推进器单元1004，其中，气瓶组1001包括至少一个气瓶，若采用一个气瓶，则组合阀1002直接安装在单个气瓶上与气瓶连通，若采用多个气瓶，则采用多个管路汇流后与组合阀1002连通。组合阀1002高度集成，具备截止阀、单向阀、减压器以及电磁阀的作用，多通道管路1003根据推进器单元1004中推进器的个数进行选择，具体地，若推进器单元1004采用一个推进器时，则多通路管道1003采用一个直通将推进器单元1004与组合阀1002连通，若推进器单元1004采用两个推进器时，则多通路管道1003采用一个三通将推进器单元1004的两个推进器与组合阀1002连通，若推进器单元1004采用三个推进器时，则多通路管道1003采用一个四通将推进器单元1004的三个推进器与组合阀1002连通……以此类推，从而确保气瓶组1001内的气体经过组合阀1002出来后，可以根据实际情况分为一路、两路或者多路实现同步工作。

如图2所示，可以根据实际需要在组合阀1002与推力器单元1004之间连接异步电磁阀1005，具体地，异步电磁阀1005连通于多通道管路1003和推力器单元1004之间，异步电磁阀1005可以实现每个推力器异步工作状态控制，从而实现不同方向和维度的推力控制。

结合图1和图5，组合阀1002主要集成了充气单向阀10、指挥式减压器2、指挥式电磁阀5、手动开关9、主减压器3以及主电磁阀4，充气时，从气瓶充气口通过充气单向阀10向气瓶内充气，充气完毕后充气单向阀10自动关闭保证密封，放气时，首先确保手动开关9处于打开状态，调整好指挥式减压器2后给电磁阀通电，指挥式电磁阀5首先动作，然后带动主电磁阀4动作，气体按照设定好的减压目标流动到出口，并稳定出口压力为减压目标值，且精度较高，出口压力波动极小，气瓶放气完毕后，给电磁阀断电，指挥式电磁阀5和主电磁阀4先后关闭，阀门关闭保证密封。

结合图3和图4，组合阀1002包括主壳体1，主壳体1的底部开设有与气瓶连通的入口腔11，主壳体1内部设置有与入口腔11连通的主减压器入口腔12，且手动开关9的阀芯插入主减压器入口腔12内部，主壳体1内部在靠近顶端的位置处开设有指挥减压器入口腔14和指挥减压器出口腔15，其中，主减压器入口腔12和指挥减压器入口腔14通过气体通道连通，指挥减压器入口腔14和指挥减压器出口腔15通过气体通道连通，手动开关9的阀芯用于对主减压器入口腔12和指挥减压器入口腔14的通断进行手动控制。

结合图3和图4，指挥式减压器2包括指挥减压器壳体21、指挥减压器调整盘22、指挥减压器加载弹簧23、指挥减压器活塞24、指挥减压器安全阀芯25、指挥减压器阀芯26以及指挥减压器阀芯弹簧27，具体地，指挥减压器入口腔14内设置有指挥减压器阀芯26和指挥减压器阀芯弹簧27，其中，指挥减压器阀芯26在指挥减压器入口腔14内滑动，指挥减压器阀芯弹簧27的一端与指挥减压器阀芯26底部固定连接，另一端与指挥减压器入口腔14的内底部固定连接，指挥减压器阀芯26的正上方设置有与主壳体1一体成型的指挥减压器壳体21，指挥减压器壳体21内部与指挥减压器入口腔14以及指挥减压器出口腔15通过气体通道连通，指挥减压器壳体21内滑动设置有指挥减压器调整盘22和指挥减压器活塞24，指挥减压器调整盘22位于指挥减压器活塞24的正上方，且二者之间通过指挥减压器加载弹簧23固定连接，指挥减压器调整盘22的上方设置有与指挥减压器壳体21内壁螺纹配合的压柱221，指挥减压器活塞24的中间位置处开设有指挥减压器超压释放通道16，指挥减压器阀芯26与指挥减压器活塞24之间设置有指挥减压器安全阀芯25，指挥减压器安全阀芯25的顶端与指挥减压器活塞24抵接并堵住指挥减压器超压释放通道16，指挥减压器安全阀芯25的底端尺寸小于其自身顶端尺寸，且指挥减压器安全阀芯25的底端穿过对应的气体通道后进入指挥减压器入口腔14内并与指挥减压器阀芯26抵接。

结合图3和图4，主减压器3包括主减压器活塞31、主减压器安全阀密封垫32以及主减压器阀芯33，具体地，指挥减压器出口腔15内滑动设置有主减压器活塞31，主减压器活塞31的下方为主减压器出口腔13，具体地，在主减压器活塞31上开设有与主减压器出口腔13连通的主减压器超压释放通道17，主减压器超压释放通道17的另一端与外界连通，主减压器出口腔13内设置有主减压器阀芯33，主减压器阀芯33的顶端呈圆头状且抵接在主减压器活塞31的中间位置处以堵住主减压器超压释放通道17，主减压器超压释放通道17在靠近主减压器阀芯33的圆头的一端周围固定设置有主减压器安全阀密封垫32，从而使得主减压器超压释放通道17在保持密封时密封性良好。主减压器出口腔13的一侧出口位置处设置有气瓶压力测点6，用于连接压力检测仪以监测气瓶压力。

结合图3和图4，主电磁阀4包括主电磁阀芯41、主电磁阀弹簧42，具体地，主壳体1在手动开关9的阀芯正上方开设有主电磁阀背压腔18，主电磁阀背压腔18背离主壳体1中心的一侧设置有电磁阀出口8，主电磁阀芯41和主电磁阀弹簧42均位于主电磁阀背压腔18内，且主电磁阀弹簧42的一端与主电磁阀芯41固定连接，另一端与主电磁阀背压腔18远离电磁阀出口8的一侧内壁固定连接，电磁阀出口8的下方设置有与主减压器出口腔13连通的出口压力测点7，出口压力测点7可以检测减压后的压力值，从而能够监控减压后的压力，确保组合阀能够稳定安全地运行使用。

结合图3和图4，主电磁阀背压腔18包括由气体通道连通的两部分，两部分的主电磁阀背压腔18呈上下连通状设置，且主电磁阀芯41和主电磁阀弹簧42位于下方部分的主电磁阀背压腔18内，上方部分的主电磁阀背压腔18内设置有指挥式电磁阀5，指挥式电磁阀5包括指挥电磁阀芯组合体51和指挥电磁阀弹簧52，指挥电磁阀芯组合体51包括上密封块511、顶针512和下密封块513，其中上密封块511和下密封块513材料均为氟塑料，使用螺纹连接的形式组合，安装时首先将顶针512自下而上穿过上密封块511，然后将下密封块513的外螺纹拧入上密封块511的内螺纹，将顶针512夹紧，形成指挥电磁阀芯组合体51，且上密封块511的顶端以及下密封块513的底端均为锥面状，这种结构可实现上下两个锥面的塑料密封面，且避免了热压、滚边等复杂的非金属-金属结合工序，大大降低了成本和工艺复杂程度。下密封块513的锥面堵在与主电磁阀背压腔18的下部分连通的气体通道上。

结合图3和图4，主壳体1在指挥电磁阀芯组合体51的上方设置有相对设置的电磁铁101，相对的电磁铁101之间设置有衔铁102，顶针512穿过气体通道后与衔铁102固定连接。顶针512所在的气体通道一侧开设有与外界连通的指挥电磁阀排气通道181。

如图5所示，充气单向阀10设置于手动开关9与气瓶充气口之间，气瓶充气口连接有充气设备，用于对气瓶进行充气，充气单向阀10的设置使得气瓶充气完毕后能够迅速密封，保持密闭性。

上述实施例的实施原理为：该冷气推进系统在工作时，首先应使用工装将手动开关9的阀芯旋转至打开状态，此时入口腔11和主减压器入口腔12连通，假定两者的压力均为p1，则指挥减压器入口腔14压力也为p1。向下旋转压柱221，压柱221向下压动指挥减压器调整盘22，压缩指挥减压器加载弹簧23，带动指挥减压器活塞24向下运动，指挥减压器安全阀芯25将指挥减压器阀芯26顶开，气体由指挥减压器入口腔14通过阀芯周围的气体通道进入指挥减压器出口腔15，随着压力的慢慢建立，作用在指挥减压器活塞24的作用力慢慢增加，推动减压器活塞向上运动，指挥减压器阀芯26在指挥减压器阀芯弹簧27的作用下向上运动直至关闭，指挥减压器阀芯26的受力平衡。

假定此时指挥减压器出口腔15的压力为p2，主减压器出口腔13的压力为p3，主减压器活塞31上下两端所受的气体压力即为p2和p3，且上下气体压力作用在主减压器活塞31上的水平投影面积相同，所以在主减压器阀芯33处于平衡状态时，p2=p3，即出口压力测点7的压力值即代表了减压压力，操作时即可以根据压力测点的示数将气瓶压力p1减为目标压力p3。

减压器模块（即主减压器3和指挥式减压器2）调整目标压力完成后，此时电磁阀模块上位通电，指挥电磁阀芯组合体51的上密封面保持密封，主电磁阀背压腔18压力和主电磁阀出口腔19压力相同，均为p3，在主电磁阀弹簧42的作用下主电磁阀芯41处于关闭状态。接通电源，衔铁在电磁铁101产生的吸力作用下向下运动，直至指挥电磁阀芯组合体51的下密封面实现密封，此时主电磁阀背压腔18的气体通过指挥电磁阀排气通道181排出，压力降为0，主电磁阀芯41在不平衡面积气压力的作用下迅速打开，实现了对气瓶的电控放弃，且出口压力始终保持p3不变。由于集成的电磁阀模块采用了指挥式结构，响应时间大大缩短，响应速度大大增加。

当随着气瓶的放气，气瓶压力p1明显下降时，由于指挥减压器出口腔15始终是封闭状态，所以p2始终保持不变，而在主减压器阀芯33的平衡状态下p2始终与p3相等，因此p3也基本保持不变，这样就通过指挥减压器的作用隔绝了上游压力p1变化对于p2的影响，大大提高了出口压力p3的稳定精度，因此推进器的工作较为稳定可靠。

若组合阀的指挥减压器阀芯26出现泄漏等异常情况，导致p2不断升高，当p2高于一定值时，指挥减压器活塞24向上运动至与指挥减压器安全阀芯25脱离接触，此时指挥减压器超压释放通道16打开，向外界泄放气体，实现了指挥式减压器2的超压保护。若组合阀放气的下游出现异常情况，导致p3不断升高，当p3高于p2一定值时，主减压器活塞31向上运动至与主减压器阀芯33的圆头脱离接触，此时主减压器超压释放通道17打开，p3压力通过主减压器阀芯33内部的空腔释放到外界，向外界泄放气体，实现了主减压器3的超压保护。因此，本减压器模块可实现指挥式减压器2和主减压器3的“双安全保护”。

若组合阀的减压模块彻底失效或出现其他紧急情况，可使用工具将手动开关9的阀芯旋转至关闭状态，此时入口腔11和主减压器入口腔12彻底隔绝，实现终极安全防护。

经实测，当气瓶压力在35-20mp主减压器入口腔压力范围内变化时，减压器出口压力可精确控制在15±0.5mp主减压器入口腔范围内。同时，超压保护功能可以有效避免工作出现异常时，对阀门可能造成的损坏。电磁阀的卡其和关闭响应时间，可达到10ms以内。

综上所述，动力源由一个或多个高压气瓶组成，通过管路连接通过组合阀，该组合阀同时具有截止阀、单向阀、减压器和电磁阀的功能，实现气体的流向、减压以及通断控制，在工作时通过管路与推力器连接产生所需的推力。

本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。