CN106672268A - 基于能量转换的航天器电位主动控制系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于能量转换的航天器电位主动控制系统，包括上收集极、下收集极，之间的电能转化存储器以及检测单元，电能转化存储器与负载(或有效载荷)连接，上收集极、下收集极分别电连接设置在航天器的电位差异较大的两个部位上，当检测单元检测到两极的电位差，并通过电源管理系统判断电位差信号是否达到一定的电位差，当达到时，开启能量转换，为电能转化存储器充电，当电位降低到一定电位时，停止充电，实现航天器电位下降到安全阈值。本发明通过不同电位的航天器部件作为能量存储充电的两极，将充电电荷导出，降低充电电位到安全阈值以下，降低了放电的风险，同时可以获得将近10W量级的能量。

Description

基于能量转换的航天器电位主动控制系统及控制方法
技术领域
本发明属于空间环境效应防护技术领域，具体而言，本发明涉及一种航天器充放电效应主动防护的系统和控制方法，在减缓航天器充放电的危害的同时，将充电电位转换为电能加以利用。
背景技术
卫星带电效应又称充放电效应，是指卫星的充放电过程分为表面充放电效应和内带电效应。
实际上，航天器在轨运行期间，将与空间等离子体和高能电子等环境相互作用而发生静电电荷积累及泄放，即充放电效应。其中，低能等离子体环境的主要成分为低能电子和质子，主要来源于日冕物质抛射的太阳风。等离子体的粒子通量、能量等与太阳活动、光照、地球磁场、轨道空间位置等相关。等离子体环境将与航天器的表面材料相互作用，使航天器表面积累电荷。由于卫星的表面材料的介电性能、几何形状等不同，从而引起卫星表面之间、表面与深层之间、表面与卫星地之间产生表面电位差，当这个电位差达到一定的量值后，将会以电晕、击穿等发生放电，或者通过卫星结构、接地系统将放电电流耦合到卫星电子系统中，导致发生电路故障，威胁卫星安全。
目前，国内外关于航天器的电位主动控制主要是想办法将表面电荷发射出去，通过利用等离子体发射器-电荷中和装置、热电子发射电子枪、场致电子发射器、静电防护屏装置、静电防护栅等实现对卫星表面充放电效应的在轨监测与主动控制。然而，这种方法，不但需要消耗额外的能源或大大增加航天器的重量，而且技术难度较高。
为了克服上述不足，本发明人出人意料地通过将充电电荷收集利用的思路，将达到一定充电电位的充电电荷进行转换收集，一方面能够将电位控制在安全阈值之下，另一方面，可将收集到的能量作为能源进行二次利用，从而完成了本发明。
发明内容
鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于能量转换的航天器电位主动控制系统，该控制系统利用能量转换装置，将其表面充电电荷和能量进行转化储存，在抑制航天器表面充放电威胁的同时，实现充电电能的转换利用，有效避免了航天器在轨运行期间的表面充放电效应及其威胁，
同时，本发明也提供了一种基于能量转换的航天器电位主动控制方法，该方法简单易行，且能够通过能量转换，将废弃的能量加以储存并利用。
本发明采用的技术方案如下：
基于能量转换的航天器电位主动控制系统，包括上收集极、下收集极，电连接设置在上下收集极之间的电能转化存储器以及检测单元，电能转化存储器与负载进行电连接，其中，上收集极、下收集极分别电连接设置在航天器的电位差异较大的两个部位上或者航天器的电位差异较大的两个部位对应作为上下收集极，当检测单元检测到两极之间的电位差，并通过电源管理系统判断获得的电位差信号是否达到一临界电位差，当达到时，开启能量转换，为电能转化存储器充电，当电位降低到一定电位时，停止充电，从而实现航天器电位下降到安全阈值，实现航天器电位的主动控制，同时，电能转化存储器将其存储的能量为航天器的载荷提供电能，维持其相应地运动。
其中，航天器电位主动控制系统适用于航天器在GEO轨道的在轨运行期间。
其中，所述安全阈值根据航天器具体情况设定，通常为100～500V之间的一定值。。
其中，所述临界电位差根据航天器具体情况设定，范围通常为800～1500V之间的一定值。
其中，所述负载为有效载荷或需要电源供电的系统。其中，电能转化存储器包括依次电连接的变压电路、电压调理电路和储能装置，当电源管理单元判断获得的电位差信号达到一定的电位差时，通过电压调理电路对变压电路的输出电压调节并将电能存储在储能装置中。
基于能量转换的航天器电位主动控制方法，包括如下步骤：
1将航天器上电位差异较大的两个部位分别作为两极或者在两者上分别电连接设置上下收集极，两极之间连接能量转换装置；
2通过一检测电路对两极电位差进行检测，并通过电源管理系统对获得的电位差信号进行判读是否达到需要进行能量转换或为储能装置充电的条件；
3当电源管理系统判读电位差已经达到设定的临界电位差时，通过电压调理电路连通充电电路，经变压电路开始为储能装置充电，随着充电的进行，航天器两极间的电位将下降；
4若电源管理系统判读，随着充电进行，电位下降到安全阈值以下，则切断充电电路，停止储能装置的能量转换。
其中，储能装置获得能量适用于为航天器的载荷或负载提供电源。
其中，所述设定的电位差根据航天器具体情况设定，范围通常为800～1500V之间的一定值。
其中，航天器的负载为有效载荷或需要电源供电的系统。
本发明的基于能量转换的航天器电位主动控制系统，能将在GEO轨道运行的航天器可达近万伏的充电电位和达到mA量级的电流，通过不同电位的航天器部件作为能量存储(如蓄电池)充电的两极，将充电电荷导出，从而降低充电电位到安全阈值(如300V以下)，降低了放电的风险，同时可以获得将近10W量级的能量。
附图说明
图1为本发明的基于能量转换的航天器电位主动控制系统结构示意图。
图2为本发明的基于能量转换的航天器电位主动控制系统中电能转化存储器的连接关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的基于能量转换的航天器电位主动控制系统进行进一步说明，该说明仅仅是示例性的，并不旨在限制本发明的保护范围。
参见图1，本发明的基于能量转换的航天器电位主动控制系统，包括上收集极、下收集极，电连接设置在上下收集极之间的电能转化存储器以及检测单元，电能转化存储器与负载进行电连接，其中，上收集极、下收集极分别电连接设置在航天器的电位差异较大的两个部位上或者航天器的电位差异较大的两个部位对应作为上下收集极，当检测单元检测到两极之间的电位差，并通过电源管理系统判断获得的电位差信号是否达到临界电位差(如1000V)，当达到临界电位差时，开启能量转换，为电能转化存储器充电，当电位降低到一定电位例如300V以下时，停止充电，从而实现航天器电位下降到安全阈值(如300V)，实现航天器电位的主动控制，同时，电能转化存储器将其存储的能量为航天器的载荷提供电能，维持其相应地运动。该控制系统能够自动监测航天器的表面充电电位，在达到一定充电电位时，启动储能装置的充电程序，为储能装置充电；当降低到一定电位时，关闭储能装置的充电程序；需要使用能源时，能够启动储能装置的放电程序，通过负载为航天器上设置的太阳能帆板供电，即实现能量转化的自主管理。
本发明的基于能量转换的航天器电位主动控制方法如下：
首先，将航天器上电位差异较大的两个部位分别作为两极，中间连接能量转换装置，由于两极存在电位差，当连接线路导通时，将产生电流，这是实现能量转换的前提。
其次，通过一检测电路对两极电位差进行检测，并通过电源管理系统对获得电位差信号进行判读是否达到需要进行能量转换或为储能装置充电的条件。
第三，若检测电路判读电位差已经达到设定临界电位差或临界阈值(假设为1000V)，联通充电电路，通过变压电路开始为储能装置充电，随着充电的进行，航天器两极间的电位将下降。
第四，若检测电路判读，随着充电进行，电位下降到安全阈值以下(假设为300V)，则切断充电电路，停止储能装置的能量转换。
第五，储能装置获得能量可以为航天器的负载或载荷提供电源。当负载需要电能时，启动放电程序，为负载供电。本发明的基于能量转换的航天器电位主动控制系统中电能转化存储器的连接关系示意图参见图2。
尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.基于能量转换的航天器电位主动控制系统，包括上收集极、下收集极，电连接设置在上下收集极之间的电能转化存储器以及检测单元，电能转化存储器与负载进行电连接，其中，上收集极、下收集极分别电连接设置在航天器的电位差异较大的两个部位上或者航天器的电位差异较大的两个部位对应作为上下收集极，当检测单元检测到两极之间的电位差，并通过电源管理系统判断获得的电位差信号是否达到容易引发放电风险的临界电位差，当达到时，开启能量转换，为电能转化存储器充电，当电位降低到一定电位时，停止充电，从而实现航天器电位下降到安全阈值，实现航天器电位的主动控制，同时，电能转化存储器将其存储的能量为航天器的载荷提供电能，维持其相应地运动。
2.如权利要求1所述的控制系统，其中，航天器电位主动控制系统适用于航天器在GEO轨道的在轨运行期间。
3.如权利要求1所述的控制系统，其中，所述安全阈值根据航天器具体情况设定，范围通常为100～500V。
4.如权利要求1所述的控制系统，其中，所述临界电位差根据航天器具体情况设定，范围通常为800～1500V。
5.如权利要求1所述的控制系统，其中，航天器的负载为航天器的有效载荷或需要电源供电的系统。
6.如权利要求1所述的控制系统，其中，电能转化存储器包括依次电连接的变压电路、电压调理电路和储能装置，当电源管理单元判断获得的电位差信号达到一定的电位差时，通过电压调理电路对变压电路的输出电压调节并将电能存储在储能装置中。
7.基于能量转换的航天器电位主动控制方法，包括如下步骤：
1)将航天器上电位差异较大的两个部位分别作为两极或者在两者上分别电连接设置上下收集极，两极之间连接能量转换装置；
2)通过一检测电路对两极电位差进行检测，并通过电源管理系统对获得的电位差信号进行判读是否达到需要进行能量转换或为储能装置充电的条件；
3)当电源管理系统判读电位差已经达到设定的电位差时，通过电压调理电路连通充电电路，经变压电路开始为储能装置充电，随着充电的进行，航天器两极间的电位将下降；
4)若电源管理系统判读，随着充电进行，电位下降到安全阈值以下，则切断充电电路，停止储能装置的能量转换。
8.如权利要求7所述的方法，其中，储能装置获得能量适用于为航天器的负载或载荷提供电源。
9.如权利要求7所述的方法，其中，所述设定的临界电位差为800～1500V之间的某一定值。
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