CN103835904A - 用于离子推进系统的旋转开关 - Google Patents

Abstract

包括两个功率控制器、四个离子推进器和两个开关组件的栅极式离子推进系统。一个开关组件被联接到两个功率控制器和四个离子推进器中的两个。另一个开关组件被联接到两个功率控制器和四个离子推进器中的另外两个。每个开关组件具有第一和第二转换状态，其可以使功率控制器中的任何一个能提供电能至四个离子推进器中的任何一个。每个开关组件包括各自的可移动主体和各自的多重开关，当主体改变位置时，多重开关一致地改变状态。例如，可移动主体可以是由步进电机驱动的可旋转空心轴。

Description

用于离子推进系统的旋转开关

技术领域

本发明大体涉及用于优化离子推进器阵列的操作的设备和方法。

背景技术

离子推进通常涉及使用穿过带电栅极被电加速的电离气体以产生推进。电加速的粒子能够获得非常高的速度。使用的气体典型是惰性气体，比如氙。由离子推进系统提供的优于常规化学推进系统的主要优点是其具有非常高的效率。例如，用相同数量的燃料质量，离子推进系统能够获得的最终速度比用化学推进系统可获得的速度高十倍。尽管它们是高效的，但是当与化学推进系统相比较时，离子推进系统产生非常低的推力。这个事实已经使得离子推进应用的范围变窄。然而，离子推进系统非常适合于空间应用，其中低的推力通常是可接受的并且燃料效率是决定性的。包括卫星和探险飞行器的许多飞行器使用离子推进系统。

例如，比如通信卫星的飞行器现在通常使用离子推进以用于工作站的保持和其他的功能。离子推进器使用由卫星的太阳能电池产生的电功率来提供能量到推进剂以产生推进。在典型的卫星离子推进器中，通过在推进室的一端通过一系列栅极电极加速正离子来产生推力。所述电极被称为离子引出组件，其产生成千上万的微小推电波。通过外部的电子发射中和器，阻止所述电波被电吸引回至推进器。功率控制器是用于提供电控制和功率以驱动离子推进器的装置，其包括控制放电和中和器阴极内的发射电流。

众所周知，使用氙离子推进系统（XIPS）以提供用于轨道保持和转移卫星轨道的推力。XIPS使用来自太阳和工作气体的电以通过带电离子加速提供推进。传统的卫星使用四个离子推进器（两对）并且具有四个单独的功率处理单元（PPU）以便所有四个推进器能够被同时开动。因此，这显著地增加了驱动离子推进器阵列所需要的质量。

美国专利号6948305公开了一种XIPS，其包括具有减少质量的功率处理系统。该功率处理系统允许单个PPU用推进器的某些元件共有的可调电压电源驱动在一个阵列内的多个离子推进器。（可调电流电源具有单个输出以便提供期望的受控电流至阳极、保持器和加热器）。这种方法的优点在于可调电压电源的质量节省和整个封装质量的显著下降。

进一步已知的，给卫星装备有两个多余的子系统，每个子系统均包括连线到两个离子推进器的一个PPU。所述两个子系统是完全独立的，但是如果例如一个子系统有推进器问题并且另一个子系统有PPU问题则会使两个子系统都不起作用。为了解决这个问题，XIPS继电器单元（XRU）被加到离子推进器和PPU之间。这个XRU允许其他多余的子系统的离子推进器和PPU被使用。因此，任何一个PPU均能够点火四个推进器中的一个。XRU的增加允许了PPU和推进器的多个故障，且同时保持子系统工作。维持飞行器控制所需的只是来自一个推进器的推力。每个XRU包括由继电器驱动电路操作的继电器组。离子推进器和PPU被接线成得到最大多余度。

已知的XRU设计使用高达36个继电器以运行转换功能。该XRU在尺寸上大并且所述36个转换元件必需全部运行以转换单个的18个电路。孤立任何一对推进器的能力在使用继电器的XRU中是不能得到的。

需要一种更加可靠的转换功能，且其比XRU显著地更轻便、具有更小的包线并且花费更少，并且允许推进器中的任何一对被孤立。

发明内容

公开了一种栅极离子推进系统，其具有两个XIPS功率控制器（XPC）、两个旋转开关组件（RSA）和四个离子推进器。通过合适的配置RSA和XPC，四个离子推进器中的每个都能够由任一XPC点火。另一种陈述方式是，系统将允许任意推进器被任一XPC点火。当一次只点火一个推进器时这将在工作站完成。然而，如果合适的卫星操作需要两个推进器同时被点火，则公开的系统通过使用单个可移动的主体（例如，可旋转的空心轴（也就是卷筒））允许两个XPC中的任何一个点火四个推进器中的任何两个。所述系统能够通过合理地配置RSA和XPC选择哪两个推进器点火并且随后决定哪个XPC将点火哪个推进器。一个XPC一次只能够操作一个推进器。因此只要需要同时点火两个推进器，就必需使用两个XPC。

按照一个实施例，通过使用旋转开关（或者如下面所描述的其他类型的开关）而不是继电器以选择哪个离子推进器由哪个XPC点火的系统来实现前面的转换功能。在XPC与离子推进器之间使用专用高压高可靠性的旋转开关允许卫星上的两个XPC中的任何一个点火四个推进器中的任何推进器。按照不同的实施例，每个旋转开关使用一个共同的转换元件（即单个转子）来切换所有的18个电路。或者它们全部转换或者它们全部不转换，从而有助于更加可靠的转换功能。另外，通过使用证明的高可靠性转子和电刷组件，每个旋转开关能够具有紧凑设计。另外，旋转开关概念允许推进器被孤立以为了附加的操作灵活性。一对RSA的存在允许XPC和离子推进器二者中的多个故障。保持飞行器控制所需的仅是来自一个推进器的推力。

按照一个实施例，每个RSA均具有18个接触环并且每个接触环具有三个电刷。按照一个可替代的实施例，RSA中每个接触环四个电刷，由此将所需接触环的数量减少至9个。在可替代的实施例中，减少接触环的数量允许RSA的尺寸和质量被减少。在两种旋转开关的实施例中，每个RSA包括带有分段滑环和周向电刷的旋转电接触环组件，其同时接通与断开联接到RSA的所有XPC和所有推进器的电联接。RSA的所有环被同时旋转以便联接的混合状态是不可能的。RSA的转子由带有冗余绕组的步进电机驱动。RSA被设计以在真空或者地面测试环境中高压运行。

尽管下面详细描述的实施例使用旋转开关，但是其他类型的共同切换的开关能够被用于转换联接电源到一对离子推进器的各个电路。这样的可替代的开关系统可以包括板簧类型接触，其通过旋转接触臂或者线性可移动接触板被打开/关闭，其中成对弹簧被接触以形成多级开关。其他的板簧设计概念包括旋转的摇臂和线性螺旋杆。虽然后面的可替代的开关系统避免了烧结电刷和模压轴组件的采购，但是它们具有更大的包线、更大的重量和更高的转矩。

文中公开的主题的一个方面是离子推进系统，其包括第一和第二功率控制器、第一和第二离子推进器和具有至少第一和第二转换状态的开关组件，其中，当第一和第二功率控制器开启时，当第一开关组件在第一转换状态时，第一和第二离子推进器经由第一开关组件分别接收来自第一和第二功率控制器的功率，并且当第一开关组件在第二转换状态时，第一和第二离子推进器经由开关组件分别接收来自第二和第一功率控制器的功率。开关组件包括可移动的主体和多重开关，当主体改变位置时所述多重开关一致地改变状态。当主体在第一位置时，开关组件在第一转换状态，并且当主体在第二位置时，开关组件在第二转换状态。另外，当主体处于第三位置时，第一和第二离子推进器通过开关组件与第一和第二功率控制器电绝缘。在一个实施例中，主体包括中心轴，并且开关组件进一步包括附接到中心轴的多个接触板和多重电刷，各组三个或四个电刷与每个接触板的相应外表面接触，每个外表面包括导电接触部段和不导电部段。

按照一个实施例，主体包括可旋转的中心轴并且第一和第二位置分别是中心轴的第一和第二角度位置。步进电机可操作地联接到中心轴以改变其角度位置。开关组件进一步包括附接到中心轴的多个接触板和多重电刷。

所述系统进一步包括计算机系统，其被编程以发送脉冲序列，其步进地驱动步进电机并且提供由步进电机需要的运行步进功能的功率。所述计算机系统被进一步编程，以便保持第一或第二离子推进器稳定运行，选择地开启或关闭由第一或第二功率控制器提供的电源。

按照另一个方面，离子推进系统被提供，其包括第一和第二功率控制器、第一到第四离子推进器以及第一和第二开关组件，所述第一开关组件连接至第一和第二功率控制器并且连接至第一和第二离子推进器，并且所述第二开关组件连接至第一和第二功率控制器并且连接至第三和第四离子推进器。第一和第二开关组件中的每个均具有第一和第二转换状态，其能够被选择以使得第一和第二功率控制器中的任一能提供电力至第一到第四离子推进器中的任何一个。第一开关组件包括可移动的第一主体和第一多重开关，当第一主体改变位置时，所述第一多重开关共同地改变状态，并且第二开关组件包括可移动的第二主体和第二多重开关，当第二主体改变位置时，所述第二多重开关一致地改变位置。

仍然另一个方面是用于从第一和第二功率控制器中的选定一个提供电力至卫星上机载的第一和第二离子推进器中的选定一个的方法，其包括：（a）电连接第一和第二离子推进器以及第一和第二功率控制器至开关组件，该开关组件包括可移动的主体和多重开关，当主体从第一位置改变位置至第二位置时所述多重开关一致地改变位置，其中在所述第一位置时所述第一和第二离子推进器中的所述选定一个未连接至所述第一和第二功率控制器中的所述选定一个，在所述第二位置时所述第一和第二离子推进器中的所述选定一个借助于所述开关连接至所述第一和第二功率控制器中的所述选定一个；（b）引起所述主体从第一位置改变其位置到第二位置；和（c）在主体处于第二位置的同时，开启所述第一和第二功率控制器中的所述选定一个。按照一些实施例，主体包括可旋转的中心轴并且第一和第二位置分别是中心轴的第一和第二角度位置。

进一步的方面是用于从选定的功率控制器提供功率至卫星上机载的选定离子推进器的方法，所述方法包括：（a）在所述选定的功率控制器关闭时，旋转包括多个接触板的组件从第一角度位置至第二角度位置；和（b）在轴组件处于第二角度位置的同时，开启所述选定的功率控制器。

本发明能够涉及一种离子推进系统，其可以包括第一和第二功率控制器、第一和第二离子推进器以及具有至少第一和第二转换状态的第一开关组件，其中当所述第一和第二功率控制器开启时，当第一开关组件处于所述第一转换状态时，所述第一和第二离子推进器经由所述第一开关组件分别接收来自所述第一和第二功率控制器的功率，并且当所述第一开关组件处于第二转换状态时，所述第一和第二离子推进器经由所述第一开关组件分别接收来自所述第二和第一功率控制器的功率，并且其中所述第一开关组件包括可移动的第一主体和第一多重开关，当所述第一主体改变位置时，所述第一多重开关一致地改变状态，当所述第一主体处于第一位置时，所述第一开关组件处于所述第一转换状态，并且当所述第一主体处于第二位置时，所述第一开关组件处于第二转换状态。所述第一主体可以包括可旋转的中心轴并且所述第一和第二位置分别是所述中心轴的第一和第二角度位置。所述系统还可以包括步进电机，其可操作地联接至所述中心轴以改变所述中心轴的角度位置。所述系统还可以包括计算机系统，其被编程以发送脉冲序列，从而步进地驱动步进电机并且提供由步进电机所需的运行步进功能的功率。所述计算机系统可以被进一步编程以选择地开启或关闭由所述第一或第二功率控制器提供的电源以保持所述第一或第二离子推进器的稳定运行。所述第一开关组件还可以包括附接到所述中心轴的多个接触板和多重电刷，相应一组三个电刷与每个接触板的相应外表面接触，每个外表面包括导电接触部段和不导电部段。第一开关组件还可以包括附接到所述中心轴的多个接触板和多重电刷，相应一组四个电刷与每个接触板的相应外表面接触，每个外表面包括一对导电接触部段和一对不导电部段。当所述主体处于第三位置时，第一和第二离子推进器可以由所述第一开关组件与第一和第二功率控制器电隔离。所述第一主体可以包括可旋转的中心轴，并且所述第一、第二和第三位置分别是所述中心轴的第一、第二和第三角度位置。所述系统还可以包括第三和第四推进器以及具有至少第一和第二转换状态的第二开关组件，其中当所述第一和第二功率控制器开启时，当所述第二开关组件处于所述第一转换状态时，所述第三和第四离子推进器经由所述第二开关组件分别从第一和第二功率控制器接收功率，当所述第二开关组件处于所述第二转换状态时，所述第三和第四离子推进器经由所述第二开关组件分别从第二和第一开功率控制器接收功率，并且其中所述第二开关组件包括可移动的第二主体和第二多重开关，当所述第二主体改变位置时，所述第二多重开关一致地改变状态，当所述第二主体处于第一位置时，所述第二开关组件处于所述第一转换状态，并且当所述第二主体处于第二位置时，所述第二开关组件处于第二转换状态。

本发明能够涉及一种离子推进系统，其可以包括第一和第二功率控制器、第一到第四离子推进器以及第一和第二开关组件，所述第一开关组件连接到所述第一和第二控制器并且连接到所述第一和第二离子推进器，并且所述第二开关组件连接至所述第一和第二功率控制器以及所述第三和第四离子推进器，其中所述第一和第二开关组件中的每个均具有第一和第二转换状态，其能够被选择以使得所述第一和第二功率控制器中的任一能够供应功率至所述第一到第四离子推进器中的任何一个，所述第一开关组件包括可移动的第一主体和第一多重开关，当所述第一主体改变位置时，所述第一多重开关一致地改变状态，并且所述第二开关组件包括可移动的第二主体和第二多重开关，当所述第二主体改变位置时所述第二多重开关一致地改变状态。第一主体可以包括可旋转的第一中心轴，并且所述第二主体包括可旋转的第二中心轴。权利要求12所引用的系统，该系统进一步包括：可操作地连接至所述第一中心轴以改变所述第一中心轴的角度位置的第一步进电机；和可操作地连接至所述第二中心轴以改变所述第二中心轴的角度位置的第二步进电机。所述系统还可以包括计算机系统，其被编程以选择地发送脉冲序列，来步进地驱动所述第一或第二步进电机并且提供由所述第一或者第二步进电机所需的运行步进功能的功率。所述计算机系统可以进一步被编程以选择地开启或者关闭所述第一或者第二功率控制器以保持所述第一、第二、第三或第四离子推进器稳定运行。第一开关组件还可以包括附加到所述第一中心轴的第一组多个接触板以及第一多重电刷，相应一组电刷与每个接触板的相应外表面接触，每个外表面包括至少一个导电接触部段和至少一个不导电部段。

本发明能够涉及一种用于从第一和第二功率控制器中的选定一个提供功率至卫星上机载的第一和第二离子推进器中的选定一个的方法，所述方法包括：（a）连接第一和第二离子推进器以及第一和第二功率控制器至开关组件，开关组件包括可移动的主体和多重开关，当主体从第一位置改变至第二位置时，所述多重开关一致地改变状态，其中在第一位置，第一和第二离子推进器中的所述选定一个未连接至所述第一和第二功率控制器中的所述选定一个，在第二位置，所述第一和第二离子推进器中的所述选定一个借助于开关连接至所述第一和第二功率控制器中的所述选定一个；（b）使得主体从所述第一位置改变其位置至所述第二位置；和（c）在主体处于所述第二位置的同时，开启所述第一和第二功率控制器中的所述选定一个。主体可以包括可旋转的中心轴，并且所述第一和第二位置分别是所述中心轴的第一和第二角度位置。步骤（b）可以包括步进地驱动可操作地联接至主体的步进电机。

本发明可以涉及用于从选定的功率控制器提供功率至卫星上机载的选定离子推进器的方法，所述方法可以包括（a）在所述选定的功率控制器关闭的同时，旋转包括多个接触板的组件从第一角度位置至第二角度位置；和（b）在所述组件处于所述第二角度位置的同时，开启所述选定的功率控制器。所述第一和第二功率控制器中的每个可以包括相应的电源总线和相应的稳压二极管，所述稳压二极管连接至所述相应的下端电源总线以允许所述相应的下端电源总线相对于飞行器电势负浮动以实现引起电子流来均衡离子束的电势。所述第一和第二离子推进器中的每个可以包括相应的放电阳极和相应的放电阴极，并且所述第一和第二功率控制器中的每个包括相应的电源总线，其使得放电电源、放电保持器电源、放电加热器电源以及屏栅极参照放电电子源，所述放电电源连接至相应的放电阳极以提供致电离能力至燃料和连接至相应放电阴极的屏电源以驱动主要离子束。

附图说明

图1示出借助于旋转开关组件（RSA）将一个XPC连接至一个推进器的框图。

图2示出按照一个实施例的RSA单元的等距视图。为了清晰，RSA单元的一些部件已经被省略。

图3示出按照一个实施例的RSA单元的轴组件和其他部件的截面图。（步进电机54不是以截面被示出）

图4-7示出图1-3描述的类型的一对RSA的一些（但不是全部）模式，包括正常模式（图4）、交叉捆扎模式（图5）、隔离正常模式（图6）和隔离交叉捆扎模式（图7）。

图8示出旋转开关组件的截面图，其中每个环四个电刷并且具有不同于图3所示的轴组件。

图8A、图8B和图8C示出在正常配置（图8A）、开放配置（图8B）和交叉捆扎配置（图8C）中的旋转开关组件的截面图。这种旋转开关组件中每个环四个电刷并且具有的轴组件与图3所示相同。

图9A和图9B示出一组九个电源连接的示意图，其用于旋转开关组件和在图8A中部分描述的正常配置。

图10和图11示出具有两组共轴接触环（例如每组九个接触环）的旋转开关组件的示意性等距视图，其中每个接触环三个电刷。

图10示出在交叉捆扎配置的旋转开关组件。

图11示出在正常配置的旋转开关组件。

图12A和图12B示出按照图10和图11中部分描述的实施例的每个旋转开关组件中的所有电源连接。

图13示出根据在下文中公开的实施例的XIPS的基本部件框图。

在下文中，附图将被参考，其中不同的附图中相似的元件具有相同的附图标记。

具体实施方式

卫星上使用的离子推进器的基本结构和操作是众所周知的并且将在这里仅作简要介绍。每个离子推进器包括离子引出组件、形成电离室的外壳、被置于电离室内的放电电子源和电极系统、也置于电离室内的磁场产生装置和置于相邻于离子引出组件的中性器。离子推进器联接到包含可电离气体（例如氙）的容器和电源系统。

在离子推进器的基本操作中，容器的可电离气体经由阀被提供到电离室并且初级电子被从电子源喷射到气体内。供应到电子系统的放电电压将这些电子加速成与气体原子碰撞以产生等离子体。磁场产生装置典型地包括环形永磁体并且被配置为产生接近至外壳的磁通线。这些磁通线沿着延伸的路径引导电子并且因此增强等离子体的产生。按照一个实施例，离子引出组件具有屏栅极、加速器栅极和减速器栅极（减速器栅极是可选的）。来自电源系统的电功率被供应到栅极以引起离子引出组件从等离子体引出离子束并且加速其离开推进器。离子束在其附接的离子推进器和飞行器上产生力。

如果没有另外的补偿，则离子束的正电荷流动将在离子推进器上产生负电荷，其将降低推进器的力。相应地，中和器喷射电子流至离子束附近以抵消其电荷耗尽效应。电子流也部分地中和离子束的正的空间电荷以防止过度的束流发散。

图1示出XIPS的部件，其包含上面描述类型的离子推进器。更具体地，图1示出安装在XIPS功率控制器（XPC）10和推进器12之间的旋转开关组件（RSA）14。推进器12包括放电阳极102、放电阴极106、放电保持器电极104、放电加热器108、中和器阴极110、中和器保持器电极112、中和器加热器114、屏栅极116和加速器栅极118以及减速器栅极120。

图1示出运行推进器12所需的九种不同的电路，每个电路包括在RSA14内部的相应电连接15。尽管在优选的实施例中的每个RSA具有用于两个XPC的输入和用于两个推进器的输出，不过图1只示出了从一个XPC至一个推进器的连接。当旋转开关组件（RSA）14的轴组件被旋转至预定角度位置时形成电连接15（如后面将参照图8A-8C更加详细地描述）。

XPC10包括屏电源16、加速器电源18和减速器电源20，其中每个都是可调电压的电源。XPC10进一步包括放电电源22、放电保持器和加热器电源24、26以及中和器保持器和加热器电源28、30，其中所有均为可调电流的电源。

推进器12的放电电子源包括放电阴极106、放电保持器电极104和放电加热器108，当合适的电连接已经被形成时放电加热器108接收来自XPC10的放电加热器电源36的电流。XPC10的放电保持器电源24将正电压加于推进器保持器电极104上以引发等离子体放电并且提供电子到电离室。推进器的电极系统进一步包括放电阳极102。放电电压被XPC10的放电电源22加于推进器12的电子源和放电阳极102两端上以加速初级电子穿过可电离气体。加速器电源18加速离子离开推进器。推进器中和器包括中和器阴极110、中和器保持器电极112和中和器加热器114，它们基本上与被置于电离室内的放电阴极106、放电保持器电极104和放电加热器108一样。XPC10的中和器加热器电源30联接在中和器加热器114两端上以产生电子源，并且XPC10的中和器保持器电源28在中和器保持器电极112上施加正电压以引发作为电子束源的等离子体。

仍然参照图1，XPC10包括下端电源总线32和上端电源总线34。下端电源总线32被参考成飞行器“地电位”并且这些电源总线的电势由屏电源16的电压差电气隔离。下端电源总线32参照中和器保持器电源28、中和器加热器电源30、加速其电源18和减速器电源20。连接到下端电源总线32的稳压二极管8允许下端电源总线相对于飞行器电势负浮动，从而实现导致电子束来均衡离子束的电势。上端电源总线34将放电电源22、放电保持器电源24、放电加热器电源26和屏栅极116参照至放电电子源。放电电源22被联接到放电阳极102以提供电离能力至燃料（例如，氙）并且屏栅极16被联结到放电阴极106以驱动主要束。

上面描述的在XPC10与推进器12之间的所有电气连接15通过RSA14的轴组件（见图1）被形成和破坏。图2和图3示出按照一个实施例的单个RSA的一些部件（为了清晰，一些部件已经被省略）。图2所示的RSA14包括外壳46，其由被四个导轨48联接的一对安装板50a、50b构成。两组电刷块（每组四个电刷块）被紧固到导轨48以形成两个方形的封罩，其被置于在安装板之间彼此相邻。只有第一组电刷块的电刷块84b、84c和84d和第二组电刷块的电刷块85b、85c和85d在图2中是可见的。这些方形的封罩包围轴组件（在图2中不可见）。第一组中的每个电刷块被配置为支撑一排五个电刷，而第二组中的每个电刷块被配置为支撑一排四个电刷。八个电刷块共同支撑四排电刷，每排由与相应接触环接触的九个电刷构成。电刷块可以由聚醚酰亚胺组成，比如Ultem聚醚酰亚胺树脂。

如图2可见，每个电刷块具有由夹钳78被附接到其上的接触板82。附接到任意电刷块的接触板82的数量等于由那个电刷块连续支撑在一排内的电刷的数量（也就是，在这个实施例中四个或者五个）。图2中所描绘的用于本实施例中接触板的总数为36。

图8示出由相应成对夹钳78夹持到四个电刷块84a-84d的四个接触板82的截面图。在图8中没有示出在接触板82前方和后方的其他接触板。每个接触板82是由导电金属（例如镀银铜）构成的板且带有铜焊至其上的焊柱（solder post）（参见图8的项目87）。接触板82为若干电源线（在图8中未示出）提供公共电接头，所述若干电源线随后被电气地联接至被分别安装到电刷块84a-84d的电刷组件70、72、74、76（下文中“电刷”）的接触柱（contact post）。电刷可以由镀铜或者包括钼、银、石墨以及其他成分的金属合金组成。

再次参照图3，轴组件40被安装板50a、50b经由相应的球轴承组件62和64可旋转地支撑。轴组件40的旋转被步进电机54通过齿轮头56被驱动，齿轮头56被可旋转地安装到安装板50a。另一安装板50b支撑四个高压连接器60（在图3中只有其中的两个是可见的），其承载由电源系统提供的高电压电力。四个连接器60中的每个均被电气地联接至相应一组电刷（在图2和图3中未示出）。如前面所解释，四个连接器中的第一个被联结至第一XPC；第二连接器被联结至第一推进器；第三连接器被联结至第二XPC；并且第四连接器被联结至第二推进器。

仍然参照图3，按照一个实施例，轴组件40包括多个接触环44，每个接触环44具有两个导电弧形部段66和68以及基本上不导电的分离盘42。分离盘42防止邻近接触环44的不希望的电干涉。额外的隔离元件可以被置于分离盘之间以进一步隔离邻近的环，并且防止碎片从一个接触环移动至另一个。

接触环44可以由铸造环氧树脂制成。导电部段66、68可以由银或者镀铜制成。

可以通过旋转轴组件直到导电电刷接触到安装在接触环外表面上的导电接触部段66、68来形成在XPC与推进器之间的电连接。按照图3描绘的实施例，一共有九个接触环。轴组件40包括中心轴80，分离盘42和接触环44被安装在中心轴80上。中心轴80相对于外壳46的角度位置确定RSA14的模式。

图4-7是示出一对RSA（RSA A和RSA B）的一些（但不是全部）模式的视图，所述一对RSA被布置成允许各种推进器被连接至两个XPC以便额外的冗余。在图4-7中的每个图中，下面的连接是固定的：XPC1的连接器J1被连接至RSA A的连接器J11；XPC1的连接器J2被连接至RSA B的连接器J11；XPC2的连接器J1被连接至RSA A的连接器J22；XPC2的连接器J2被连接至RSA B的连接器J22；RSA A的连接器J1被连接至推进器1；RSA A的连接器J2被连接至推进器2；RSA B的连接器J1被连接至推进器3；并且RSA B的连接器J2被连接至推进器4。

图4示出一种正常模式，其中RSA的轴组件被旋转至导致每个RSA的输入连接器J11和J22分别被联结至输出连接器J1和J2的角度位置，作为其结果，推进器1和3能够接收来自XPC1的功率并且推进器2和4能够接收来自XPC2的功率。

图5示出一种交叉捆扎模式，其中RSA的轴组件被旋转至导致每个RSA的输入连接器J11和J22分别被连接至输出连接器J2和J1的角度位置，作为其结果，推进器1和3能够接收来自XPC2的功率并且推进器2和4能够接收来自XPC1的功率。

另外，一个RSA在正常配置并且另一个在交叉捆扎配置是可能的。

图6示出一种隔离正常模式，其中RSA A的轴组件被旋转至导致RSAA的输入连接器J11和J22分别被连接至输出连接器J1和J2的角度位置，而RSA B的轴组件被旋转至导致RSA B的输入连接器J11和J22不连接至输出连接器J1和J2的角度位置。在这种隔离模式中，推进器3和4隔离于XPC。通过颠倒图4所示的RSA的模式，XPC能够被联结至推进器3和4并且与推进器1和2隔离。

图7示出一种隔离交叉捆扎模式，其中RSA A的轴组件被旋转至导致RSA A的输入连接器J11和J22分别被连接至输出连接器J2和J1的角度位置，而RSA B的轴组件被旋转至导致RSA B的输入连接器不被连接至输出连接器J1和J2的角度位置。在这种隔离模式中，推进器3和4与XPC隔离。通过颠倒图7所示的RSA的模式，XPC能够被连接至推进器3和4而与推进器1和2隔离。

图8示出一种旋转开关组件的截面图，其中每个环四个电刷（项目70、72、74、76）并且具有与图3所示不同的轴组件81。在图3中，不导电的分离盘42和轴80是分离的部件。在图8中，这些部件已经被集成以形成具有两个直径对置的弧形的凹槽的轴81，其中由导电材料制成的一对周向放置的弧形的接触部段66和68安放在所述凹槽中。这些导电的接触部段被轴81的外表面的相应基本不导电部段分隔开。

如图8可见，每个电刷块84a-84d被附接到外壳46的纵向导轨48以形成大体方形电刷支撑外壳。每个电刷块84a-84d支撑相应一排五个电刷组件。如图8所示，针对每对接触部段66和68，有四个电刷70、72、74、76。由于轴组件被旋转，这些电刷可滑动地接触轴组件81的外表面，由此选择地提供与接触部段66、68电接触。

现在仍然参照图8，每个电刷组件包括由导电材料制成的相应电刷70、72、74、76、延伸通过在相应电刷块84a-84d的相应开口的相应接触柱52（也是由导电材料制成）以及被布置在接触柱52的凸缘和相关联的接触板82之间以推动相应电刷接触到导电部段66和68的电刷预加载弹簧86。如前面所描述，四个电刷块84a-84d被紧固于四个导轨48以形成方形封罩。电刷70、72、74、76沿着相应径向轴线可移置，所述相应径向轴线以90度角度互相分隔开。

图8A、图8B和图8C示出旋转开关组件截面图，其中每个环四个电刷70、72、74、76并且具有与图3所示相同的轴组件40。旋转开关组件被示出以正常配置（图8A）、开放配置（图8B）和交叉捆扎配置（图8C）。

在图8A-8C描绘的实施例中，一个XPC至一对推进器中的一个推进器以及另一个XPC至同一对推进器中的另外一个的选择连接是通过旋转中心轴80至一个角度位置被实现，在该角度位置，相邻电刷中的一对与接触部段66接触并且相邻电刷中的另一对与接触部段68接触。实际上，在两个角度位置中的任一位置，每个接触部段均在一对导电电刷之间形成桥接。当中心轴沿任一方向旋转45°角时，对置电刷均接触到位于接触部段66和68之间的不导电部段，因此打开由相应接触部段桥接的成对相邻电刷所形成的“开关”。以这种方式，轴组件40相对于外壳46的角度位置确定RSA14的模式。

图8A示出在正常配置的RSA，其中推进器1被连接到XPC1并且推进器2被连接到XPC2。在这种配置中，中心轴80在0°的角度位置，在该角度位置电刷70和72与接触部段66接触，并且电刷74和76与接触部段68接触。

图8B示出开放状态的RSA，其中推进器1和推进器2均不被连接到XPC1或XPC2。在这种状态中，中心轴80在45°的角度位置，在该角度位置，电刷70与接触部段66接触，电刷72与接触环44的一个不导电部段相接触，电刷74与接触部段68接触，并且电刷76与接触环44的另一个不导电部段接触。

图8C示出交叉配置的RSA，其中推进器1被连接到XPC2并且推进器2被连接到XPC1。在这种配置中，中心轴80在90°的角度位置，在该角度位置电刷70和76与接触部段66接触并且电刷72和74与接触部段68接触。

图9A和图9B示出如图8A所部分描绘的正常配置中用于旋转开关组件的一组九个电源连接。然而图8A示出一个接触环的状态，图9A和图9B示出具有每个接触环四个电刷的旋转开关组件的九个接触环的状态。尽管为了说明的目的，这九个接触环在图中不同的位置被描绘，不过需要被理解的是这九个接触环是共轴的并且被安装到公共中心轴上。在图9A和图9B描绘的正常配置中，连接器J11被电气联接至连接器J1，而连接器J22被电气联接至连接器J2。

图10和图11示出具有两组共轴接触环（例如每组九个接触环）的旋转开关组件示意性等距视图，其中每个接触环三个电刷。点划线指示出公共中心轴的轴线。图10示出在交叉捆扎配置的旋转开关组件；图11示出在正常配置的旋转开关组件。每个旋转开关组件的一个圆形接触环在图10和图11中由相应椭圆描绘。然而，需要理解的是，每个旋转开关组件通过在中心轴（在图10和图11中未示出）上装配一系列交替的接触环和分离盘（例如，10个接触环）被实现。在这个实施例中，每个接触环（例如90和90a）在其外表面具有不导电部段（例如92和92a）。外表面的剩余部分是导电的。例如，每个接触环可以包括带有包含绝缘材料的外部弧形部段的固体导电金属。当电刷在绝缘体上行进时，该电刷与接触环电隔离并且其他的电刷接触该接触环。在操作中，在任何时刻只有一个推进器和一个XPC被连接。当离子推进系统关闭时，RSA只被转换至不同的配置。

在图10和图11所描绘的实施例中，RSA具有18个接触环，其可被一致地旋转。接触环中的九个将XPC1连接至推进器1或者推进器2中的任一，并且相反地，另外九个接触环将XPC2连接至推进器2或者推进器1中的任一。在这个实施例中，18个接触环中的每个接触环具有与其关联的三个电刷（例如94、96、98以及94a、96a、98a），所述电刷是弹簧预加载的（弹簧未示出）并且可以沿着以120°角度分隔开（将这个与图8所描绘的实施例比较，其中电刷之间的角度为90°）的相应径向轴线移置。第二RSA（在图10和图11中未示出）能够被布置成选择性地连接XPC至第三和第四推进器（在图10和图11中未示出）。

图10示出在交叉捆扎配置的第一RSA，其中推进器2被连接到XPC1并且推进器1被连接到XPC2。在这种配置中，中心轴（未示出）在0°的角度位置。在0°的角度位置，电刷94和96接触接触环90的外表面的导电部分，而电刷98接触接触环90的不导电部段92；并且电刷94a和96a接触接触环90a的外表面的导电部分，而电刷98a接触接触环90a的不导电部段92a。

图11示出在正常配置的第一RSA，其中推进器1被连接到XPC1并且推进器2被连接到XPC2。在这种配置中，中心轴（未示出）在120°的角度位置。在120°的角度位置，电刷94和98接触接触环90的外表面的导电部分，而电刷96接触接触环90的不导电部段92；并且电刷94a和98a接触接触环90a的外表面的导电部分，而电刷96a接触接触环90a的不导电部段92a。

每个接触环三个电刷的实施例还使得当电刷94和94a分别接触不导电部段92和92a时，推进器1和2能够电隔离。

图12A和图12B示出图10所部分描绘的正常配置中的旋转开关组件的一组18个电源连接。图10示出两个接触环的状态，而图12A和图12B示出每个接触环三个电刷的旋转开关组件的18个接触环的状态。尽管为了说明的目的，在图中这18个接触环被描绘在不同的位置，不过需要理解的是，这18个接触环是共轴的并且被安装到公共中心轴上。在图12A和图12B所描绘的正常配置中，连接器J11被电气联接至连接器J1，而连接器J22被电气联接至连接器J2。

图13示出按照上面公开的实施例的XIPS的基本部件。描绘的部件只包括两个XPC10中的一个、两个RSA14中的一个、四个推进器12中的一个和两个步进电机54中的一个。每个步进电机54均由（例如，在卫星上机载的）中央计算机36控制。对于图13所示的部件，中央计算机36发送出脉冲序列，其步进地驱动步进电机54。脉冲序列是步进电机54的唯一输入并且提供步进的信号以及运行步进功能所需要的动力/功率。也就是说，步进电机不需要单独的电源；只是需要来自中央计算机36的一根控制线。

仍然参照图13，给推进器12加电的电源由XPC10提供。从XPC10传动到推进器12的4.5千瓦动力由RSA14转换。来自XPC10的动力由中央计算机36开启和关闭，但是为了保持推进器的运行稳定，对输出功率的紧密调整在XPC10内部地完成；中央计算机36只命令XPC10起动和停止推进器动力。

每个上面描述的系统提供推进器连接性以便任一XPC能够点火四个推进器中的任何一个。按照一些实施例，连接性被提供通过分段滑环。使用可靠的电刷和滑环技术，分段滑环和电刷取向在所有时刻只允许一个推进器和一个XPC被联接，也就是，两个推进器不能够被联接到一个XPC并且两个XPC不能够被联接到一起。这些布置允许推进器中的任意一对被隔离。当在隔离模式时，推进器将不被连接到XPC并且因此，将不通过XPC接地。然而，对于这种隔离情况，接地的电阻（例如20兆欧）被加到RSA的每个电路，其在开关的推进器一侧，以便推进器将在隔离模式保持接地，因此避免静电放电或者接地问题。

进一步，为了非常可靠操作，公开的系统在RSA中使用单个旋转元件。可替代的，单个可移置元件可以被用于不同开关配置中。也就是，其他类型的一致切换的开关能够被用于切换联接功率控制器至离子推进器的各个电路。这样的可替代开关系统可以包括板簧类型的接触，其通过旋转接触臂或者线性可移动接触板被打开/关闭，其中，成对弹簧接触以形成多极开关。其他的板簧设计概念包括旋转摇臂和线性螺旋杆。提供具有单个公共转换元件（例如旋转的中心轴）的开关组件，根据中心轴的角度位置（第一或者第二角度位置），允许两个XPC中的任一点火两个推进器中的任一。在中心轴的第三角度位置，相同的两个推进器能够与两个XPC电隔离。

离子推进系统优选地被设计成允许高达2000伏的电压且相关联的高达25安的电流的转换。合理设计的系统是小的并且紧凑的、易于装配并且具有低的重现成本。

虽然已经参照特定的实施例描述了离子推进器，不过本领域技术人员将理解不同的变化可以被生成并且等价物可以替代其中元件而不背离本教导的范围。另外，可以做出许多修改来调试本教导中的具体情节，而不背离其实质性范围。因此，其意图是，所附权利要求不被局限于公开的实施例。

如权利要求中所使用，词语“计算机系统”应被宽泛地诠释为包括具有至少一个计算机或者处理器的系统，并且其可以具有通过网络或者总线通信的两个或者更多个自主的计算机或者处理器。

Claims (15)

1.一种离子推进系统，包括第一和第二功率控制器、第一和第二离子推进器以及具有至少第一和第二转换状态的第一开关组件，其中当所述第一和第二功率控制器开启时，当所述第一开关组件在所述第一转换状态时所述第一和第二离子推进器经由所述第一开关组件分别从所述第一和第二功率控制器接收动力，并且当所述第一开关组件在所述第二转换状态时所述第一和第二离子推进器经由所述第一开关组件分别从所述第二和第一功率控制器接收动力，并且其中所述第一开关组件包括可移动的第一主体和第一多重开关，当所述第一主体改变位置时所述第一多重开关一致地改变状态，当所述第一主体在第一位置时所述第一开关组件在所述第一转换状态，并且当所述第一主体在第二位置时所述第一开关组件在所述第二转换状态。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一主体包括可旋转的中心轴，并且所述第一和第二位置分别是所述中心轴的第一和第二角度位置。

3.根据权利要求2所述的系统，进一步包括步进电机，其可操作地联接到所述中心轴以改变所述中心轴的角度位置。

4.根据权利要求3所述的系统，进一步包括计算机系统，其被编程以发送步进地驱动所述步进电机的脉冲序列并且提供所述步进电机所需的运行步进功能的动力。

5.根据权利要求4所述的系统，其中所述计算机系统进一步被编程成选择性地开启和关闭所述第一或第二功率控制器提供的动力以保持所述第一或第二离子推进器运行稳定。

6.根据权利要求2所述的系统，其中所述第一开关组件进一步包括附接到所述中心轴的多个接触板和多重电刷，相应一组三个电刷接触每个接触板的相应外表面，每个外表面包括导电接触部段和不导电部段。

7.根据权利要求2所述的系统，其中所述第一开关组件进一步包括附接到所述中心轴的多个接触板和多重电刷，相应一组四个电刷接触每个接触板的相应外表面，每个外表面包括一对导电接触部段和一对不导电部段。

8.根据权利要求1所述的系统，其中当所述第一主体在第三位置时，所述第一和第二离子推进器通过所述第一开关组件与所述第一和第二功率控制器电隔离。

9.根据权利要求8所述的系统，其中所述第一主体包括可旋转的中心轴并且所述第一、第二和第三位置分别为所述中心轴的第一、第二和第三角度位置。

10.根据权利要求1所述的系统，进一步包括第三和第四离子推进器以及具有至少第一和第二转换状态的第二开关组件，其中当所述第一和第二功率控制器开启时，当所述第二开关组件在所述第一转换状态时，所述第三和第四离子推进器经由所述第二开关组件分别接收来自所述第一和第二功率控制器的动力，并且当所述第二开关组件在所述第二转换状态时所述第三和第四离子推进器经由第二开关组件分别接收来自所述第二和第一功率控制器的动力，并且其中所述第二开关组件包括可移动的第二主体和第二多重开关，当所述第二主体改变位置时所述第二多重开关一致地改变状态，当所述第二主体在第一位置时所述第二开关组件在所述第一转换状态，并且当所述第二主体在第二位置时所述第二开关组件在所述第二转换状态。

11.用于提从第一和第二功率控制器中的选定一个提供动力至卫星上机载的第一和第二离子推进器中的选定一个的方法，该方法包括：

（a）连接所述第一和第二离子推进器以及所述第一和第二功率控制器至开关组件，该开关组件包括可移动的主体和多重开关，当所述主体从第一位置改变位置至第二位置时所述多重开关一致地改变位置，在所述第一位置时所述第一和第二离子推进器中的所述选定一个未被连接到所述第一和第二功率控制器中的所述选定一个，在所述第二位置时所述第一和第二离子推进器中的所述选定一个借助于所述开关被连接到所述第一和第二功率控制器中的所述选定一个；

（b）使所述主体从所述第一位置改变其位置到所述第二位置；和

（c）当所述主体在所述第二位置时，开启所述第一和第二功率控制器中的所述选定一个。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述主体包括可旋转的中心轴，并且所述第一和第二位置分别是所述中心轴的第一和第二角度位置。

13.根据权利要求11所述的方法，其中步骤（b）包括步进地驱动被可操作地联接到所述主体的步进电机。

14.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一和第二功率控制器中的每个均包括相应电源总线和相应稳压二极管，所述相应的稳压二极管被连接至所述相应下端电源总线以允许所述相应下端电源总线相对于飞行器电势负浮动以实现引起电子流来平衡离子束的电势。

15.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一和第二离子推进器中的每个均包括相应放电阳极和相应放电阴极，并且所述第一和第二功率控制器中的每个均包括相应电源总线，其将放电电源、放电保持器电源、放电加热器电源和屏栅极参照至放电电子源，所述放电电源被联接到相应放电阳极以向燃料提供电离能力并且屏电源被联接到相应放电阴极以驱动主要束。

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