CN113202708B - 一种离子电推进系统在全寿命周期下的工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于航天器推进技术领域，具体公开了一种离子电推进系统在全寿命周期下的工作方法，系统包括控制单元、电源处理单元、贮供单元以及离子推力器，控制单元用于确定离子推力器的最佳工作模式；获取当前状态下的电参数与流率参数，并与最佳工作模式下的最佳工作参数进行对比，若电参数与流率参数未达到最佳工作参数，则产生控制信息向电源处理单元和贮供单元发送；电源处理单元为离子推力器供电；贮供单元为离子推力器供气。本发明实现了离子推力器全寿命周期内时刻工作在最佳工作模式，且该工作模式下各工作参数为最佳，实现多模式电推进系统在深空探测领域自主运行，进而保障以离子电推进系统作为主推进的探测任务顺利完成。

Description

一种离子电推进系统在全寿命周期下的工作方法

技术领域

本发明涉及航天器推进技术领域，尤其涉及一种离子电推进系统在全寿命周期下的工作方法。

背景技术

电推进技术作为一种先进空间推进技术，已经在空间各个应用领域得到了广泛应用。尤其在深空探测任务中，电推进技术以其高比冲、长寿命等特点，可以大大节省推进剂携带量，增加航天器有效载荷比例，具有很强的优势。

在深空探测任务中随着航天器离开太阳距离的增加，太阳能效率不断降低，这要求电推进系统具备根据航天器提供电能和航天器轨道设计完成工作模式自主选择的能力。另外，随着电推进系统工作时间增加，离子推力器关键设计尺寸由于遭受长期离子溅射磨损而发生变化，再加上在一般深空探测任务中随工作时间的增加推力器工作功率越来越小，而离子推力器小功率点工作参数对离子推力器的关键设计尺寸更为敏感，离子推力器初期设计的最佳工作参数由于溅射磨损已不再适用，这要求电推进系统具备全寿命周期内根据敏感参数完成最优参数自匹配能力，从而实现长期服役。

发明内容

本发明的目的是针对以离子电推进系统为主推进的深空探测任务中，由于航天器距离太远距离变化造成的输出功率变化，以及由于离子推力器长期工作磨损造成的最佳工作参数变化问题，提出了一种离子电推进系统在全寿命周期下的工作方法。

本发明的一种离子电推进系统，离子电推进系统包括控制单元、电源处理单元、贮供单元以及离子推力器，其中：

控制单元与电源处理单元、贮供单元相连接，用于根据电源处理单元的电参数确定离子推力器的最佳工作模式；以及，根据最佳工作模式产生控制信息向电源处理单元和贮供单元发送；以及，获取当前状态下的电参数与流率参数，并与最佳工作模式下的最佳工作参数进行对比，若电参数与流率参数未达到最佳工作参数，则产生控制信息向电源处理单元和贮供单元发送；

电源处理单元与离子推力器相连接，通过控制信息将其电参数进行调整，并为离子推力器供电；

贮供单元与离子推力器相连接，通过控制信息将其流率参数进行调整，并为离子推力器供气；

离子推力器与电源处理单元、贮供单元相连接，通过电源处理单元的供电以及贮供单元的供气达到最佳工作模式，使系统的工作参数达到最佳工作参数。

进一步地，电源处理单元包括阴极触持电源、阴极点火电源、阴极加热电源、阳极电源、屏栅电源、加速电源、中和器触持电源、中和器点火电源、中和器加热电源。

进一步地，贮供单元包括氙气瓶以及压力调节模块、流量调节模块，压力调节模块和流量调节模块安装于氙气瓶向离子推力器供气的管路上；压力调节模块和流量调节模块均与控制单元相连接。

本发明的一种离子电推进系统在全寿命周期下的工作方法，包括：

S1：控制单元获取电推进系统输入功率，根据电推进系统输入功率确定离子推力器的最佳工作模式；

S2：控制单元根据最佳工作模式产生对应的控制信息向电源处理单元和贮供单元发送；

S3：电源处理单元通过控制信息将其电参数进行调整，并为离子推力器供电；

S4：贮供单元通过控制信息将其流率参数进行调整，并为离子推力器供气；

S5：离子推力器在当前工作参数下工作设定时长；

S6：控制单元获取当前状态下的电参数与流率参数，并与最佳工作模式下的最佳工作参数进行对比，若电参数与流率参数未达到最佳工作参数，执行步骤S2至S6，若电参数与流率参数均达到最佳工作参数，则离子推力器在当前工作参数下继续工作。

进一步地，步骤S1中控制单元根据电推进系统输入功率确定离子推力器的最佳工作模式，包括：

控制单元根据电推进系统输入功率-效率曲线计算离子推力器的输入功率；

根据预设的离子推力器功率-功率工作模式对照表以及离子推力器的输入功率确定离子推力器在当前输入功率下的可选工作模式；

根据航天器轨道设计在当前位置对推力和比冲的需求关系，从可选工作模式中选出最佳工作模式。

进一步地，S2中控制单元根据最佳工作模式产生对应的控制信息向电源处理单元和贮供单元发送，包括：

控制单元获取电源处理单元中的阴极触持电源、阴极点火电源、阴极加热电源、阳极电源、屏栅电源、加速电源、中和器触持电源、中和器点火电源、中和器加热电源的电参数，以及获取贮供单元中的压力调节模块、流量调节模块的流率参数，将电参数与流率参数与最佳工作模式下的最佳工作参数进行比对；

根据比对结果以及预设的最优参数匹配策略，为阴极触持电源、阴极点火电源、阴极加热电源、阳极电源、屏栅电源、加速电源、中和器触持电源、中和器点火电源、中和器加热电源、压力调节模块、流量调节模块匹配对应的工作参数；

根据工作参数生成对应的控制信息。

进一步地，最优参数匹配策略包括：

根据放电损耗比初始状态减少20％、或开启屏栅电源与加速电源后立即出现中和器熄弧、或电源处理单元出现不同于打火现象造成的束流重启或保护关机，来判断是否由于栅极磨损而发生电子反流；若以上现象中存在任何一项，则以设定步长不断减小加速电源的电压，直至无电子反流现象；

根据主触电压值判断是否是由于阴极小孔磨损而导致在阴极流率原初设计值下阴极工作在羽状模式；若是，则以设定步长增大阴极流率直至阴极触持电压的电压满足最佳工作参数；

根据阳极电压判断由于栅极磨损导致中性气体流失速率增加是否造成阳极电压增高，而高于要求值；若是，则根据阳极电压增量除以阳极电压对阳极流率的敏感度绝对值，计算得到需增加的阳极流率；

根据中和器触持电压、或推力器相对航天器悬浮电位，判断是否由于中和器小孔磨损导致在中和器流率原初设计值下中和器工作在羽状模式；若是，则通过设定步长增大中和器流率，直到中和器触持电压满足最佳工作参数。

进一步地，电源处理单元对于电参数具备连续调节能力；贮供单元对流率参数具备宽范围连续或档位调节能力。

本发明的离子电推进系统以及在全寿命周期下的工作方法，实现了离子推力器全寿命周期内时刻工作在最佳工作模式，且该工作模式下各工作参数为最佳，实现多模式电推进系统在深空探测领域自主运行，且使其寿命和可靠性最大化，进而保障以离子电推进系统作为主推进的探测任务顺利完成。

附图说明

图1为本发明实施例的离子电推进系统的结构组成图；

图2为本发明实施例的离子电推进系统在全寿命周期下的工作方法的步骤流程图。

图3为本发明实施例的离子电推进系统在全寿命周期下的工作方法的另一步骤流程图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例为一种离子电推进系统，如图1所示，离子电推进系统包括控制单元、电源处理单元、贮供单元以及离子推力器，其中：控制单元与电源处理单元、贮供单元相连接，用于根据电源处理单元的电参数确定离子推力器的最佳工作模式；以及，根据最佳工作模式产生控制信息向电源处理单元和贮供单元发送；以及，获取当前状态下的电参数与流率参数，并与最佳工作模式下的最佳工作参数进行对比，若电参数与流率参数未达到最佳工作参数，则产生控制信息向电源处理单元和贮供单元发送；电源处理单元与离子推力器相连接，通过控制信息将其电参数进行调整，并为离子推力器供电；贮供单元与离子推力器相连接，通过控制信息将其流率参数进行调整，并为离子推力器供气；离子推力器与电源处理单元、贮供单元相连接，通过电源处理单元的供电以及贮供单元的供气达到最佳工作模式，使其工作参数达到最佳工作参数。

如图1所示，电源处理单元包括阴极触持电源、阴极点火电源、阴极加热电源、阳极电源、屏栅电源、加速电源、中和器触持电源、中和器点火电源、中和器加热电源。贮供单元包括氙气瓶以及压力调节模块、流量调节模块，压力调节模块和流量调节模块安装于氙气瓶向离子推力器供气的管路上；压力调节模块和流量调节模块均与控制单元相连接。

本发明的离子电推进系统具备自主控制能力，控制单元对阴极触持电源、阴极点火电源、阴极加热电源、阳极电源、屏栅电源、加速电源、中和器触持电源、中和器点火电源、中和器加热电源的工作参数进行采样，同时也对阴极触持电源、阴极点火电源、阴极加热电源、阳极电源、屏栅电源、加速电源、中和器触持电源、中和器点火电源、中和器加热电源的工作状态进行控制。与此同时，控制单元对压力调节模块、流量调节模块的工作参数进行采样，并对压力调节模块、流量调节模块的工作状态进行控制，从而实现氙气的压力、流量调节。本实施例实现了离子电推进系统全寿命周期内时刻工作在最佳工作模式，且该工作模式下各工作参数为最优的目的。

本发明的一种离子电推进系统在全寿命周期下的工作方法，如图2所示，包括：

S1：控制单元获取电推进系统输入功率，根据电推进系统输入功率确定离子推力器的最佳工作模式。

具体地，步骤S1中控制单元根据电推进系统输入功率确定离子推力器的最佳工作模式，包括：

控制单元根据电推进系统输入功率-效率曲线计算离子推力器的输入功率；

根据预设的离子推力器功率-功率工作模式对照表以及离子推力器的输入功率确定离子推力器在当前输入功率下的可选工作模式；

根据航天器轨道设计在当前位置对推力和比冲的需求关系，从可选工作模式中选出最佳工作模式。

如表1所示，所列举的是一种“离子推力器功率-功率工作模式对照表”的示例。

表1离子推力器功率-功率工作模式对照表

S2：控制单元根据最佳工作模式产生对应的控制信息向电源处理单元和贮供单元发送。

具体地，S2中控制单元根据最佳工作模式产生对应的控制信息向电源处理单元和贮供单元发送，包括：

控制单元获取电源处理单元中的阴极触持电源、阴极点火电源、阴极加热电源、阳极电源、屏栅电源、加速电源、中和器触持电源、中和器点火电源、中和器加热电源的电参数，以及获取贮供单元中的压力调节模块、流量调节模块的流率参数，将电参数与流率参数与最佳工作模式下的最佳工作参数进行比对；

根据比对结果以及预设的最优参数匹配策略，为阴极触持电源、阴极点火电源、阴极加热电源、阳极电源、屏栅电源、加速电源、中和器触持电源、中和器点火电源、中和器加热电源、压力调节模块、流量调节模块匹配对应的工作参数；

根据工作参数生成对应的控制信息。

其中，最优参数匹配策略，如图3所示，包括：

根据放电损耗比初始状态减少20％、或开启屏栅电源与加速电源后立即出现中和器熄弧、或电源处理单元出现不同于打火现象造成的束流重启或保护关机，来判断是否由于栅极磨损而发生电子反流；若以上现象中存在任何一项，则以设定步长不断减小加速电源的电压，直至无电子反流现象；

根据主触电压值判断是否是由于阴极小孔磨损而导致在阴极流率原初设计值下阴极工作在羽状模式；若是，则以设定步长增大阴极流率直至阴极触持电压的电压满足最佳工作参数；

根据阳极电压判断由于栅极磨损导致中性气体流失速率增加是否造成阳极电压增高，而高于要求值；若是，则根据阳极电压增量除以阳极电压对阳极流率的敏感度绝对值，计算得到需增加的阳极流率；

根据中和器触持电压、或推力器相对航天器悬浮电位，判断是否由于中和器小孔磨损导致在中和器流率原初设计值下中和器工作在羽状模式；若是，则通过设定步长增大中和器流率，直到中和器触持电压满足最佳工作参数。

具体地，电源处理单元对于电参数具备连续调节能力；贮供单元对流率参数具备宽范围连续或档位调节能力。

如表2与表3所示，为离子推力器各工作点工作参数要求表的一种示例，以及离子推力器各工作点工作参数敏感度和调整步长表的一种示例。

表2离子推力器各工作点工作参数要求表

表3离子推力器各工作点工作参数敏感度和调整步长表

S3：电源处理单元通过控制信息将其电参数进行调整，并为离子推力器供电。

S4：贮供单元通过控制信息将其流率参数进行调整，并为离子推力器供气。

S5：离子推力器在当前参数模式下工作设定时长。

S6：控制单元获取当前状态下的电参数与流率参数，并与最佳工作模式下的最佳工作参数进行对比，若电参数与流率参数未达到最佳工作参数，执行步骤S2至S6，若电参数与流率参数均达到最佳工作参数，则离子推力器在当前工作参数下继续工作。

本发明的实施例通过控制单元对最佳工作模式的选择，以及通过采样、控制、再采样、再控制的闭环控制方式，最终使各个参数达到最佳的工作参数，来达到电子推力器的性能损失最小。

本发明在实施之前，根据“电推进系统输入功率-效率曲线”、“离子推力器功率-功率工作模式对照表”和航天器轨道设计确定多个工作模式，每个工作模式下对应有最佳的工作参数。从而通过本发明的方法实现最佳工作模式的匹配，继而再对各工作参数进行优化匹配，以达到离子电推进系统性能最小损失下，使阴极和中和器工作在点状模式、栅极截获电流和放电电压小于要求，从而使离子推力器寿命和可靠性最大化。

本发明的离子电推进系统以及在全寿命周期下的工作方法，实现了离子推力器全寿命周期内时刻工作在最佳工作模式，且该工作模式下各工作参数为最佳，实现多模式电推进系统在深空探测领域自主运行，且使其寿命和可靠性最大化，进而保障以离子电推进系统作为主推进的探测任务顺利完成。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (3)

1.一种离子电推进系统在全寿命周期下的工作方法，所述离子电推进系统包括控制单元、电源处理单元、贮供单元以及离子推力器，其特征在于，包括：

S1：控制单元获取电推进系统输入功率，根据电推进系统输入功率确定离子推力器的最佳工作模式；

S2：控制单元根据最佳工作模式产生对应的控制信息向电源处理单元和贮供单元发送，其中：控制单元获取电源处理单元中的阴极触持电源、阴极点火电源、阴极加热电源、阳极电源、屏栅电源、加速电源、中和器触持电源、中和器点火电源、中和器加热电源的电参数，以及获取贮供单元中的压力调节模块、流量调节模块的流率参数，将电参数与流率参数与最佳工作模式下的最佳工作参数进行比对；

根据比对结果以及预设的最优参数匹配策略，为阴极触持电源、阴极点火电源、阴极加热电源、阳极电源、屏栅电源、加速电源、中和器触持电源、中和器点火电源、中和器加热电源、压力调节模块、流量调节模块匹配对应的工作参数；

所述最优参数匹配策略包括：根据放电损耗比初始状态减少20％、或开启屏栅电源与加速电源后立即出现中和器熄弧、或电源处理单元出现不同于打火现象造成的束流重启或保护关机，来判断是否由于栅极磨损而发生电子反流；若以上现象中存在任何一项，则以设定步长不断减小加速电源的电压，直至无电子反流现象；

根据主触电压值判断是否是由于阴极小孔磨损而导致在阴极流率原初设计值下阴极工作在羽状模式；若是，则以设定步长增大阴极流率直至阴极触持电源的电压满足最佳工作参数；

根据阳极电压判断由于栅极磨损导致中性气体流失速率增加是否造成阳极电压增高，而高于要求值；若是，则根据阳极电压增量除以阳极电压对阳极流率的敏感度绝对值，计算得到需增加的阳极流率；

根据中和器触持电压、或推力器相对航天器悬浮电位，判断是否由于中和器小孔磨损导致在中和器流率原初设计值下中和器工作在羽状模式；若是，则通过设定步长增大中和器流率，直到中和器触持电压满足最佳工作参数；

S3：电源处理单元通过控制信息将其电参数进行调整，并为离子推力器供电；

S4：贮供单元通过控制信息将其流率参数进行调整，并为离子推力器供气；

S5：离子推力器在当前工作参数下工作设定时长；

S6：控制单元获取当前状态下的电参数与流率参数，并与最佳工作模式下的最佳工作参数进行对比，若电参数与流率参数未达到最佳工作参数，执行步骤S2至S6，若电参数与流率参数均达到最佳工作参数，则离子推力器在当前工作参数下继续工作。

2.如权利要求1所述的离子电推进系统在全寿命周期下的工作方法，其特征在于，步骤S1中控制单元根据电推进系统输入功率确定离子推力器的最佳工作模式，包括：

控制单元根据电推进系统输入功率-效率曲线计算离子推力器的输入功率；

根据预设的离子推力器功率-功率工作模式对照表以及所述离子推力器的输入功率确定所述离子推力器在当前输入功率下的可选工作模式；

根据航天器轨道设计在当前位置对推力和比冲的需求关系，从所述可选工作模式中选出最佳工作模式。

3.如权利要求1所述的离子电推进系统在全寿命周期下的工作方法，其特征在于，所述电源处理单元对于电参数具备连续调节能力；所述贮供单元对流率参数具备宽范围连续或档位调节能力。

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