CN104781550B - 用于离子推进单元的推进气体供给装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及给离子推进单元供给推进气体的领域，并且特别地涉及一种用于通过供给回路为离子推进器供给来自加压槽(2)的推进气体的方法，该供给回路包括全有全无阀(4)，以及从该全有全无阀(4)下游连续地包括高压限制器(15)、缓冲槽(6)以及至少一个低压限制器(7)。所述方法包括以下步骤：在流速设定值(Q_c)的基础上计算该缓冲槽(6)的压力设定值(p_c)，计算在该缓冲槽(6)的压力设定值(p_c)和在该缓冲槽(6)内测量的压力(p_t)之间的差(Δp)，在所述差(Δp)以及在该加压槽(15)内侧压力(p_r)的基础上计算该全有全无阀(4)的开启时间设定值(tc)；以及根据该开启时间设定值(tc)开启该全有全无阀(4)。本发明进一步涉及一种能够实施所述方法的供给装置(1)。

Description

用于离子推进单元的推进气体供给装置

背景技术

本发明涉及进给离子推进器的领域，并且特别地涉及一种用于将推进气体进给到离子推进器的方法和装置。

术语离子推进器用于表示任何反应推进器，特别地用于空间应用，其基于通过静电场加速带电粒子。这因此包括推进器，其中粒子通过接触而带电，以及所谓等离子体推进器，其中产生包含带电粒子的等离子体。本发明特别地但不仅仅适用于进给等离子体推进器，以及特别地所谓“霍尔效应”推进器，该“霍尔效应”推进器具有环形通道，阳极，适用于形成一种适合于在环形通道的下游端部产生磁场的磁路，以及位于环形通道的下游端部外侧的阴极，并且其中例如氙的推进气体注入到环形通道中。

通常，当这种霍尔效应推力器在操作时，推进气体在阳极附近注入到环形通道的端部。由阴极发射的并朝在环形通道的端部的阳极被吸引的电子被磁场以螺旋轨迹在两壁之间捕获，从而形成虚拟的阴极栅格。从该磁性罩朝阳极逃离的电子与被注入到环形通道端部的推进气体原子相撞，从而形成电离的等离子体。

等离子体的正离子被存在于阳极和虚拟阴极栅格之间的电场加速，该虚拟阴极栅格由被磁场在环形通道的开口端捕获的电子云形成。由于这些正离子的质量远远大于电子的质量，它们的轨迹几乎不受磁场影响。该等离子体射流的离子最后在从磁场的下游通过由阴极发射或由电离等离子体产生的电子所中和。

离子推进器已经开始用于空间飞船的姿态和轨道控制系统(AOCS)，以及用在地球同步卫星的AOCS中的适当位置中。离子推进器使得可以获得非常高的特定脉冲(Isp)，对于霍尔效应等离子推进器处于1500秒的数量级，因此能够获得对运载工具的姿势和/或位置的准确控制，同时涉及质量和复杂性，该质量和复杂性大大少于在具有诸如反冲式叶轮的惯性装置的传统系统与用于去饱和反冲式叶轮的化学推进器结合中使用所需要的。

优选地，为了进给推进气体到离子推进器，该气体存储在加压槽中。然而，在该领域遇到的一个缺点是调节从这种加压槽进给离子推进器的推进气体的非常低的流速。假设在加压槽内的压力随着槽被清空而逐渐地降低，以及假设能够有利于不调节该流速到恒定水平，而是到多个不同水平或到一个变化的水平，这特别地困难，从而使离子推进器的性能适用于多种不同情况。变流速限制器或阀的使用将具有增加进给装置的机械复杂性的缺点，这在空间环境中特别地有问题，由于该环境对具有活动部件的机械装置特别地不友好。

发明目的和内容

本发明试图弥补这些缺点，特别地通过提出一种经由进给回路为离子推进器进给来自加压槽的推进气体的方法，所述进给回路包括开/关阀，并且从所述开/关阀的下游连续地包括高压限制器、缓冲槽以及至少一个低压限制器，其通过控制所述开/关阀可以准确地调节推进气体的流速。

术语“开/关阀”在当前上下文中用于指定一个可被控制以仅占据打开或关闭这两个位置的阀。因此通常不能控制用于直接调节流速目的的打开的中级水平。然而，开/关阀呈现了非常简单的重要优点，即使在诸如在空间应用中遇到的非常恶劣的环境中。

至少在一种实施方式中，通过该开/关阀调节推进气体流速的目的是通过所述方法包括以下步骤的事实来实现：

·根据流速设定值计算缓冲槽的压力设定值；

·计算在缓冲槽的压力设定值和在所述缓冲槽中测量的压力之间的差；

·根据所述差和所述加压槽内侧压力计算所述开/关阀的开启时间的设定值；并且

·根据所述开启时间设定值开启所述开/关闭阀。

因此，通过根据从所述开/关阀上游和下游压力变化的方式调制开/关阀的开启时间，可以间接但准确的方式调节推进气体的流速。

特别地，在用于所述进给回路的反相流体流动模型的基础上计算开启时间设定值。该进给回路的流体流动模型可表示在进给回路中流体限制器和流体容量的布置，包括回路中导管的容量。该模型提供了一种基础，在该基础上根据阀的开启时间以及上游压力计算从该开/关阀的下游压力变化的方式。反之，因此可以计算从阀的下游达到压力设定值需要的开启时间。

同时，缓冲槽的压力设定值可以根据在从缓冲槽下游所述至少一个低压限制器的反相流动模型计算。具体地，由于所述至少一个限制器的流动模型可以根据上游压力计算流速，反之，可以在该流速设定值的基础上计算所述压力设定值。

所述推进气体进给回路可以特别地包括从该低压限制器下游的分叉，所述分叉具有用于进给所述离子推进器的阳极部分的第一分支和用于进给所述离子推进器的阴极部分的第二分支，所述第一和第二分支的每一个具有相应的附加限制器。在这种情况下，为了根据流速设定值计算所述缓冲槽的压力设定值，并且为了方便计算，可以使用简化的流体流动模型，其中包括低压限制器、由此下游的分叉以及所述两个附加限制器的组件由单个限制器表示。

为了确保该进给方法有效，所述开/关阀的开启的触发可通过一个或多个标准所限制。例如，第一标准是仅当所述缓冲槽的压力设定值显著大于在缓冲槽中测量的压力，可以根据开启时间设定值触发所述开/关阀的开启。通过“显著大于”，应该理解的是，压力设定值大于所测量的压力相当大的余量，如例如5％或10％。该标准可以避免阀由于压力的小波动而过早触发阀的开启，并且也可以限制阀被开启和关闭的次数，以延长其寿命。仅当在缓冲槽中被测量的压力降低或为零时，也可与第一标准结合或单独使用的第二标准，其是根据开启时间设定值可以触发开/关阀的开启。特别地当确定该缓冲槽应被进给并且高压段应该进给到该体积时，或当确定该开/关阀应被开启而该回路下游阻塞时，这用于避免过早触发。最后，同样可以与第一和/或第二标准结合或单独使用的第三标准是不能根据开启时间设定值触发开/关阀的开启，除非该开启时间设定值大于预定的最低阈值。这用于避免以不符合其响应时间的方式控制该开/关阀，并且这也用于限制阀开启和关闭的次数，以延长其寿命。

对于根据所述差以及在所述加压槽内侧压力计算所述开/关阀的开启时间设定值的步骤，所述槽内压力可直接地测量。然而，为了限制传感器的数量从而简化进给装置，可以作为替代方案在初始压力和已经穿过该进给回路的推进气体的总流体的基础上间接地测量该压力。通过统合已经从所述加压槽通过所述进给回路排出的推进气体的总量，可以计算在所述加压槽内剩余的推进气体的压力将如何变化。

推进气体进给回路也可包括从开/关阀上游的安全阀，以在发生技术故障时隔离它以及由此下游回路的其余部分。

本发明也涉及一种用于进给推进气体到离子推进器的装置，所述装置适用于实施这种进给方法。为此，在至少一个实施方式中，所述进给装置可包括推进气体的加压槽，以及进给回路，所述进给回路连接到所述加压槽并包括从所述加压槽下游连续连接的至少一个开/关阀、高压限制器、缓冲槽以及低压限制器，与用于控制所述开/关阀的控制单元，并被配置成根据流速设定值计算所述缓冲槽的压力设定值，被配置成计算所述缓冲槽的压力设定值和在所述缓冲槽中测量的压力之间的差，被配置成根据所述差和所述加压槽内侧压力计算所述开/关阀的所述开启时间，并根据所述开启时间设定值命令所述开/关阀的开启。

附图说明

在阅读对作为非限制性示例给出的实施例和实施方式的以下详细描述后，可以很好地理解本发明，并且其优点更好地显而易见。本说明书参考附图，其中：

·图1是在第一实施方式中的进给装置的图解视图；

·图2是与相同实施方式一起使用的进给方法的框图；

·图3A-3D是分别示出压差设定值、开/关阀的开启时间设定值、开/关阀的开启信号以及缓冲槽内侧压力处随时间变化的图表；以及

·图4是在第二实施方式中的进给装置的图解视图。

具体实施方式

图1示出了第一实施方式中的用于为等离子体发动机(未示出)进给推进气体的进给装置1，该进给装置包括加压槽2，该加压槽连接到具有安全阀3的进给回路；调节流速的开/关阀；高压流限制器5；缓冲槽6；低压流限制器7；分叉8，该分叉具有第一分支9和第二分支11，该第一分支用于进给等离子体发动机的阳极箱(section)并具有其自己的限制器10，第二分支11用于进给等离子体发动机的阴极箱(section)，同样具有其自己的限制器12；以及控制单元13，该控制单元连接到在缓冲槽6中的压力传感器14。

加压槽2适于包含例如在高压下诸如氙的推进气体，从而在太空车辆的整个预期寿命中能够进给等离子体发动机，该空间飞船包括等离子体发动机及其进给装置1。安全阀3插入在加压槽2和进给回路的剩余部分之间，从而隔离加压槽2，如在空间飞船正被发射时或在发生故障时。在进给装置1的全部正常运行中，该安全阀3然而保持打开。

在进给回路中从安全阀3下游直接连接的开/关阀4连接到控制单元13，从而调节来自加压槽2的推进气体的流速并经由进给回路使用以下描述的进给方法供给到等离子体发动机。在进给回路中从该开/关阀4的下游，高压限制器5抑制从开/关阀4到缓冲槽6的推进气体流。此后，从缓冲槽6的下游，低压限制器7抑制朝分叉8及其第一和第二分支9和11的推进气体流。最后，在这些分支9和11的每一个中，相应的限制器10或12抑制朝等离子体发动机各段的推进气体流。

在操作中，控制单元13控制开/关阀4以实施如图2所示的进给方法。在该方法的第一步骤101中，并且作为流速设定值Q_c的函数，可能是来自空间飞船的姿势和/或轨迹控制系统的质量流速设定值，控制单元13在位于缓冲槽6下游的进给回路部分的反相模型的基础上计算缓冲槽内压力6的设定值p_c。该模型可以简化，从而考虑所有的限制器7、10和12，以及仅作为单个限制器的互连它们的管道的液体容量。

因此，例如，可以使用以下公式计算设定值p_c：

其中，PdC_aval表示以液体欧姆表(Lohms)测量的从缓冲槽6下游的进给回路的等值水头损失，k_g是推进气体的系数，以及f(T)是作为推进气体温度T的函数的校正系数。

该压力设定值p_c因此表示应该存在于缓冲槽6内侧的压力，以确保推进气体以根据经由位于从缓冲槽6下游的进给回路的一部分从缓冲槽到等离子体发动机的流速Q_c的速率流动。

在以下的步骤102中，该压力设定值p_c与缓冲槽6内侧的真实压力p_t比较，以计算在压力设定值p_c和真实压力p_t之间的差Δp。图3A示出了该差Δp可能随时间如何改变的示例。随后，在步骤103中，在整个进给回路的反相流体流动模型的基础上，该整个进给回路包括在位于两个阀3、4之间、在开/关阀4和高压限制器5之间的管道，以及在将限制器7、10和12连接在一起的管道内的流体容量，根据在加压槽2内压力p_r的差Δp计算在开/关阀4的开启时间设定值t_c。

例如，根据压力设定值p_c与加压槽2内压力p_r之间的比值，可使用两个不同公式用于计算该开/关阀4开启时间的设定值t_c。

因此，如果差Δp小于以下值，即加压槽2内压力p_r，乘以开/关阀4和高压限制器5之间的死区体积V_4-5，并除以缓冲槽6的体积V₆，则可以使用以下公式计算开/关阀4开启时间的设定值t_c：

其中，C_g表示推进气体的音速，k_Lee是特定于该开/关阀4和/或高压限制器5的系数，M_mol是推进气体的摩尔压力，PdC₄是通过开/关阀4的水头损失，以及R是推进气体的比气体常数(其可以选择地由理想气体的通用气体常数近似)。

相反，如果差Δp等于或大于以下值，即加压槽2内压力p_r，乘以开/关阀4和高压限制器5之间的死区体积V_4-5并除以缓冲槽6的体积V₆，那么可以使用以下公式计算开/关阀4开启时间的设定值t_c：

其中PdC₅表示高压限制器5的水头损失。

在所示出的实施方式中，通过统合过去的流速设定值Q_c以估计已经从加压槽2抽出的推进气体的数量，以及通过计算已知初始压力p_i和加压槽2的当前压力p_r之间的差，在步骤104中间接地估计加压槽2内压力p_r。图3B示出了开启时间设定值t_c如何随时间变化的示例，以及它与如图3A所示差Δp变化的方式相匹配。

然而，为了触发开/关阀4的开启，在步骤105中需要满足三个条件：

首先在压力设定值p_c和真实压力p_t之间的压力差Δp必须基本为正值，即压力设定值p_c必须比真实压力p_t大一个可检测余量，如5％或10％。

此外，缓冲槽6内的压力p_t必须减少或为零。

最后，开/关阀4开启时间设定值t_c必须大于某一最小阈值t_c，min。

在用于发送开启命令OV到开/关阀4一定时间长度的步骤106中，该时间长度对应于由被包含在控制单元13内的计时器所监测开启时间设定值t_c，只有满足所有这三个条件，控制单元13才触发信号D。图3C示出了如何响应于作为时间函数以及如图3B所示的开启时间设定值tc中的变化而发出该命令。因为开/关阀4由于如图3C所示的命令OV而临时开启，缓冲槽6内的压力p_t上升，如图3D所示，从而增加了从缓冲槽6到等离子体发动机的推进气体流速。

图4示出了在另一实施方式中并在加压槽2中包括至少一个压力传感器17的进给装置1，该传感器连接到控制单元13。该第二实施方式的所有其他元件与第一实施方式中的相应元件等同并且它们给出了相同的附图标记。进给装置1的操作也对应于如图2所示的方法，除了在步骤104中，加压槽2内压力p_r可通过所述至少一个压力传感器17直接地测量，而不是间接地估计。

尽管以上参考特定多个实施方式描述了本发明，但是很明显的是，可以进行对这些实施方式进行各种修改和改变而不超出由所附权利要求限定的本发明的一般范围。因此，应在说明性而非限制性的意义上考虑本说明书和附图。

Claims (10)

1.一种经由进给回路为离子推进器进给来自加压槽(2)的推进气体的进给方法，所述进给回路包括开/关阀(4)，以及从所述开/关阀(4)下游连续的高压限制器(5)、缓冲槽(6)以及至少一个低压限制器(7)，所述方法包括以下步骤：

·根据流速设定值(Q_c)计算所述缓冲槽(6)的压力设定值(p_c)；

·计算在所述缓冲槽(6)的压力设定值(p_c)和在所述缓冲槽(6)内测量的压力(p_t)之间的差(Δp)；

·根据所述差(Δp)以及在所述加压槽(2)内侧压力(p_r)计算所述开/关阀(4)的开启时间设定值(t_c)；以及

·根据所述开启时间设定值(tc)开启所述开/关阀(4)。

2.根据权利要求1所述的进给方法，其中，在所述进给回路的反相流体流动模型的基础上计算所述开启时间设定值(tc)。

3.根据权利要求1所述的进给方法，其中，在从所述缓冲槽(6)下游的所述至少一个低压限制器(7)的反相流体流动模型的基础上计算所述缓冲槽(6)的压力设定值(pc)。

4.根据权利要求1所述的进给方法，其中，仅当所述缓冲槽(6)的压力设定值(p_c)显著大于在所述缓冲槽(6)中测量的压力(p_t)时，根据开启时间设定值(t_c)触发所述开/关阀(4)的开启。

5.根据权利要求1所述的进给方法，其中，仅当在缓冲槽(6)中测量的压力(p_t)减少或为零时，根据开启时间设定值(t_c)触发所述开/关阀(4)的开启。

6.根据权利要求1所述的进给方法，其中，仅当开启时间设定值(t_c)大于预定最小阈值(t_c，min)时，根据开启时间设定值(t_c)触发所述开/关阀(4)的开启。

7.根据权利要求1所述的进给方法，其中，所述推进气体进给回路包括从所述低压限制器(7)下游的分叉(8)，所述分叉具有第一分支(9)和第二分支(11)，所述第一分支用于进给所述离子推进器的阳极箱以及所述第二分支用于进给所述离子推进器的阴极箱，所述第一和第二分支(9、11)的每个都具有各自的附加限制器(10、12)。

8.根据权利要求1所述的进给方法，其中，在初始压力和已经穿过所述进给回路的推进气体的总流体的基础上间接测量所述加压槽(2)内侧压力(pr)。

9.根据权利要求1所述的进给方法，其中，所述推进气体进给回路还包括从所述开/关阀(4)上游的安全阀(3)。

10.一种用于为离子推进器进给推进气体的装置(1)，所述装置包括：

·用于所述推进气体的加压槽(2)；以及

·进给回路，所述进给回路连接到所述加压槽并包括从所述加压槽(2)下游连续连接的至少一个开/关阀(4)、高压限制器(5)、缓冲槽(6)以及低压限制器(7)；以及

控制单元(13)，所述控制单元用于控制所述开/关阀并被配置为：

·根据流速设定值(Q_c)计算所述缓冲槽(6)的压力设定值(p_c)；

·计算在所述缓冲槽的压力设定值(p_c)和在所述缓冲槽(6)内测量的压力(p_t)之间的差(Δp)；

·根据所述差(Δp)以及在所述加压槽(2)内侧压力(p_r)计算所述开/关阀(4)的开启时间设定值(t_c)；以及

·根据所述开启时间设定值(tc)开启所述开/关阀(4)。