一种适用于航天器电推进的高纯氙气提纯装置的制作方法

本发明属于航天器电推进系统，尤其涉及一种适用于航天器电推进的高纯氙气提纯装置。

背景技术：

1、目前，在轨飞行的推进系统类型较多，其中电推进系统由于具有很高的比冲近些年来发展迅速，尤其以霍尔电推进系统和离子电推进系统倍受青睐，常用于静止轨道卫星平台执行南北位置保持、姿态控制(动量轮卸载)和轨道控制，甚至同步轨道转移等任务。此外电推进系统可以完成常规推进系统无法完成的任务，如深空探测、星际旅行等需要大△y的任务以及卫星、微小卫星的精确姿态控制和卫星星座组网控制等任务。

2、由于电推进系统对加注后的氙气纯度要求极高，在加注准备阶段需要对地面加注系统和星上电推进系统进行多次的抽真空、充氙气置换工作，耗费氙气较多；此外，在氙气加注工作结束后，地面加注系统内部会存留一定量的氙气。由于氙气属于国家战略资源，其本身价格十分昂贵，所以对于用于系统置换的氙气以及加注后系统存留氙气需要进行回收。由于前期用于系统置换的氙气，其纯度指标已有一定程度的降低，同时回收过程中会对氙气产生二次污染，因此回收后氙气的纯度指标已不满足型号使用需求。为避免资源浪费，降低成本，需要对回收后的氙气进行提纯。

技术实现思路

1、本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种适用于航天器电推进的高纯氙气提纯装置，旨在克服现有技术的不足，实现对较低纯度氙气的提纯，使提纯后的氙气的纯度满足宇航级电推进的要求。

2、为了解决上述技术问题，本发明公开了一种适用于航天器电推进的高纯氙气提纯装置，包括：氙气罐、液氮罐、第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门、纯化器、真空泵、真空计、高压容器、高低温装置、电子称、压力传感器、温度传感器、纯度检测系统和存储容器；

3、高压容器置于高低温装置内，高低温装置置于电子称上，压力传感器、温度传感器和真空计分别与高压容器连接；

4、氙气罐分别通过管路a和管路b与高压容器连接；其中，管路a上依次设置有第一阀门、纯化器和第二阀门；管路b上设置有第四阀门；

5、液氮罐通过管路c与高低温装置连接；其中，管路c上设置有第五阀门；

6、真空泵通过管路d与高压容器连接；其中，管路d上设置有第六阀门；

7、存储容器通过管路e与高压容器连接；其中，管路e上设置有第三阀门；

8、纯度检测系统通过管路f与存储容器连接。

9、在上述适用于航天器电推进的高纯氙气提纯装置中，氙气罐内贮存有待提纯氙气。

10、在上述适用于航天器电推进的高纯氙气提纯装置中，纯化器，用于对待提纯氙气进行一次提纯，去除待提纯氙气中的一类杂质气体；其中，一类杂质气体至少包括如下气体中的一种或多种：水、二氧化碳、氧化亚氮和氟化物。

11、在上述适用于航天器电推进的高纯氙气提纯装置中，液氮罐内贮存有液氮，当第六阀门开启时，液氮经管路c进入高低温装置内，作为冷源，实现对高压容器的降温。

12、在上述适用于航天器电推进的高纯氙气提纯装置中，电子称，用于对高压容器内的气体吸入量进行称重。

13、在上述适用于航天器电推进的高纯氙气提纯装置中，真空计，用于对高压容器的真空度进行测量。

14、在上述适用于航天器电推进的高纯氙气提纯装置中，压力传感器，用于对高压容器的压力进行测量。

15、在上述适用于航天器电推进的高纯氙气提纯装置中，温度传感器，用于对高压容器的温度进行测量。

16、在上述适用于航天器电推进的高纯氙气提纯装置中，还包括：控制系统；其中，控制系统分别与第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门和第六阀门连接，用于控制第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门和第六阀门的开启/关闭。

17、在上述适用于航天器电推进的高纯氙气提纯装置中，所述高纯氙气提纯装置的提纯过程如下：

18、步骤1，第一阀门、第二阀门、第五阀门开启，将氙气罐中的待提纯氙气经管路a填充至高压容器中，同时，液氮罐中的液氮填充至高低温装置，降低高压容器的温度，使待提纯氙气呈液态，提高高压容器中待提纯氙气的吸入量；其中，在待提纯氙气经管路a填充至高压容器的过程中，通过纯化器对待提纯氙气进行一次提纯，去除待提纯氙气中的一类杂质气体；其中，一次提纯后的氙气中携带有二类杂质气体，二类杂质气体至少包括如下气体中的一种或多种：氮气、氧气、氢气、一氧化碳、甲烷、氦气、氖气、氩气和氪气；

19、步骤2，通过电子称对高压容器吸入的一次提纯后的氙气进行称重，当吸入量达到要求值时关闭第一阀门、第二阀门和第五阀门；

20、步骤3，控制高低温装置进行升温，将高压容器的温度稳定在-120℃，此时，氙气处于液态、二类杂质气体均为气态；

21、步骤4，启动真空泵，打开第六阀门，将高压容器内的二类杂质气体抽出，待高压容器真空度达到1pa后，继续抽真空0.5小时，然后关闭第六阀门和真空泵，停止抽真空，完成对待提纯氙气的二次提纯；

22、步骤5，控制高低温装置继续升温，当高压容器内气体压力高于存储容器内气体压力时，打开第三阀门，将高压容器中经过二次提纯后的氙气填充至存储容器中，之后关闭第三阀门；

23、步骤6，重复步骤1～5，直至氙气罐内贮存的全部待提纯氙气均经过了两次提纯处理；

24、步骤7，对存储容器中的氙气纯度进行检测，若氙气纯度检测结果合格，则结束流程；若氙气纯度检测结果不合格，则打开第三阀门和第四阀门，通过高低温装置对高压容器进行温度控制，基于降温吸入氙、升温提高氙气压力的方法，将存储容器中的氙气填充回氙气罐中；之后关闭第三阀门和第四阀门；重复步骤2～7，直至氙气纯度检测结果合格。

25、本发明具有以下优点：

26、(1)本发明公开了一种适用于航天器电推进的高纯氙气提纯装置，通过纯化器对待提纯氙气进行一次提纯，然后采用基于沸点的液化抽真空方法进行二次提纯，经实际验证，以回收纯度为99.995％的待提纯氙气为样本，经过多次提纯后，其纯度可以达到99.9999％，满足电推进应用要求，证明了本发明所述提纯方案的合理性和可行性。

27、(2)对于电推进研制过程中回收的氙气，以往因为没有有效的处理措施，只能直接排放至大气，造成了极大的资源浪费。本发明公开了一种适用于航天器电推进的高纯氙气提纯装置，实现了高纯氙气的提纯，有效地节约了氙气资源，节省了成本。

技术特征：

1.一种适用于航天器电推进的高纯氙气提纯装置，其特征在于，包括：氙气罐(1)、液氮罐(2)、第一阀门(3)、第二阀门(4)、第三阀门(5)、第四阀门(6)、第五阀门(7)、第六阀门(8)、纯化器(9)、真空泵(10)、真空计(11)、高压容器(12)、高低温装置(13)、电子称(14)、压力传感器(15)、温度传感器(16)、纯度检测系统(17)和存储容器(18)；

2.根据权利要求1所述的适用于航天器电推进的高纯氙气提纯装置，其特征在于，氙气罐(1)内贮存有待提纯氙气。

3.根据权利要求1所述的适用于航天器电推进的高纯氙气提纯装置，其特征在于，纯化器(9)，用于对待提纯氙气进行一次提纯，去除待提纯氙气中的一类杂质气体；其中，一类杂质气体至少包括如下气体中的一种或多种：水、二氧化碳、氧化亚氮和氟化物。

4.根据权利要求1所述的适用于航天器电推进的高纯氙气提纯装置，其特征在于，液氮罐(2)内贮存有液氮，当第六阀门(8)开启时，液氮经管路c进入高低温装置(13)内，作为冷源，实现对高压容器(12)的降温。

5.根据权利要求1所述的适用于航天器电推进的高纯氙气提纯装置，其特征在于，电子称(14)，用于对高压容器(12)内的气体吸入量进行称重。

6.根据权利要求1所述的适用于航天器电推进的高纯氙气提纯装置，其特征在于，真空计(11)，用于对高压容器(12)的真空度进行测量。

7.根据权利要求1所述的适用于航天器电推进的高纯氙气提纯装置，其特征在于，压力传感器(15)，用于对高压容器(12)的压力进行测量。

8.根据权利要求1所述的适用于航天器电推进的高纯氙气提纯装置，其特征在于，温度传感器(16)，用于对高压容器(12)的温度进行测量。

9.根据权利要求1所述的适用于航天器电推进的高纯氙气提纯装置，其特征在于，还包括：控制系统；其中，控制系统分别与第一阀门(3)、第二阀门(4)、第三阀门(5)、第四阀门(6)、第五阀门(7)和第六阀门(8)连接，用于控制第一阀门(3)、第二阀门(4)、第三阀门(5)、第四阀门(6)、第五阀门(7)和第六阀门(8)的开启/关闭。

10.根据权利要求1所述的适用于航天器电推进的高纯氙气提纯装置，其特征在于，所述高纯氙气提纯装置的提纯过程如下：

技术总结本发明公开了一种适用于航天器电推进的高纯氙气提纯装置，包括：氙气罐、液氮罐、六个阀门、纯化器、真空泵、真空计、高压容器、高低温装置、电子称、压力/温度传感器、纯度检测系统和存储容器；高压容器置于高低温装置内，高低温装置置于电子称上，压力/温度传感器和真空计分别与高压容器连接；氙气罐分别通过管路A和管路B与高压容器连接；管路A上设置有第一阀门、纯化器和第二阀门；液氮罐通过管路C与高低温装置连接，真空泵、存储容器通过管路D、E与高压容器连接，纯度检测系统通过管路F与存储容器连接；管路B、C、D、E上分别设置有一个阀门。本发明实现了对较低纯度氙气的提纯，使提纯后的氙气的纯度满足宇航级电推进的要求。技术研发人员：宋飞,武葱茏,李宗良,翟阔阔,刘镇星,李中,彭政,宇文雷,刘学,韩飞龙,林倩,李钊,刘鑫,毕强,赵博受保护的技术使用者：北京控制工程研究所技术研发日：技术公布日：2024/6/2