CN104330661B - 一种考夫曼离子推力器的负载特性模拟装置及模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考夫曼离子推力器的负载特性模拟装置及模拟方法，能够对考夫曼离子推力器的负载特性进行模拟，通过采用电阻与开关巧妙组合，实现考夫曼离子推力器复杂的负载组成，简化了负载模型，降低了成本；一种考夫曼离子推力器的负载特性模拟方法，提出了推力器静态与动态负载特性模拟方法，包括：正常工作模式下的中和器点火、阴极点火、放电室起弧和束流引出模型，以及故障模式下的栅极间短路、中和器熄灭、放电室熄灭模型；解决了用模拟器进行替代测试的真实性、正确性、覆盖性的问题。

Description

一种考夫曼离子推力器的负载特性模拟装置及模拟方法

技术领域

本发明涉及考夫曼离子电推进技术领域，尤其涉及一种考夫曼离子推力器的负载特性模拟装置及模拟方法。

背景技术

考夫曼离子电推进系统是应用于航天器上的一种高比冲、长寿命、高效率的空间推进系统。在航天器上应用离子电推进能大幅减少推进剂的携带量，显著提高有效载荷比，延长航天器寿命。国外在进行离子电推进系统研制中均采用了推力器负载模拟器进行单机之间，或分系统、整星级的电性能测试，如应用于GOCE卫星的英国T5电推进系统、美国DS-1的NSTAR电推进系统、ARTEMIS卫星的RIT-10射频电推进系统，欧洲SPACEBUS3000平台的SPT-100霍尔电推进系统，美国DAWN探测器的NSTAR电推进系统，美国Boeing702平台的XIPS-25电推进系统等。国外已开展的模拟离子推力器复杂工作特性研究的工作中，建立了较为复杂的推力器负载模型，工程实现及使用都较为困难。因此，有必要研制结构和原理简单的离子推力器负载模型，降低研发成本，简化模拟器的使用流程。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种考夫曼离子推力器的负载特性模拟装置及模拟方法，能够对考夫曼离子推力器的负载特性进行模拟，通过采用电阻与开关巧妙组合，实现考夫曼离子推力器复杂的负载组成，简化了负载模型，降低了研制成本。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

本发明的一种考夫曼离子推力器的负载特性模拟装置，包括主阴极加热电源负载模块、主阴极触持电源负载模块、阳极电源负载模块、屏栅电源负载模块、加速电源负载模块、中和器加热电源模块和中和器触持电源负载模块：

所述主阴极加热电源负载模块包括霍尔传感器H1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻RV1、开关K1以及开关K2；所述考夫曼离子推力器的主阴极加热电源的输出端串联霍尔传感器H1和电阻RV1后接主阴极加热电源回线；电阻R1并联在电阻RV1两端；开关K1和电阻R2串联后并联在电阻R1两端；所述开关K2与电阻R3串联后并联在电阻R2两端；电阻R1、R2、R3和RV1的阻值依次为1.7Ω、12.8Ω、0.93Ω和13.8KΩ；

所述主阴极触持电源负载模块包括霍尔传感器H2、电阻R7、电阻RV2和开关K5；所述考夫曼离子推力器的主阴极触持电源的输出端依次串联霍尔传感器H2和电阻RV2后接主阴极触持电源的回线；所述开关K5和电阻R7串联后并联在电阻RV2的两端；所述电阻R7和电阻RV2的阻值分别26.7Ω和86.7KΩ；

所述阳极电源负载模块包括霍尔传感器H3、电阻RV4、电阻R10、电阻R11a、电阻R11b、开关K8、开关K9a和开关K9b，所述考夫曼离子推力器的阳极电源的输出端依次串联霍尔传感器H3和电阻RV4后接阳极电源回线；所述开关K8串联电阻R10后并联在电阻RV4两端；所述开关K9a串联电阻R11a后并联在电阻R10两端；所述开关K9b串联电阻R11b后并联在电阻R11a两端；所述电阻RV4、电阻R10、电阻R11a和电阻R11b的阻值分别为：79.7KΩ、13.6Ω、22Ω和50.4Ω；

所述主阴极加热电源回线、阳极电源回线和主阴极触持电源回线并联；

所述屏栅电源负载模块包括霍尔传感器H4、电阻RV5、电阻R12和电阻R13、开关K10和开关K11；所述考夫曼离子推力器的屏栅电源的输出端与所述阳极电源输出端并联；所述屏栅电源的输出端依次串联霍尔传感器H4和电阻RV5后接屏栅电源回线；所述电阻R12和开关K10串联后并联在电阻RV5两端；所述电阻R13和开关K11串联后并联在电阻R12和开关K10串联电路的两端；所述电阻RV5、电阻R12和电阻R13的阻值分别为：1204.7KΩ、1250Ω和833.3Ω；

所述加速电源负载模块包括霍尔传感器H5、霍尔传感器H6、电阻RV6、电阻R14、电阻R14’、电阻R15、开关K12、开关K13和开关K14；所述考夫曼离子推力器的加速电源的输出负端依次串联霍尔传感器H5和电阻RV6后接加速电源正端回线；所述电阻R14、电阻R14’、霍尔传感器H6和开关K12依次串联后并联在电阻RV6两端；开关K13一端接在电阻R14和电阻R14’之间，另一端接加速电源正端回线；所述电阻R15和开关K14串联后并联在电阻RV6两端；所述电阻RV6、电阻R14、电阻R14’和电阻R15的阻值分别为204.7KΩ、187.5Ω、12.3KΩ和125Ω；

所述中和器加热电源模块包括霍尔传感器H7、电阻RV7、电阻R4、电阻R5、电阻R6、开关K3和开关K4；所述考夫曼离子推力器的中和器加热电源的输出端依次串联霍尔传感器H7和电阻RV7后接中和器加热电源回线；所述电阻R4并联在电阻RV7两端；所述开关K3和电阻R5串联后并联在电阻R4两端；所述开关K4和电阻R6串联后并联在电阻R5两端；所述电阻RV7、电阻R4、电阻R5和电阻R6的阻值分别为：13.8KΩ、1.7Ω、12.8Ω和0.93Ω；

所述中和器触持电源负载模块包括霍尔传感器H8、电阻RV8、电阻R8、电阻R9、开关K6和开关K7；所述考夫曼离子推力器的中和器触持电源的输出端依次串联霍尔传感器H8和电阻RV8后接中和器触持电源回线；所述开关K6和电阻R8串联后并联在电阻RV8两端；所述开关K7和电阻R9串联后并联在电阻R8两端；所述电阻RV8、电阻R8和电阻R9的阻值分别为：86.7KΩ、200Ω和14.3Ω；

所述中和器触持电源回线、中和器加热电源回线、加速电源正端和屏栅电源回线并联。

进一步的，在所述主阴极加热电源负载模块中，所述电阻RV1上设置用于测试主阴极加热电源输出电压的引出线，该引出线与所述主阴极加热电源回线之间的阻值为4.7KΩ；

在所述主阴极触持电源负载模块中，在所述电阻RV2上设置用于测试主阴极触持电源输出电压的引出线，该引出线与所述主阴极触持电源回线之间的阻值为4.7KΩ；

在所述阳极电源负载模块中，在所述电阻RV4上设置用于测试阳极电源输出电压的引出线，该引出线与所述阳极电源回线之间的阻值为4.7KΩ；

在所述屏栅电源负载模块中，在所述电阻RV5上设置用于测试屏栅电源输出电压的引出线，该引出线与所述屏栅电源回线之间的阻值为4.7KΩ；

在所述加速电源负载模块中，在所述电阻RV6上设置用于测试加速电源输出电压的引出线，该引出线与所述加速电源回线之间的阻值为4.7KΩ；

在所述中和器加热电源负载模块中，在所述电阻RV7上设置用于测试中和器加热电源输出电压的引出线，该引出线与所述中和器加热电源回线之间的阻值为4.7KΩ；

在所述中和器触持电源负载模块中，在所述电阻RV8上设置用于测试中和器触持电源输出电压的引出线，该引出线与所述中和器触持电源回线之间的阻值为4.7KΩ。

进一步的，本发明的一种考夫曼离子推力器的负载特性模拟装置，还包括主阴极点火电源负载模块；所述主阴极点火电源负载模块包括电阻R17、电阻R17’和开关K16，所述电阻R17、电阻R17’和开关K16串联后并联在考夫曼离子推力器的主阴极点火电源的输出端和主阴极点火电源的回线之间；所述电阻R17和电阻R17’之间引出测试线，用于测试主阴极点火电源的电压波形；

所述主阴极点火电源的正端与主阴极触持电源正端并联，主阴极点火电源回线与主阴极触持电源回线并联；所述主阴极点火电源单次脉冲的输出值为900V～1000V；其负载为3kΩ时，输出电压大于450V，且脉宽大于5us；所述电阻R17和电阻R17’的阻值分别为2.7KΩ和300Ω。

进一步的，一种考夫曼离子推力器的负载特性模拟装置还包括中和器点火电源负载模块；所述中和器点火电源负载模块包括电阻R18、电阻R18’和开关K17，所述电阻R18、电阻R18’和开关K17串联后并联在考夫曼离子推力器的中和器点火电源的输出端和中和器点火电源的回线之间；所述电阻R18和电阻R18’之间引出测试线，用于测试所述中和器点火电源的电压波形；

所述中和器点火电源的正端与所述中和器触持电源正端并联，所述中和器点火电源回线与所述中和器触持电源回线并联。

所述中和器点火电源单次脉冲的输出值为900V～1000V；要求其负载为3kΩ时，输出电压大于450V，且脉宽大于5us；所述电阻R18和电阻R18’的阻值分别为2.7KΩ和300Ω。

进一步的，本发明的一种考夫曼离子推力器的负载特性模拟装置，还包括烧蚀负载模块，包括霍尔传感器H9、开关K15、电阻RV9与电阻R16；所述加速电源的输出负端依次连接霍尔传感器H9和开关K15的一端，电阻RV9与电阻R16并联后接在开关K15的另一端与阳极电源回线之间，用以模拟对推力器屏栅极与加速极之间进行烧蚀处理时的负载；

所述电阻RV9上设置用于测试烧蚀处理时的输出电压的引出线，该引出线与所述加速电源回线之间的阻值为4.7KΩ。

本发明的一种考夫曼离子推力器的负载特性模拟方法，包括如下步骤：

步骤1、对考夫曼离子推力器加热阶段的模拟：

模拟推力器正常工况时，首先将主阴极加热电源负载模块中的开关K1和中和器加热电源负载模块中的开关K3均接通，使主阴极加热电源负载模块和中和器加热电源负载模块的负载阻值均为1.5Ω；然后开启所述主阴极加热电源和中和器加热电源，并设置二者的输出电压为12V，输出电流为7.5A，保持时间不超过8min；

步骤2、对考夫曼离子推力器起弧阶段的模拟：

将中和器触持负载模块中的开关K6、K7、K17断开，在中和器加热电源开启约3min后，依次开启中和器触持电源、中和器点火电源，控制所述中和器点火电源每30s发出一个点火脉冲，持续时间为3min；

当中和器加热电源开启达到6min时，将开关K6和开关K7接通，当监测到霍尔传感器H8显示的中和器触持电源输出电流超过其额定值一半时，认为中和器阴极点火成功，随即关断中和器加热电源和中和器点火电源的输出；

中和器阴极点火成功后，将主阴极触持负载模块中的开关K5和开关K16断开，将阳极电源负载模块中的开关K8、开关K9a和开关K9b断开，然后依次开启阳极电源、主阴极触持电源和主阴极点火电源，控制主阴极点火电源每30s发出一个点火脉冲，持续时间为2min；

当主阴极加热电源开启8min时，将开关K5、开关K8、开关K9a和开关K9b接通，当监测到霍尔传感器H2显示的主阴极触持电源输出电流超过其额定值一半时，并且霍尔传感器H3显示的阳极电源输出电流超过其额定值一半时，认为主阴极点火成功且放电室起弧成功，随即关断主阴极加热电源和主阴极点火电源的输出；

步骤3、对考夫曼离子推力器推进阶段的模拟：

待放电室起弧成功后，将加速电源负载模块中的开关K12接通，将开关K13和开关K14断开，将屏栅电源负载模块中的开关K10接通，将开关K11断开，然后同时开启屏栅电源和加速电源，当监测到霍尔传感器H4显示的屏栅电源输出电流为0.8A时，霍尔传感器H6显示的加速电流为5mA时，模拟装置进入到离子推力器的推进模式。

进一步的，在所述步骤3的推进阶段的模拟中：

当模拟中和器突然熄灭故障时，将中和器触持电源负载模块中的开关K6接通，开关K7断开，当监测到霍尔传感器H8显示的中和器触持电源输出电流低于0.35A时，认为中和器阴极熄灭，随即关断屏栅电源和加速电源的输出；

当模拟主阴极突然熄灭故障时，将主阴极触持电源负载模块中的开关K5断开，将阳极电源负载模块中的开关K8、开关K9a和开关K9b断开，当监测到霍尔传感器H2显示的主阴极触持电源输出电流低于其额定值一半时，并且霍尔传感器H3显示的阳极电源输出电流低于其额定值一半时，认为主阴极熄灭，随即关断屏栅电源、加速电源、阳极电源和主阴极触持电源的输出；

当模拟栅短路故障时，将屏栅电源负载模块中的开关K10接通，将开关K11接通，同时将加速电源负载模块中的开关K13和开关K14接通，再将开关K12断开，当监测到霍尔传感器H4显示的屏栅电流大于2.0A时，霍尔传感器H5显示的加速电源输出电流大于2.0A，随即迅速关断屏栅电源和加速电源的输出。

进一步的，本发明的一种考夫曼离子推力器的负载特性模拟方法，还包括模拟烧蚀处理，具体的方法为：

先将开关K5、开关K16、开关K6、开关K7、开关K17、开关K8、开关K9a、开关K9b、开关K10、开关K11、开关K12、开关K13和开关K14全部断开，再将开关K15接通；然后将主阴极加热电源输出正端切换到所述加速电源的引出线上；最后开启所述主阴极加热电源，模拟烧蚀处理过程。

进一步的，本发明的一种考夫曼离子推力器的负载特性模拟方法，还包括主阴极点火电源脉冲波形测试方法，具体为：

将主阴极触持电源负载模块中的开关K16接通，开关K5断开，然后启动主阴极点火电源，输出脉冲，通过测试线采集主阴极点火电源的脉冲波形。

进一步的，本发明的一种考夫曼离子推力器的负载特性模拟方法，还包括中和器点火电源脉冲波形测试方法，具体为：将中和器触持负载模块中的开关K17接通，开关K6和开关K7断开，然后启动中和器点火电源，输出脉冲，通过测试线采集中和器点火电源的脉冲波形。

本发明具有如下有益效果：

(1)本发明提供的一种考夫曼离子推力器的负载特性模拟装置，能够对考夫曼离子推力器的负载特性进行模拟，通过采用电阻与开关巧妙组合，实现考夫曼离子推力器复杂的负载组成，简化了负载模型，降低了成本。

(2)本发明提供的一种考夫曼离子推力器的负载特性模拟方法，提出了推力器静态与动态负载特性模拟方法，包括：正常工作模式下的中和器点火、阴极点火、放电室起弧和束流引出模型，以及故障模式下的栅极间短路、中和器熄灭、放电室熄灭模型；解决了用模拟器进行替代测试的真实性、正确性、覆盖性的问题。

附图说明

图1为本发明的考夫曼离子推力器的负载特性模拟装置示意图。

图2为本发明的考夫曼离子推力器的负载特性模拟方法中离子推力器加电时序图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明的一种考夫曼离子推力器的负载特性模拟装置，如图1所示，包括主阴极加热电源负载模块、主阴极触持电源负载模块、阳极电源负载模块、屏栅电源负载模块、加速电源负载模块、中和器加热电源负载模块和中和器触持电源负载模块：

主阴极加热电源负载模块包括霍尔传感器H1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻RV1、开关K1以及开关K2；主阴极加热电源的输出端串联霍尔传感器H1和电阻RV1后接主阴极加热电源回线；电阻R1并联在电阻RV1两端；开关K1和电阻R2串联后并联在电阻R1两端；开关K2与电阻R3串联后并联在电阻R2两端；电阻R1、R2、R3和RV1的阻值依次为1.7Ω、12.8Ω、0.93Ω和13.8KΩ。

主阴极触持电源负载模块包括霍尔传感器H2、电阻R7、电阻RV2和开关K5；主阴极触持电源的输出端依次串联霍尔传感器H2和电阻RV2后接主阴极触持电源的回线；开关K5和电阻R7串联后并联在电阻RV2的两端；电阻R7和电阻RV2的阻值分别26.7Ω和86.7KΩ。

阳极电源负载模块包括霍尔传感器H3、电阻RV4、电阻R10、电阻R11a、电阻R11b、开关K9a和开关K9b，阳极电源的输出端依次串联霍尔传感器H3和电阻RV4后接阳极电源回线；开关K8串联电阻R10后并联在电阻RV4两端；开关K9a串联电阻R11a后并联在电阻R10两端；开关K9b串联电阻R11b后并联在电阻R11a两端；电阻RV4、电阻R10、电阻R11a和电阻R11b的阻值分别为：79.7KΩ、13.6Ω、22Ω和50.4Ω。

主阴极加热电源回线、阳极电源回线和主阴极触持电源回线并联。

屏栅电源负载模块包括霍尔传感器H4、电阻RV5、电阻R12和电阻R13、开关K10和开关K11；屏栅电源的输出端与阳极电源输出端并联；屏栅电源的输出端依次串联霍尔传感器H4和电阻RV5后接屏栅电源回线；电阻R12和开关K10串联后并联在电阻RV5两端；电阻R13和开关K11串联后并联在电阻R12和开关K10串联电路的两端；电阻RV5、电阻R12和电阻R13的阻值分别为：1204.7KΩ、1250Ω和833.3Ω。

加速电源负载模块包括霍尔传感器H5、霍尔传感器H6、电阻RV6、电阻R14、电阻R14’、电阻R15、开关K12、开关K13和开关K14；加速电源的输出负端依次串联霍尔传感器H5和电阻RV6后接加速电源回线；电阻R14、电阻R14’、霍尔传感器H6和开关K12依次串联后并联在电阻RV6两端；开关K13一端接在电阻R14和电阻R14’之间，另一端接加速电源回线；电阻R15和开关K14串联后并联在电阻RV6两端；电阻RV6、电阻R14、电阻R14’和电阻R15的阻值分别为204.7KΩ、187.5Ω、12.3KΩ和125Ω。

中和器加热电源模块包括霍尔传感器H7、电阻RV7、电阻R4、电阻R5、电阻R6、开关K3和开关K4；中和器加热电源的输出端依次串联霍尔传感器H7和电阻RV7后接中和器加热电源回线；电阻R4并联在电阻RV7两端；开关K3和电阻R5串联后并联在电阻R4两端；开关K4和电阻R6串联后并联在电阻R5两端；电阻RV7、电阻R4、电阻R5和电阻R6的阻值分别为：13.8KΩ、1.7Ω、12.8Ω和0.93Ω。

中和器触持电源负载模块包括霍尔传感器H8、电阻RV8、电阻R8、电阻R9、开关K6和开关K7；中和器触持电源的输出端依次串联霍尔传感器H8和电阻RV8后接中和器触持电源回线；开关K6和电阻R8串联后并联在电阻RV8两端；开关K7和电阻R9串联后并联在电阻R8两端；电阻RV8、电阻R8和电阻R9的阻值分别为：86.7KΩ、200Ω和14.3Ω。

中和器触持电源回线、中和器加热电源回线、加速电源正端和屏栅电源回线并联。其中，以上各电源参数如下表所示：

为了对各路电源的电压信号进行监测，本发明中在各负载模拟模块中设置了电压测试引出线，同时为保证后级电压采集模块的安全，在各负载模块中设置分压电阻，要求分压后输入采集模块的电压信号幅值应不大于5.0V，因此，综合考虑各路电源的输出电压范围后，将各分压电阻设置为以下组合：

在所述主阴极加热电源负载模块中，所述电阻RV1上设置用于测试主阴极加热电源输出电压的引出线，该引出线与所述主阴极加热电源回线之间的阻值为4.7KΩ；

在所述主阴极触持电源负载模块中，在所述电阻RV2上设置用于测试主阴极触持电源输出电压的引出线，该引出线与所述主阴极触持电源回线之间的阻值为4.7KΩ；

在所述阳极电源负载模块中，在所述电阻RV4上设置用于测试阳极电源输出电压的引出线，该引出线与所述阳极电源回线之间的阻值为4.7KΩ；

在所述屏栅电源负载模块中，在所述电阻RV5上设置用于测试屏栅电源输出电压的引出线，该引出线与所述屏栅电源回线之间的阻值为4.7KΩ；

在所述加速电源负载模块中，在所述电阻RV6上设置用于测试加速电源输出电压的引出线，该引出线与所述加速电源回线之间的阻值为4.7KΩ；

在所述中和器加热电源负载模块中，在所述电阻RV7上设置用于测试中和器加热电源输出电压的引出线，该引出线与所述中和器加热电源回线之间的阻值为4.7KΩ；

在所述中和器触持电源负载模块中，在所述电阻RV8上设置用于测试中和器触持电源输出电压的引出线，该引出线与所述中和器触持电源回线之间的阻值为4.7KΩ。

本发明的一种考夫曼离子推力器的负载特性模拟装置，还包括主阴极点火电源负载模块；阴极点火电源负载模块包括电阻R17、电阻R17’和开关K16，电阻R17、电阻R17’和开关K16并联在主阴极点火电源的输出端和主阴极点火电源的回线之间；电阻R17和电阻R17’之间引出测试线，用于测试主阴极点火电源的电压波形；主阴极点火电源单次脉冲的输出值为900V～1000V，要求其负载为3kΩ时，输出电压大于450V，且脉宽大于5us；所述电阻R17和电阻R17’的阻值分别为2.7KΩ和300Ω。

本发明的一种考夫曼离子推力器的负载特性模拟装置，还包括中和器点火电源负载模块；中和器点火电源负载模块包括电阻R18、电阻R18’和开关K17，电阻R18、电阻R18’和开关K17串联并联在中和器点火电源的输出端和中和器触持点火电源的回线之间；电阻R18和电阻R18’之间引出测试线，用于测试中和器点火电源的电压波形；中和器点火电源单次脉冲的输出值为900V～1000V，要求负载为3kΩ时，输出电压大于450V，且脉宽大于5us；所述电阻R18和电阻R18’的阻值分别为2.7KΩ和300Ω。

本发明中设计的以上两种点火电源负载模块，可方便地用于分系统或单机测试时对点火电源的输出波形进行测试。

在真实推力器工作时，随着推力器工作时间的增加，在推力器屏栅与加速栅电极之间会形成等离子体溅射沉积物，这些沉积物会造成两栅之间的短路，造成推力器工作异常。为消除这些沉积物，在电推进系统功能中设计了“烧蚀”处理操作。本发明还包括烧蚀负载模块，包括霍尔传感器H9、开关K15、电阻RV9与电阻R16；所述加速电源的输出负端依次连接霍尔传感器H9和开关K15的一端，电阻RV9与电阻R16并联后接在开关K15的另一端与阳极电源回线之间，用以模拟对推力器屏栅极与加速极之间进行烧蚀处理时的负载；所述电阻RV9上设置用于测试烧蚀处理时的输出电压的引出线，该引出线与所述加速电源回线之间的阻值为4.7KΩ。

本发明还基于上述的模拟装置提出了一种模拟方法，包括：加热阶段、起弧阶段和推进阶段的模拟，具体为：

参照图2，为以上三个阶段各电源的加电时序，其中：

加热阶段：模拟推力器正常工况时，首先将主阴极加热电源、中和器加热电源的负载模块中开关K1、K3接通，对应的两路负载阻值均为1.5；然后开启所述主阴极加热电源和中和器加热电源，并设置二者的输出电压为12V，输出电流为7.5A，保持时间不超过8min；起弧阶段：将中和器触持负载模块中的开关K6、K7、K17断开，在中和器加热电源开启约3min后，依次开启中和器触持电源、中和器点火电源，控制该点火电源每30s发出一个点火脉冲，持续时间约3min；

当中和器加热电源开启约6min时，将开关K6和开关K7接通，此时可监测到霍尔传感器H8显示的中和器触持电流超过其额定值一半(约0.8A)，认为中和器阴极点火成功，随即关断中和器加热电源和中和器点火电源的输出；

中和器阴极点火成功后，仍将主阴极触持负载模块中的开关K5、K16断开，阳极负载模块中的开关K8、开关K9a和开关K9b断开，然后依次开启阳极电源、主阴极触持电源、主阴极点火电源，控制该点火电源每30s发出一个点火脉冲，持续时间约2min；

当主阴极加热电源开启约8min时，将开关K5、开关K8、K9a、K9b接通，此时可监测到霍尔传感器H2显示的主阴极触持电流超过其额定值一半(约0.3A)，并且霍尔传感器H3显示的阳极电流超过其额定值一半(约2.3A)，认为主阴极点火成功且放电室起弧成功，随即关断主阴极加热电源和主阴极点火电源的输出。

推进阶段：待放电室起弧成功后，将加速负载模块中的开关K12接通，将开关K13、K14断开，将屏栅负载模块中的开关K10接通，将开关K11断开，然后同时开启屏栅电源和加速电源，此时可监测到霍尔传感器H4显示的屏栅电流约0.8A，霍尔传感器H6显示的加速电流约5mA，模拟装置进入到离子推力器的推进模式。

在进行主阴极点火电源脉冲波形测试时，启动主阴极点火电源，输出脉冲；将开关K16接通，开关K5断开，电阻R17与R17'串联，等效负载阻值约为3.0KΩ。因点火脉冲峰值电压较高，为避免损坏测试设备，测试时需对该电压进行分压测试，分压比为十比一，主点火测试引出线处的电压经R17'分压后送至隔离采样电路，采集主阴极点火电源的脉冲波形。

在进行中和器点火电源脉冲波形测试时，启动中和器点火电源，输出脉冲；将开关K17接通，开关K6和开关K7断开，电阻R18与R18'串联，等效负载阻值约为3.0KΩ。因点火脉冲峰值电压较高，为避免损坏测试设备，测试时需对该电压进行分压测试，分压比为十比一。主点火测试引出线处的电压经R18'分压后送至隔离采样电路，采集中和器点火电源的脉冲波形。

如图1所示，在进行烧蚀处理操作前，为确保电源的电气安全，要求关闭所有电源的输出，再将主阴极加热电源(与烧蚀电源共用)输出正端通过继电器切换到加速电源的引出线上，最后开启主阴极加热电源的输出，通过加热电流对沉积物进行烧蚀处理，具体为：将各路电源对应的负载切换到“开路”状态：开关K5、开关K16、开关K6、开关K7、开关K17、开关K8、开关K9a、开关K9b、开关K10、开关K11、开关K12、开关K13、开关K14、以及开关K15断开，再将开关K15接通；使得阳极电源回线(屏栅电极)与加速电源负端(加速电源)之间的等效阻抗为R16＝0.6Ω(接近短路状态)，再将主阴极加热电源(与烧蚀电源共用)输出正端通过继电器切换到加速电极引出线，最后主阴极加热电源加电模拟“烧蚀”处理过程。

考夫曼离子推力器故障主要发生在推进阶段，在此工况下的故障可能影响电推进系统的稳定工作，这些典型故障包括：中和器突然熄灭、阴极突然熄灭和栅短路。推力器模拟器中设计了与之对应的负载特性，并可实现由推力器正常工作状态向故障状态负载特性的动态切换，以图1中各功率电阻和切换开关为对象进行说明。

中和器突然熄灭：通常，在真实的推力器中设置了“互锁保护”，当推力器中PPU和电推进控制单元检测一旦检测到中和器触持电流小于0.35A，则认为中和器熄灭。当检测到该故障时，立即关闭屏栅电源和加速电源的输出，因此，为了测试推力器的这一工作特性，本发明对中和器突然熄火故障进行了模拟：

在推进阶段的正常工作状态下，中和器触持电源输出端负载工作于“稳态”档位，开关K6、K7接通，使电阻R8、R9并联，等效负载阻值为13.4Ω；当模拟“中和器突然熄灭”故障时，中和器触持电源输出端负载工作于“互锁保护”档位：开关K6保持接通，开关K7断开，使等效负载R8阻值为约200Ω，即中和器触持电源的负载由13.4Ω升高为约200Ω，使中和器触持电流低于0.35A，将中触持电源的负载由“稳态”带电切换到“互锁保护”。

阴极突然熄灭：对考夫曼离子推力器，该现象发生时，阳极电源、屏栅电源、加速栅电源的电流迅速降为零，各电源呈空载电压输出。

在推进阶段的正常工作状态下，主阴极触持、阳极、屏栅、加速电源输出端负载工作于“稳态”档位，分别对应相应的等效负载阻值。此时图1中各开关的通断状态为：K5接通、K16断开、K6与K7接通、K17断开、K8与K9a接通、K9b断开、K10接通、K11断开、K12接通、K13与K14断开、K15断开；当模拟“阴极突然熄灭”故障时，主阴极触持、阳极、屏栅、加速电源输出端负载切换到“开路”档位，此时图1中各开关的通断状态为：K5断开、K16断开、K6与K7断开、K17断开、K8与K9a及K9b断开、K10与K11断开、K12与K13及K14断开、K15断开，快速关闭屏栅、加速、阳极、中和器触持、阴极触持电源的输出。

栅短路:在离子电推进分系统的设计中，发生栅短路时，PPU的处理方法是，检测到屏栅电源、加速电源电流超过设定值(约2.0A)后，两路电源过流保护，在推进阶段的正常工作状态下，主阴极触持电源、阳极电源、屏栅电源和加速电源输出端负载工作于“稳态”档位，分别对应相应的等效负载阻值，此时图1中各开关的通断状态为：K5接通、K16断开、K6与K7接通、K17断开、K8与K9a接通、K9b断开、K10接通、K11断开、K12接通、K13、K14和K15断开；当模拟“栅短路”故障时，屏栅电源、加速电源输出端负载由“稳态”切换到“过流保护”档位，屏栅电源等效负载阻值约为500Ω，加速电源等效负载阻值约为75Ω，此时图1中各开关的通断状态为：K5接通、K16断开、K6与K7接通、K17断开、K8与K9a接通、K9b断开、K10接通、K11接通、K12断开、K13与K14接通、K15断开，并迅速关闭电源输出。

此外，本发明的负载特性模拟方法还包括主阴极点火电源脉冲波形测试方法和中和器点火电源脉冲波形测试方法，具体为：

将主阴极触持电源负载模块中的开关K16接通，开关K5断开，然后启动主阴极点火电源，输出脉冲，通过测试线采集主阴极点火电源的脉冲波形。

将中和器触持负载模块中的开关K17接通，开关K6和开关K7断开，然后启动中和器点火电源，输出脉冲，通过测试线采集中和器点火电源的脉冲波形。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种考夫曼离子推力器的负载特性模拟装置，其特征在于，包括主阴极加热电源负载模块、主阴极触持电源负载模块、阳极电源负载模块、屏栅电源负载模块、加速电源负载模块、中和器加热电源负载模块和中和器触持电源负载模块：

所述主阴极加热电源负载模块包括霍尔传感器H1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻RV1、开关K1以及开关K2；所述考夫曼离子推力器的主阴极加热电源的输出端串联霍尔传感器H1和电阻RV1后接主阴极加热电源回线；电阻R1并联在电阻RV1两端；开关K1和电阻R2串联后并联在电阻R1两端；所述开关K2与电阻R3串联后并联在电阻R2两端；电阻R1、R2、R3和RV1的阻值依次为1.7Ω、12.8Ω、0.93Ω和13.8KΩ；

所述主阴极触持电源负载模块包括霍尔传感器H2、电阻R7、电阻RV2和开关K5；所述考夫曼离子推力器的主阴极触持电源的输出端依次串联霍尔传感器H2和电阻RV2后接主阴极触持电源回线；所述开关K5和电阻R7串联后并联在电阻RV2的两端；所述电阻R7和电阻RV2的阻值分别26.7Ω和86.7KΩ；

所述阳极电源负载模块包括霍尔传感器H3、电阻RV4、电阻R10、电阻R11a、电阻R11b、开关K8、开关K9a和开关K9b，所述考夫曼离子推力器的阳极电源的输出端依次串联霍尔传感器H3和电阻RV4后接阳极电源回线；所述开关K8串联电阻R10后并联在电阻RV4两端；所述开关K9a串联电阻R11a后并联在电阻R10两端；所述开关K9b串联电阻R11b后并联在电阻R11a两端；所述电阻RV4、电阻R10、电阻R11a和电阻R11b的阻值分别为：79.7KΩ、13.6Ω、22Ω和50.4Ω；

所述主阴极加热电源回线、阳极电源回线和主阴极触持电源回线并联；

所述屏栅电源负载模块包括霍尔传感器H4、电阻RV5、电阻R12和电阻R13、开关K10和开关K11；所述考夫曼离子推力器的屏栅电源输出端与所述阳极电源输出端并联；所述屏栅电源输出端依次串联霍尔传感器H4和电阻RV5后接屏栅电源回线；所述电阻R12和开关K10串联后并联在电阻RV5两端；所述电阻R13和开关K11串联后并联在电阻R12和开关K10串联电路的两端；所述电阻RV5、电阻R12和电阻R13的阻值分别为：1204.7KΩ、1250Ω和833.3Ω；

所述加速电源负载模块包括霍尔传感器H5、霍尔传感器H6、电阻RV6、电阻R14、电阻R14’、电阻R15、开关K12、开关K13和开关K14；所述考夫曼离子推力器的加速电源的输出负端依次串联霍尔传感器H5和电阻RV6后接加速电源正端回线；所述电阻R14、电阻R14’、霍尔传感器H6和开关K12依次串联后并联在电阻RV6两端；开关K13一端接在电阻R14和电阻R14’之间，另一端接加速电源正端回线；所述电阻R15和开关K14串联后并联在电阻RV6两端；所述电阻RV6、电阻R14、电阻R14’和电阻R15的阻值分别为204.7KΩ、187.5Ω、12.3KΩ和125Ω；

所述中和器加热电源负载模块包括霍尔传感器H7、电阻RV7、电阻R4、电阻R5、电阻R6、开关K3和开关K4；所述考夫曼离子推力器的中和器加热电源的输出端依次串联霍尔传感器H7和电阻RV7后接中和器加热电源回线；所述电阻R4并联在电阻RV7两端；所述开关K3和电阻R5串联后并联在电阻R4两端；所述开关K4和电阻R6串联后并联在电阻R5两端；所述电阻RV7、电阻R4、电阻R5和电阻R6的阻值分别为：13.8KΩ、1.7Ω、12.8Ω和0.93Ω；

所述中和器触持电源负载模块包括霍尔传感器H8、电阻RV8、电阻R8、电阻R9、开关K6和开关K7；所述考夫曼离子推力器的中和器触持电源的输出端依次串联霍尔传感器H8和电阻RV8后接中和器触持电源回线；所述开关K6和电阻R8串联后并联在电阻RV8两端；所述开关K7和电阻R9串联后并联在电阻R8两端；所述电阻RV8、电阻R8和电阻R9的阻值分别为：86.7KΩ、200Ω和14.3Ω；

所述中和器触持电源回线、中和器加热电源回线、加速电源正端回线和屏栅电源回线并联。

2.如权利要求1所述的一种考夫曼离子推力器的负载特性模拟装置，其特征在于：

在所述主阴极加热电源负载模块中，所述电阻RV1上设置用于测试主阴极加热电源输出电压的引出线，该引出线与所述主阴极加热电源回线之间的阻值为4.7KΩ；

在所述主阴极触持电源负载模块中，在所述电阻RV2上设置用于测试主阴极触持电源输出电压的引出线，该引出线与所述主阴极触持电源回线之间的阻值为4.7KΩ；

在所述阳极电源负载模块中，在所述电阻RV4上设置用于测试阳极电源输出电压的引出线，该引出线与所述阳极电源回线之间的阻值为4.7KΩ；

在所述屏栅电源负载模块中，在所述电阻RV5上设置用于测试屏栅电源输出电压的引出线，该引出线与所述屏栅电源回线之间的阻值为4.7KΩ；

在所述加速电源负载模块中，在所述电阻RV6上设置用于测试加速电源输出电压的引出线，该引出线与所述加速电源回线之间的阻值为4.7KΩ；

在所述中和器加热电源负载模块中，在所述电阻RV7上设置用于测试中和器加热电源输出电压的引出线，该引出线与所述中和器加热电源回线之间的阻值为4.7KΩ；

在所述中和器触持电源负载模块中，在所述电阻RV8上设置用于测试中和器触持电源输出电压的引出线，该引出线与所述中和器触持电源回线之间的阻值为4.7KΩ。

3.如权利要求1或2所述的一种考夫曼离子推力器的负载特性模拟装置，其特征在于，还包括主阴极点火电源负载模块；所述主阴极点火电源负载模块包括电阻R17、电阻R17’和开关K16，所述电阻R17、电阻R17’和开关K16串联后并联在考夫曼离子推力器的主阴极点火电源的输出端和主阴极点火电源回线之间；所述电阻R17和电阻R17’之间引出测试线，用于测试主阴极点火电源的电压波形；

所述主阴极点火电源的正端与主阴极触持电源正端并联，主阴极点火电源回线与主阴极触持电源回线并联；所述主阴极点火电源单次脉冲的输出值为900V～1000V；其负载为3kΩ时，输出电压大于450V，且脉宽大于5us；所述电阻R17和电阻R17’的阻值分别为2.7KΩ和300Ω。

4.如权利要求3所述的一种考夫曼离子推力器的负载特性模拟装置，其特征在于，还包括中和器点火电源负载模块；所述中和器点火电源负载模块包括电阻R18、电阻R18’和开关K17，所述电阻R18、电阻R18’和开关K17串联后并联在考夫曼离子推力器的中和器点火电源的输出端和中和器点火电源回线之间；所述电阻R18和电阻R18’之间引出测试线，用于测试所述中和器点火电源的电压波形；

所述中和器点火电源的正端与所述中和器触持电源的正端并联，所述中和器点火电源回线与所述中和器触持电源回线并联；

所述中和器点火电源单次脉冲的输出值为900V～1000V；要求其负载为3kΩ时，输出电压大于450V，且脉宽大于5us；所述电阻R18和电阻R18’的阻值分别为2.7KΩ和300Ω。

5.如权利要求4所述的一种考夫曼离子推力器的负载特性模拟装置，其特征在于，还包括烧蚀负载模块，包括霍尔传感器H9、开关K15、电阻RV9与电阻R16；所述加速电源的输出负端依次连接霍尔传感器H9和开关K15的一端，电阻RV9与电阻R16并联后接在开关K15的另一端与阳极电源回线之间，用以模拟对推力器屏栅极与加速极之间进行烧蚀处理时的负载；

所述电阻RV9上设置用于测试烧蚀处理时的输出电压的引出线，该引出线与所述加速电源回线之间的阻值为4.7KΩ。

6.一种基于权利要求5所述的模拟装置的考夫曼离子推力器的负载特性模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、对考夫曼离子推力器加热阶段的模拟：

模拟推力器正常工况时，首先将主阴极加热电源负载模块中的开关K1和中和器加热电源负载模块中的开关K3均接通，使主阴极加热电源负载模块和中和器加热电源负载模块的负载阻值均为1.5Ω；然后开启所述主阴极加热电源和中和器加热电源，并设置二者的输出电压为12V，输出电流为7.5A，保持时间不超过8min；

步骤2、对考夫曼离子推力器起弧阶段的模拟：

将中和器触持电源负载模块中的开关K6、K7和K17断开，在中和器加热电源开启约3min后，依次开启中和器触持电源、中和器点火电源，控制所述中和器点火电源每30s发出一个点火脉冲，持续时间为3min；

当中和器加热电源开启达到6min时，将开关K6和开关K7接通，当监测到霍尔传感器H8显示的中和器触持电源输出电流超过其额定值一半时，认为中和器阴极点火成功，随即关断中和器加热电源和中和器点火电源的输出；

中和器阴极点火成功后，将主阴极触持电源负载模块中的开关K5和开关K16断开，将阳极电源负载模块中的开关K8、开关K9a和开关K9b断开，然后依次开启阳极电源、主阴极触持电源和主阴极点火电源，控制主阴极点火电源每30s发出一个点火脉冲，持续时间为2min；

当主阴极加热电源开启8min时，将开关K5、开关K8、开关K9a和开关K9b接通，当监测到霍尔传感器H2显示的主阴极触持电源输出电流超过其额定值一半时，并且霍尔传感器H3显示的阳极电源输出电流超过其额定值一半时，认为主阴极点火成功且放电室起弧成功，随即关断主阴极加热电源和主阴极点火电源的输出；

步骤3、对考夫曼离子推力器推进阶段的模拟：

待放电室起弧成功后，将加速电源负载模块中的开关K12接通，将开关K13和开关K14断开，将屏栅电源负载模块中的开关K10接通，将开关K11断开，然后同时开启屏栅电源和加速电源，当监测到霍尔传感器H4显示的屏栅电源输出电流为0.8A时，霍尔传感器H6显示的加速电流为5mA时，模拟装置进入到考夫曼离子推力器的推进模式。

7.如权利要求6所述的一种考夫曼离子推力器的负载特性模拟方法，其特征在于，在所述步骤3的推进阶段的模拟中：

当模拟中和器突然熄灭故障时，将中和器触持电源负载模块中的开关K6接通，开关K7断开，当监测到霍尔传感器H8显示的中和器触持电源输出电流低于0.35A时，认为中和器阴极熄灭，随即关断屏栅电源和加速电源的输出；

当模拟主阴极突然熄灭故障时，将主阴极触持电源负载模块中的开关K5断开，将阳极电源负载模块中的开关K8、开关K9a和开关K9b断开，当监测到霍尔传感器H2显示的主阴极触持电源输出电流低于其额定值一半时，并且霍尔传感器H3显示的阳极电源输出电流低于其额定值一半时，认为主阴极熄灭，随即关断屏栅电源、加速电源、阳极电源和主阴极触持电源的输出；

当模拟栅短路故障时，将屏栅电源负载模块中的开关K10接通，将开关K11接通，同时将加速电源负载模块中的开关K13和开关K14接通，再将开关K12断开，当监测到霍尔传感器H4显示的屏栅电流大于2.0A时，霍尔传感器H5显示的加速电源输出电流大于2.0A，随即迅速关断屏栅电源和加速电源的输出。

8.如权利要求6所述的一种考夫曼离子推力器的负载特性模拟方法，其特征在于，还包括模拟烧蚀处理，具体的方法为：

先将开关K5、开关K16、开关K6、开关K7、开关K17、开关K8、开关K9a、开关K9b、开关K10、开关K11、开关K12、开关K13和开关K14全部断开，再将开关K15接通；然后将主阴极加热电源输出正端切换到所述加速电源的引出线上；最后开启所述主阴极加热电源，模拟烧蚀处理过程。

9.如权利要求6所述的一种考夫曼离子推力器的负载特性模拟方法，其特征在于，还包括主阴极点火电源脉冲波形测试方法，具体为：

将主阴极触持电源负载模块中的开关K16接通，开关K5断开，然后启动主阴极点火电源，输出脉冲，通过测试线采集主阴极点火电源的脉冲波形。

10.如权利要求6所述的一种考夫曼离子推力器的负载特性模拟方法，其特征在于，还包括中和器点火电源脉冲波形测试方法，具体为：将中和器触持电源负载模块中的开关K17接通，开关K6和开关K7断开，然后启动中和器点火电源，输出脉冲，通过测试线采集中和器点火电源的脉冲波形。