CN101855138B - 空间飞行器中的驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空间飞行器中的驱动装置，其包括多个驱动单元(TW1、TW2和TW3)，其中，为了向多个可单独控制的驱动单元连续施加公共恒压电位(HV)给且为了实现控制所述各个驱动单元中的轴向推力，单独控制在各个驱动单元中等离子体的产生。特别地，通过时变控制中性工作气体(AG)流入电离室(IK)中来实现时变控制等离子体的产生。

Description

空间飞行器中的驱动装置

技术领域

本发明涉及一种空间飞行器中的驱动装置。

背景技术

对空间飞行器，例如尤其是卫星或者航天探测器中的驱动装置而言，不仅仅是化学驱动设备，而且电动驱动设备也是已知的。后者尤其使用高压对电离室中电离的工作气体的正电离子进行加速，并使这些正电离子作为等离子体束经由电离室的开口射出。关于这一点，根据反冲原理，空间飞行器得以在相反方向上加速。优选地，尤其将惰性气体，例如氙用作工作气体。

为了使空间飞行器处于不同的飞行状态，并能施加不同方向的加速力，设置尤其具有不同和/或可调节定向的多个驱动单元。由于空间飞行器中出现故障的驱动单元通常不能维修或者更换，因此，往往在空间飞行器内布置附加驱动单元。

通过将中性工作气体供给到电离室内、工作气体的电离以及正电气体离子的静电加速来产生电动驱动设备的驱动功率，正电气体离子作为加速等离子体束从射束出口孔射出。通过高压的变化，在最简单的情况下通过施加高压和停止施加高压，来实现驱动功率的变化。为能相互独立地控制各个驱动单元，必须利用控制单元来控制分配给驱动单元的高压供应器件的高压电位。就此而言，此类高压供应器件通常包括多个高压发生器。由于这些高压发生器很昂贵，而且增加了空间飞行器的重量，因此，应将高压发生器数量保持得尽可能的少，但是，对高压发生器来说，还必须采取预防措施来处理高压发生器的故障，为此，在空间飞行器中设置一个，或者通常为多个备用高压发生器。

用于空间飞行器的驱动系统可从EP 0550250 B1获知，其中，多个静电格栅发动机的能量来自于公共供能装置。就此而言，为每个发动机分配用于所需的不同高压的分离高压发生器。高压发生器同时供有能量，并且将高压同时施加给所有发动机。可利用相联气阀为各个发动机供应工作气体，并且能以此方式选择性起动发动机。可利用开关选择性地打开和关闭主要电子源的阴极加热器。类似的系统可从EP0890739B1获知。

为了不必为每个驱动单元都设置单独的高压发生器和替换发生器，尤其是在需要相互独立控制更多数量的驱动单元的情况下，可利用具有电开关的开关矩阵将第一数量的高压发生器和第二数量的驱动单元连接起来。操纵空间飞行器所需要的驱动单元通过开关矩阵而与不同驱动单元当前不需要的高压发生器相连。但是，由于电子矩阵开关元件上的应力，只有在切断高压时才能切换矩阵连接。此类矩阵开关元件经常出现故障，这造成了对空间飞行器控制的功能限制。过多地设置和布置开关元件进一步增加了装置的复杂性。

发明内容

本发明以介绍空间飞行器中进一步得以简化且不易出现问题的驱动装置为出发点。

在驱动单元的可变控制中从高压的影响改变到产生等离子体的影响，以及将来自高压供应器件的公共高压电位同时供应给多个驱动单元，使得整个装置的可变控制和结构产生重要优点。特别地，在诸多应用中，可明显减少高压供应器件中高压发生器的数量，从而能节约成本并减轻重量。特别地，可对驱动装置的所有或者至少所有有源驱动单元供应公共高压电位。与根据EP 0 550 250 B1的现有技术状态相反，多个驱动单元仅需要一个高压发生器，且该一个高压发生器的输出形成公共高压电位，该公共高压电位被分流到多个驱动单元的高压电极。高压发生器可包括并行布置的多个级，但这些发生器级各自在公共高压发生器的输出部产生一个用于所有驱动单元的公共高压电位。

通过影响产生等离子体而实现的可变控制尤其包括新产生的等离子体的速率。为此，就作为驱动单元的高频发动机而言，可以通过切换或者改变引起电离的电离室中的高频场的而以可变方式影响电离速率。在尤其有利的实施例中，驱动单元的驱动功率的可变控制通过进入驱动单元电离室的气体流量的可变控制来实现，从而，可将气体流量理解为每时间单位被引入电离室的气体量。气体流量越大，离子或等离子体的产生速率就越高。就此而言，有利的是，高压值能够是恒定的。

有利地通过在驱动单元之前单独切换的可控气阀来实现气体流量的可变控制。在第一有利实施例中，作为计量阀的气阀在控制装置的影响下能连续改变至少一个气流区域的气体流量。在另一有利实施例中，可将气阀构造成尤其有利的开关阀，其原因是开关阀简单而不易导致问题的结构，并且还能在关闭和打开状态之间切换。此类切换实现了驱动单元在电离室中没有工作气体的空转状态以及具有最大均衡驱动功率的驱动状态之间的运行状态。如果驱动单元具有特定工作点则是非常有利的，该特定工作点例如对气体流量的推动力的比例尤其有利。

可利用循环操作来设定空转状态和最大驱动功率之间的平均驱动功率。关于这一点，由于避免了高压的切换，因此，在气体流量的循环期间恒定地施加高压是特别有利的。

在有利实施例中，为设定最大气体流量和结束供气之间的气流值，可设置用于气流开关阀循环操作的控制器件，而且可将气流阻滞器布置在气阀与电离室之间的供给系统中，该阻滞器使得随着阀门的循环操作而产生涌动的电离室前面的气体流量平稳，并将其转换成在不平稳状态与切换状态之间具有更小调节冲程的气流。此类阻滞器例如可以是喷嘴或者迂回管线。在优选实施例中，阻滞器由透气开口本体形成，特别地由陶瓷材料制成。还可利用供气系统中到驱动单元的两个或更多开关阀来设定空转气体流量与最大气体流量之间的中间值，上述驱动单元并行布置在气流中，并可单独切换，而且这些驱动单元可例如以二元方式不同地位于其形成的部分气流中。有利的是，将气阀布置在驱动单元的紧邻附近。有利的是，各个驱动单元通过电离室在其负电极至阳电极之间的高压电路中，在其空转状态下(亦即不供应气体)处于高欧姆值，尤其是超过100kOhm的电阻。

尤其有利的是不需要操纵的驱动单元被施加的高压与起动驱动单元被施加的高压相同，而且为了接通驱动功率，仅仅通过将工作气体引入电离室便能起动驱动单元而不需要对电气系统作任何改变，且如果需要，可以接通中和器。电离室中的电离以及等离子体的产生始于电离室中工作气体的存在，被施加高压的电极装置的静电场刚好在空转状态下经过电离室。可通过切断气体供应流简单地实现驱动单元的关闭，而不用切断高压。对关闭的驱动单元继续施加高压，从而不必切断或者重新接通高压电流电路，而且可以不必为高压电流电路构造开关元件，尤其是分配给各个驱动单元的开关元件。在供应有相同高压电位的所有驱动单元的延长关闭时间期间，也可关闭高压发生器。

特别有利的是从WO 03/000550A1获知的离子加速器的结构，其中，磁体装置在电离室中产生磁场，该场具有纵向间隔开的至少两个波峰结构。上述磁体装置包括在纵向上相互紧挨并交替的磁极相反的多个磁环。阴电极布置在电离室射束出口孔的区域内，优选地在室外部相对于射束出口孔侧向偏离，而阳电极布置在室的底部并在纵向上与射束出口孔相对。由阴极发射并利用阴极与阳极之间的静电场得以阳极方向上加速的电子在波峰结构中存在较长时间，从而，阴极与阳极之间流动的电流在空转过程中很小，且驱动单元的空转功率消耗因此也很小，尤其比霍尔离子发动机的情况还小得多。

具有此构造的离子加速器较之最开始列举的文献EP 0 550 250B1和EP 0 890 739B1具有的优点在于，不会产生在格栅发动机情况下经常出现的被称作相邻格栅之间的熄火的电压闪络，从而由一个或多个驱动单元的运行产生的高压电位的变化保持得很小。此构造的离子加速器还具有的特殊优点在于，只需要一个高压，即阴极与阳极之间的高压，并且，可为工作气体的不同流量保持相同的高压，而发动机通常需要调整气体流速和高压。

此外，有利的是，以不同定向将多个驱动单元，尤其是同时供应有高压供应器件的公共高压电位的多个驱动单元布置在空间飞行器上。由于多个驱动单元还能例如根据上述一种方式有利地以不同推力矢量和各自可控驱动功率同时产生驱动功率，因此，控制器件能通过各个驱动单元驱动功率的可变控制，基本上任意地在各个驱动单元的定向之间的中间方向设定所形成的推力矢量。关于这一点，只需要控制被施加了较小电压和电流的气阀，与此同时，高压与驱动单元恒定而连续相连。

为了在由高压发生器和多个驱动单元组成的驱动系统损坏时实现空间飞行器的可操作性，可多设置一些部件。在第一实施例中，高压发生器可包括至少两个并联的发生器级，这些发生器级被切换到高压发生器的公共高压输出部，有利的是，利用反馈抑制器(feedbackbarrier)，尤其是二极管以不用开关的方式来实现至公共高压输出部的切换。有利的是，根据负载单独地或者两个同时地起动并联发生器级。在又一有利开发方案中，可设置第二高压发生器，其在第一高压发生器损坏时利用中心切换装置与高压馈线网络相连而代替第一高压发生器，该中心切换装置有利地连接在永久彼此电连接的分布线网络之前。以具有优点的方式，在高压发生器关闭时实现此类一次切换。在另一有利实施例中，设置第二驱动系统，其具有第二高压发生器以及供应有来自该发生器的高压的多个驱动单元，第二驱动系统作为具有第一高压发生器以及供应自第一高压发生器的多个驱动单元的驱动系统的损坏备用或者支持。这样，有利地完全不用设置高压电流电路中对故障敏感的开关元件。

对于被用作电离用电子源的中和器，尤其是对于离子束的中性化，不同的开关系统和装置通过所引用的现有技术是已知的，它们可以以任意需要的方式与涉及到高压部件的本发明组合。

附图说明

下面使用优选的示例性实施例并参照附图来更详细地说明本发明。关于这一点，附图中示出：

图1空间飞行器中多个驱动单元的示意性布置，

图2驱动单元的优选结构，

图3具有开关阀的驱动单元，

图4具有并联发生器级的高压发生器。

具体实施方式

在图1中，示意性地示出了所示空间飞行器RF的部件的总览图，这些部件对说明本发明及其进一步开发非常重要。多个驱动单元TW1、TW2和TW3布置在空间飞行器上，这些驱动单元被构造成离子加速器装置，并使它们各自发射等离子体束PB以产生推动力。以射束方向SR1、SR2和SR3不同地定向各个驱动器件TW1、TW2、TW3。也可通过驱动单元的枢转安装来改变各个驱动装置的射束方向。每个驱动单元包括电离室IK，供给的工作气体在该电离室中被电离，得以静电加速，并作为等离子体束PB经由射束出口孔射出。阳极装置AN都被布置在电离室IK的底部而与波束方向上的射束出口孔相对。

高压供应器件包括第一高压发生器HG0和备用高压发生器HGR，这些高压发生器构造用以相对于空间飞行器的地电位M产生高压HV。可利用切换装置来实现两个高压发生器的切换。在图中，高压发生器HGO作为有源的供应高压HV的发生器连接至高压供应线VL的系统，各个离子加速器装置的阳极装置AN通过高压供应线与高压发生器恒定连接，并相对于地电位处于高压。

在未示出的另一有利实施例中，可通过高压电线VL使高压发生器HG0与驱动单元TW1、TW2和TW3恒定连接，而且可设置第二驱动系统，其具有另一高压发生器并通过其自身的连接线与该高压发生器相连，同时不具有开关元件。两个驱动系统的高压电流电路甚至在共同地电位下都相互独立。两个驱动系统的气体供应来源于公共气体供应容器。两个驱动系统可交替或者共同运行。特别地，这两个驱动系统在单个驱动单元发生故障时也可有利地相互补充。

供气管线GL从气体供应容器GQ引到气阀GV，这些供气管线分别分配给各个离子加速器装置TW1、TW2和TW3。可由控制器件SE通过控制线SL分别控制各个气阀GV。

出于清晰目的，只对离子加速器装置TW1相关的所述各个部件进行详细图示。可对分配给其它离子加速器装置TW2、TW3的部件给予类似标号。

利用在所有阳极装置AN同时施加的高压，以及利用各个气阀GV实现的进入各个离子加速器装置电离室的气体流量的单独可控性，离子加速器装置能在任何情况下单独或者多个同时产生与其射束方向相反的推动力。只应象征性地理解所示示例的驱动单元的数量及其定向，以说明能够在不同定向上设置多个驱动单元。当然，在实际情况下，应注意必须能在三维空间内横向控制空间飞行器，而且空间飞行器还可通过转动而改变其定向。为了产生与驱动单元的射束方向相反的推力，必须足以在此驱动单元中产生推力。为了在不与驱动单元射束方向精确相对的作用力方向上获得推动力，多个驱动单元可在任何情况下同时或者例如循环而几乎同时运行，并产生它们自身的推动力，从而，驱动单元含有的推动力可以不同，借此能在很大程度上设定任意需要方向的总推力矢量。利用与各自所需推动力相应匹配并在必要时循环的用于气阀的操作信号，通过控制器件来设定这样形成的推动力的方向和强度。

气阀有利地布置在驱动单元的紧邻附近。而且，气流阻挡器件FW能够插入于气阀和驱动单元电离室之间，并在气阀的循环操作过程中减少由于循环而造成的气流调节，并使气流均衡。器件FW从气阀开始一直到电离室内的流阻比气流中其它模块的累积流阻更大，特别地两倍大。

图2示出了作为离子加速器装置的驱动单元的已知优选结构，其运行基本方法如WO 03/000550A1中所述。关于这一点，图2以经过电离室IK的中心纵轴LA的剖面示出了离子加速器装置的局部横截面图。假定离子加速室基本旋转对称，因此，图2仅示出了离子加速器装置的位于中心纵轴LA一侧上的一半。

所示的离子加速器装置具有由室壁KW围绕中心纵轴LA侧向界定的电离室IK。电离室在纵向方向LR上朝一侧开口。通过设置于此的射束出口孔AO，加速的等离子体束PB在离子加速器装置的运行期间，即在将工作气体供给到电离室中时在纵向方向LR上射出。阴极KA被布置在电离室外部且相对于射束出口孔AO侧向偏离。阳极装置AN布置在电离室IK的底部且与纵向LR上的射束口AO相对。高压HV处于阴极KA和阳极装置AN之间，其中，阴极通常处于空间飞行器的地电位M。

在径向方向R上将围绕电离室的磁体装置MA设置在室壁的远离电离室IK的一侧上，该磁体装置在纵向方向LR上为多级，并且包括至少两个在纵向方向上相互间隔开的磁环MR，这些磁环的磁极S、N在纵向方向上相对设置，其中，将纵向方向上彼此靠近的磁环的定向设定为相反，从而具有相同方向的磁极(在图中的相邻磁环的两个南极S)彼此相对。有利地，软磁极靴PR布置在磁环MR之间和/或使它们在纵向上与磁环MR侧向靠近。此类磁体装置的结构和功能例如可从最初提及的现有技术获知。磁体装置在等离子室中产生磁场MF，该磁场具有在纵向上间隔开的至少两个波峰结构。在这些波峰结构中，磁力线在朝着室壁或者经过该室壁的方向上从纵轴LA朝着极靴PR曲线行进，从而产生较高的强场梯度。以HEMP标示的此类离子加速器装置在文献中已多次阐述。离子加速器装置尤其有利的原因还在于，其在施加电压但没有气体流入电离室时，尤其利用超过1Mohm的电阻在空转状态下在其高压电路中处于高欧姆值，从而，阴极与阳极之间的电流在1千伏的普通高压值下保持在1毫安以下。

图3示出了图2中更详尽示出类型的驱动单元，该驱动单元具有尤其可构造成开关阀的气阀GV。工作气体AG通过供气管线GL从气源GQ到达气阀GV。特别地，可将重惰性气体，如氙用作工作气体。

气阀由控制器件SE通过控制线SL来控制，并根据控制线上的控制信号打开和关闭。该控制信号尤其还可以是循环的开关信号。

根据控制线SL上的控制信号调节的气流出现在气阀GV的输出部。流阻本体作为流阻器件FW相对于打开的气阀和直到电离室的剩余流道具有更大的流阻，其使得被调节的气体流量的调节平稳。例如，可通过开孔本体，尤其是开孔陶瓷材料来形成流阻本体FW。

在流动方向上离开流阻本体的工作气体在所示的布置中经由阳极装置AN的远离电离室IK的背面上的孔流动，并侧向经过该孔进入电离室。

一旦工作气体进入电离室，就开始电离处理并形成等离子体，且驱动单元TW通过喷射等离子体束PB产生推动力。

图4示意性地示出了高压发生器HGP，其中，在并联电路中设置两个发生器级GS1、GS2。这两个发生器级被供给有来自图中未示出的公共能量源EQ的电能。由这两个发生器级产生的高压功率利用作为反馈抑制器的二极管装置D1、D2到达公共输出部GA，并在该公共输出部产生对多个驱动器件共用的高压电位HV。可根据发生器级中的开关符号SG所示，利用例如还控制气阀的控制器件SE产生的控制信号SH单独或者联合起动这两个发生器级。这样，非常有利的是，在更高的推动力下，尤其是在多个驱动单元同时操作的情况下，两个发生器级并行操作，而在较小的推动力下，只有一个发生器级的操作更有效。

上述和权利要求书中的特征以及从附图中获知的特征，无论是单独还是在不同的组合下均可有利地实现。本发明并不局限于所描述的示例性实施例，而是在本领域技术人员力所能及的范围内能够以许多不同方式修改。

Claims (16)

1.空间飞行器中的驱动装置，所述驱动装置具有多个驱动单元，这些驱动单元能够在驱动功率方面被控制器件单独且相互独立地可变控制，其中，各个驱动单元均具有电离室、气体供给管线和电极装置，并具有能够为各个驱动单元供应高压的高压供应器件，由此，高压在各个驱动单元中形成用于等离子体的静电加速场，所述等离子体存在于供应给所述电离室并在所述电离室被电离的工作气体中，其特征在于，能够被相互独立控制的多个驱动单元同时由来自所述高压供应器件的公共高压电位供应高压，并且，为了可变地控制各个驱动单元的驱动功率，所述控制器件可变地控制所述电离室中等离子体的产生，其中，在所述电离室中不存在等离子体时，所述驱动单元在其高压电流电路中是高欧姆的。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，为了可变地控制驱动单元的驱动功率，所述控制器件可变地控制中性工作气体到所述驱动单元的电离室中的流入。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，独立于对于工作气体到一个或多个驱动单元的电离室中的流入的可变控制，所述高压被恒定地施加于所有多个驱动单元的电极装置。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于在到各个驱动单元的气体管线中的可控的气阀。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，能够连续地或者通过中间级而在关闭的阀与最大限度打开的阀之间控制气流。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述多个气阀的至少一部分被构造成开关阀。

7.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，分配给驱动单元的可控的气阀直接布置于所述驱动单元处。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在气体供给管线中设置流阻装置。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在所述电离室中不存在等离子体时，所述驱动单元在其高压电流电路中具有至少100kOhm的电阻。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，驱动单元具有布置在所述电离室的出口孔的区域内的阴极以及布置在所述电离室底部且与所述出口孔相对的阳极，且高压形成穿过所述电离室的静电场。

11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述电离室由磁体装置侧向围绕，并且所述磁体装置在所述电离室中产生磁场，所述磁场具有至少两个在纵向方向上间隔开的波峰结构。

12.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，由公共高压电位供电的多个驱动单元以不同定向布置在所述空间飞行器上。

13.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，不同驱动单元以固定的不同定向布置在所述空间飞行器上。

14.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，为了在与驱动单元的定向不一致的推力方向上产生驱动推力，同时启动对多个驱动单元的控制以产生驱动功率。

15.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述高压发生器包括在电气上并联布置的多个发生器级，这些发生器级被引导至公共的高压输出部。

16.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，设置具有附加驱动单元的另一高压发生器，并且这两个高压发生器永久地通过不存在开关元件的电气连接与固定地分配给各自的驱动单元相连，并且，所述驱动单元不能与分配给另一高压发生器的驱动单元相连。

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