CN107559164A - 一种变推力微波ecr推进系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变推力微波ECR推进系统，包含：离子推力器控制单元，将控制信号给到微波供给单元、电源处理单元、推进剂供给与调节单元和推力器集合；微波供给单元，其从星载计算机总线侧获取稳压电源，其用于向推力器集合提供微波输入；电源处理单元，其获取非稳压电源，其用于为推力器集合提供加速电源输入；推进剂供给与调节单元，用于为推力器集合提供推进剂；推力器集合，其接收微波、加速电源和推进剂的输入，进行工作，产生推力；该推力器集合包含主推力器、备份推力器以及推力器指向调节机构；所述的主推力器和备份推力器相同，分别由放电室，栅极加速系统和中和器组成，且栅极上游的等离子体密度以及栅极的电势同时改变。

Description

一种变推力微波ECR推进系统及方法

技术领域

本发明涉及一种变推力微波ECR推进系统及方法。

背景技术

随着航天技术的不断进步和人类航天活动的不断增加，为满足未来科学研究、技术验证、卫星通讯、深空探测以及军事任务的要求，离子推进系统在未来航天中的应用将愈来愈广泛，世界各国都在加紧相关技术的研究。

未来对于航天器姿态控制，高度控制，入轨精度等方面的要求将会更高，而航天器所执行任务的复杂程度也会不断提高。为了适应多种多样的任务需求与复杂的空间环境，变推力、多模式离子推力器已是未来发展的重点方向之一。

微波ECR是微波电子回旋共振的简称，在ECR离子推力器的研制方面，日本起步于上世纪八十年代，是研究最为成功的国家。其主要研究单位是从属于宇宙航空开发机构(JAXA)的宇宙科学研究本部(ISAS)，发展了“μx”系列的推力器(“x”代表推力器的加速栅极的有效直径)。

1997年日本研制出第一台应用于“隼鸟号(HAYABUSA)”深空探测器ECR离子推力器。在4.2GHz、400W的微波输入条件下，该推力器的实际离子流为140mA、推力8.1mN、比冲2900s，离子消耗功为230W/A，推进剂利用率为88％。在“隼鸟号”成功的基础上，日本继续开发了“隼鸟二号(HAYABUSA-2)”小行星探测器。该探测器将于2014年12月3日发射升空，预计2018年到达在地球和火星之间轨道上运行的小行星1999JU3，并于2020年携带采样返回地球。“隼鸟二号”搭载了改进型的“μ10”离子推力器。改进型“μ10”离子推力器的推力达到10mN，综合性能提高了20％。“μ10”离子推力器在“隼鸟二号”上的沿用说明了ECR离子推力器的发展已经日渐成熟。

从变推力的角度而言，现在主要的变推力策略有两种，(1)采用改变栅极电压快速调节机制，(2)改变推进剂流率慢速调节机制。目前，改变推进剂流率的方法由于机构设计难度相对较小，控制简单，是现有的变推力离子推力器型号主要采用的变推力方式。对于变栅极电压的方式改变推力，目前主要的困难在于如何使推力器在栅极电势的的变化情况下保持稳定工作。在实际的工程操作中，栅极电势的变化会引起推力器内电场分布的突变，而系统恢复稳定工作之前，这种电场分布的突变会对推力器产生何种影响及其机理目前尚在研究中。但由于改变栅极电压调节推力的方法在调节精度和调节速度上均有优势，这种调节推力的方法必将在未来广泛得到利用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种变推力微波ECR推进系统及方法，采用变流量推力调节方式与变加速电压推力调节方式相结合，实现较大的推力调节范围的同时保证较高的推力调节精度。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种变推力微波ECR推进系统，其特征是，包含：

离子推力器控制单元，其从星载计算机总线侧获取稳压电源，其用于获取遥测信号，产生控制信号，将控制信号给到微波供给单元、电源处理单元、推进剂供给与调节单元和推力器集合；

微波供给单元，其从星载计算机总线侧获取稳压电源，其用于向推力器集合提供微波输入；

电源处理单元，其从星载计算机总线侧获取非稳压电源，其用于为推力器集合提供加速电源输入；

推进剂供给与调节单元，用于为推力器集合提供推进剂；

推力器集合，其接收微波、加速电源和推进剂的输入，进行工作，产生推力；该推力器集合包含主推力器、备份推力器以及推力器指向调节机构；所述的主推力器和备份推力器相同，分别由放电室，栅极加速系统和中和器组成，且栅极上游的等离子体密度以及栅极的电势同时改变。

上述的变推力微波ECR推进系统，其中：

加速栅的电压配置为Va＝-200V。

一种变推力微波ECR推进系统的调节方法，其特征是：

通过改变推进剂流量保证推力范围，通过改变加速电压保证推力的精度。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、采用变流量推力调节方式与变加速电压推力调节方式相结合，实现较大的推力调节范围以及较高的推力调节精度；

2、首先通过变流量推力调节进行推力“粗调”，通过改变栅极上游的等离子体密度来调节通过栅极系统的离子数量；然后通过变加速电压推力调节进行推力“精调”，通过改变离子经过栅极加速之后所获得的能量，从而调节离子的喷射速度，以此来调节推力。

附图说明

图1为本发明的系统连接关系图。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

变推力离子推力器总体设计时，主要需要考虑以下几条原则：a、变推力范围、精度符合需求；b、比冲较高；c、功耗较低。本发明提出的变推力微波ECR推进系统通过将变流量推力调节和变加速电压推力调节相结合，前者实现较大的推力调节范围，后者实现了较高的推力调节精度。最佳的加速栅电压配置Va＝-200V，可保证推力范围在5mN-15mN可调，推力精度达6.5μN/V，比冲范围2400s-2800s。

所述的变流量推力调节的实质是通过调节推进剂的流量来改变栅极上游的等离子体密度，以此来调整通过栅极系统的离子数量，而离子数量的变化自然也会引起推力的变化。该变流量调节推力方式的主要优势在于可以基本保持良好聚焦的状态下实现15mN及以上的大推力，推力的整体调节范围较大。从数值模拟的结果来看，在屏栅孔径3mm、加速栅孔径1.8mm、总孔数880、加速电压范围600V-4300V的条件下，当等离子体密度在1.18×10¹⁷m^-3～4.5×10¹⁷m^-3范围下时，推力的变化范围达到了7.64mN～23.91mN。这个推力调节范围是大于变加速电压调节推力的方式的。在这个推力调节范围下，栅极系统的聚焦状况有所起伏，但总体保持在千分之二以下，均属于良好聚焦的范围。

所述的变加速电压推力调节的实质是通过调节加速电压来改变离子经过栅极加速之后所获得能量，从而调节离子的喷射速度，以此来调节推力。变加速电压调节推力的主要优势在于达到较高推力也可以达到较高比冲。从数值模拟的结果来看，对于变加速电压推力调节方法，当推力达到15mN时，比冲可以达到5000s以上，这个比冲是非常高的。另一优势在于，由于栅极的电势可以精确控制，变加速电压方法也更便于实现推力的高精度调节。在900V-4300V的电压范围下，推力的变化范围是约为5mN-15mN，显然，如果通过变加速电压方法调节推力，可以保证较高的推力分辨率。

对于变推力离子推力器而言，既要有较宽的推力调节范围，又要保证较高的推力调节精度。基于上文，由于变流量推力调节方式无法调节比冲，变加速电压推力调节方式难以实现15mN以上的高推力。因此，将变流量推力调节方式与变加速电压推力调节方式相结合是较好的选择。通过变流量推力调节方式可以实现较大的推力调节范围，同时通过变加速电压推力调节方式可以实现较高的推力调节精度。

较佳的，折中推力调节策略为对于变推力离子推力器而言，既要有较宽的推力调节范围，又要保证较高的推力调节精度。由于变流量推力调节方式无法调节比冲，变加速电压推力调节方式难以实现15mN以上的高推力。ECR离子推力器由于其电离工质气体的原理的限制，想要通过电离过程精确控制等离子体密度从而精确调节推力具有一定的难度，因此，对于变推力ECR离子推力器而言，应采用变加速电压与变推进剂流量相结合的方式来控制推力，以保证变推力范围、精度符合需求。通过变推进剂流量的方式才实现推力的“粗调”以保证推力范围，而通过变加速电压的方式“精调”以保证推力的精度。

除了推力问题，另一个需要考虑的方面就是推力器的功耗问题。经测算，栅极的束流引出电功率是离子推力器的主要功耗。加速电压V_T较高时虽然可以获得较高的比冲，但束流引出电功率也会较高。因此，选择加速电压V_T时应保证比冲与功率的平衡。

以此上原则为基准，综合数值模拟的结果，将变推力ECR离子推力器的推力范围设定为5mN-15mN。同时考虑到总功率不宜过高，确定栅极的标准工作电压为1100V(Va＝-200V)。

栅极系统具体参数范围如下表1：

表1变推力ECR离子推力器参数

加速电压范围(V)	900—1300
		屏栅电压范围(V)	700—1100
加速栅电压(V)	-200
		推进剂流量范围(sccm)	1.69—4.4
推力器总功耗范围(W)	138.98—444.29
		推力范围(mN)	5—15
推力精度(μN/V)	6.5
		比冲范围(s)	2400—2800

表2变推力ECR离子推力器在三个典型推力下的详细参数：

推力(mN)	5	8	15
				比冲(s)	2200	2600	2600
引出束流(mA)	118.15	166	311.25
				加速电压(V)	900	1100	1100
屏栅电压(V)	700	900	900
				加速栅电压(V)	-200	-200	-200
放电室推进剂流量(sccm)	1.27	1.76	3.29
				中和器推进剂流量(sccm)	0.42	0.59	1.11
总推进剂流量(sccm)	1.69	2.35	4.4
				束流引出功率(W)	106	182.6	342.4
放电室功率(W)	26.5	45.65	85.5
				中和器总功率(W)	6.48	9.08	16.39
推力器总功率(W)	138.98	237.33	444.29

表2是变推力ECR离子推力器在三个典型推力下的详细参数。根据经验公式，束流引出功率与放电室功率之比接近4:1。需要说明的是，为了控制推力器的总功率，最大推力15mN依然是在1100V的加速电压下实现的。另外，表格中的中和器参数参考了日本“隼鸟号”探测器上所应用的“μ10”ECR离子推力器中和器的相关数据。

图1就是变推力ECR离子推力器的系统方案图，整个离子推力器主要分为：离子推力器控制单元1ITCU、微波供给单元2MPU、电源处理单元3IPPU、推进剂供给与调节单元5PMU、以及推力器集合4ITA；其中，推力器集合4ITA包括主推力器，备份推力器以及推力器指向调节机构6ITPM。

推进剂供给与调节单元5MPU担负了推力器以及中和器中的推进剂供能，电源处理单元3IPPU担负推力器以及中和器引出束流的功耗以及推力器指向调节机构6ITPM的功耗，离子推力器控制单元1ITCU、微波供给单元2MPU分别从稳压电源获能，电源处理单元3IPPU从非稳压电源获能。

变推力ECR离子推力器的系统的工作原理：

离子推力控制单元1ITCU从稳压电源获能，接收遥测信号/指令，进行控制算法解算，并分发控制指令到微波供给单元2MPU、电源处理单元3IPPU、推进剂供给与调节单元5PMU、推力器指向调节机构6ITPM处。微波供给单2MPU从稳压电源获能，接收控制指令，将微波输入到推力器集合4ITA处；电源处理单元3IPPU从非稳压电源获能，接收控制指令，将加速电源输入到推力器集合4ITA处；推进剂供给与调节单元5PMU接收控制指令，将推进剂供给到推力器集合4ITA处；推力器集合4ITA接收微波、加速电源和推进剂的输入，进行工作，产生推力；推力器指向控制机构5ITPM接收离子推力器控制单元1ITCU的控制指令，调节推力器指向，当离子推力器控制单元1ITCU控制信号出现异常时，从高度控制获取控制信号。加热器控制保证整个系统的工作温度在正常范围内。

根据之前的数值模拟结果，各分系统功耗指标分配如下表3：

表3各分系统功耗指标分配

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (3)

1.一种变推力微波ECR推进系统，其特征在于，包含：

离子推力器控制单元（1），其从星载计算机总线侧获取稳压电源，其用于获取遥测信号，产生控制信号，将控制信号给到微波供给单元（2）、电源处理单元（3）、推进剂供给与调节单元（5）和推力器集合（4）；

微波供给单元（2），其从星载计算机总线侧获取稳压电源，其用于向推力器集合（4）提供微波输入；

电源处理单元（3），其从星载计算机总线侧获取非稳压电源，其用于为推力器集合（4）提供加速电源输入；

推进剂供给与调节单元（5），用于为推力器集合（4）提供推进剂；

推力器集合（4），其接收微波、加速电源和推进剂的输入，进行工作，产生推力；该推力器集合（4）包含主推力器、备份推力器以及推力器指向调节机构（6）；所述的主推力器和备份推力器相同，分别由放电室，栅极加速系统和中和器组成，且栅极上游的等离子体密度以及栅极的电势同时改变。

2.如权利要求1所述的变推力微波ECR推进系统，其特征在于：

加速栅的电压配置为Va=-200V。

3.一种变推力微波ECR推进系统的调节方法，其特征在于：

通过改变推进剂流量保证推力范围，通过改变加速电压保证推力的精度。