CN108561283A - 一种霍尔推力器点火装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种霍尔推力器点火装置及方法。该装置中放电单元高压侧与滤波单元的第一输入端连接，低压侧与滤波单元的第二输入端连接；滤波单元的第一输出端与充电电阻的一端、二极管的负极和霍尔推力器的阳极相连，滤波单元的第二输出端与充电电容的一端和霍尔推力器的阴极相连；充电电阻的另一端、充电电容的另一端、限流电阻的一端和二极管的正极连接在一起；限流电阻R3的另一端与点火开关的一端串联，点火开关的另一端与霍尔推力器的阴极触持极相连；加热单元的低压侧与放电单元的低压侧相连，加热单元的高压侧与霍尔推力器的阴极相连。本发明能够简化点火电源技术设计复杂度，缩小电源占用空间装置的有效载荷质量和体积，提升点火的可靠性。

Description

一种霍尔推力器点火装置及方法

技术领域

本发明涉及霍尔效应电推力器技术领域，特别是涉及一种霍尔推力器点火装置及方法。

背景技术

霍尔推力器因其具有简单的结构、适当的比冲和较高的效率被广泛应用于卫星位置保持、轨道变换等空间推进任务。点火启动过程作为推力器在轨运行的第一步，也是最关键的一步。图1为背景技术中霍尔推力器点火装置结构示意图，如图1所示，传统的霍尔推力器一般经过下面几个过程完成点火并实现持续稳定放电：首先，阴极供给一定量氙气，闭合加热电源开关S3对阴极加热器通入电流加热阴极发射体，直到发射体温度基本达到发射温度。在阴极加热过程中，闭合放电电源S1给滤波单元中的电容C1充电。随后，电容C1放电施加电能给阳极，使其与阴极形成放电电压，通过供气装置给阳极供气，并把励磁电流调至所需磁场强度对应值。闭合点火电源开关S4通过充电电阻R2对充电电容C2充电，然后闭合点火开关S2使得充电电容C2向阴极触持极施加电压，在阴极触持极和阴极负极之间建立电场，引出电子。阴极发射的部分电子通过等离子桥进入通道内，受到径向磁场的作用做周向霍尔漂移运动，同时，通过电势降的加速作用升温，当其能量达到工质原子电离能后，与原子碰撞实现电离，导致离子密度增加，电离产生的电子会进一步促进电离的发展，形成工质电离雪崩效应。此时，通道内氙原子瞬间被击穿，推力器点火成功。

现有的点火方式中当闭合放电电源开关S1后，向滤波模块中电容C1充电，但是无法直接在阴极触持极和阴极负极之间形成一个电场，引出电子，需要单独通过一个附加的高压点火电源和一个可控的点火开关给阴极的触持极加入高压，实现对霍尔推力器的点火启动，但是其存在着高压电源技术复杂，电源占用空间装置的有效载荷质量和体积多的限制。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单，额外质量和体积较小的霍尔推力器点火装置及方法。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种霍尔推力器点火装置，包括：

放电单元、滤波单元、点火回路单元、霍尔推力器和加热单元；所述点火回路单元包括充电电阻R2、充电电容C2、限流电阻R3、点火开关S2和二极管D；

所述放电单元高压侧与所述滤波单元的第一输入端连接，所述放电单元的低压侧与所述滤波单元的第二输入端连接；所述滤波单元的第一输出端与所述充电电阻R2的一端、所述二极管D的负极和所述霍尔推力器的阳极相连，所述滤波单元的第二输出端与所述充电电容C2的一端和所述霍尔推力器的阴极相连；所述充电电阻R2的另一端、所述充电电容C2的另一端、所述限流电阻R3的一端和所述二极管D的正极连接在一起；所述限流电阻R3的另一端与所述点火开关S2的一端串联，所述点火开关S2的另一端与所述霍尔推力器的阴极触持极相连；所述加热单元的低压侧与所述放电单元的低压侧相连，所述加热单元的高压侧与所述霍尔推力器的阴极相连。

可选的，所述放电单元包括放电电源和放电电源开关S1，放电电源与放电电源开关S1相连。

可选的，所述滤波单元包括电感L1、电阻R1和电容C1，所述电感L1与所述电阻R1并联后形成的两端中的一端与所述放电单元高压侧相连，另一端与所述电容C1的一端相连，所述电容C1的另一端与所述放电单元低压侧相连。

可选的，所述霍尔推力器包括励磁线圈，所述励磁线圈与励磁电流电源连接，所述励磁电流电源向所述励磁线圈中通入励磁电流，用于调节所述霍尔推力器的磁场强度。

可选的，所述霍尔推力器还包括阴极加热器和阴极发射体，所述阴极加热器覆盖在所述阴极加热体上，用于对所述阴极发射体加热。

可选的，所述加热单元包括加热电源和加热电源开关S3，所述加热电源与所述加热电源开关S3相连，所述加热单元用于对所述阴极加热器通入电流加热阴极发射体，使阴极发射体温度达到发射温度。

本发明还提供了一种霍尔推力器点火方法，应用于上述的霍尔推力器点火装置，所述霍尔推力器点火方法具体包括：

供气装置向霍尔推力器阴极供给氙气后，闭合加热电源开关S3，对霍尔推力器阴极加热器通入电流加热霍尔推力器阴极发射体，直到所述霍尔推力器阴极发射体温度达到发射温度；

闭合放电电源开关S1，对电容C1和充电电容C2充电；

通过供气装置给霍尔推力器阳极供氙气，并把励磁电流调至所需磁场强度对应值；

闭合点火开关S2，充电电容C2对限流电阻R3放电，在霍尔推力器阴极触持极和霍尔推力器阴极的负极之间建立电场，引出电子。

可选的，所述闭合放电电源开关S1具体包括：

在霍尔推力器阴极加热过程中闭合所述放电电源开关S1。

可选的，所述闭合点火开关S2具体包括：

利用所述点火开关S2的闭合和断开向所述限流电阻R3放电，从而在所述霍尔推力器阴极和阳极建立强电场使霍尔推力器点火成功。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提出了一种霍尔推力器点火装置及方法，霍尔推力器点火回路引出电子所需的电能由放电电源提供，无需附加的高压点火电源便可实现对霍尔推力器的点火启动，简化了点火电源技术设计复杂度，缩小了电源占用空间装置的有效载荷质量和体积；由于充电电容C2通过限流电阻R3向阴极触持极传输的较低的电能就可以在阴极触持极和阴极负极之间建立电场，引出电子，电容C2上多余的电能会通过二级管D流向推力器阳极，并且电容C1上的电能也会施加在霍尔推力器阳极，因此在霍尔推力器阳极上施加的电能大于现有点火方法，从而提升了点火可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为背景技术中霍尔推力器点火装置结构示意图；

图2为本发明实施例中霍尔推力器点火装置结构示意图；

图3为本发明实施例中霍尔推力器阴极结构示意图；

图4为本发明实施例中霍尔推力器点火方法流程图；

其中，图3中的501为阴极加热器，502为阴极发射体，503为阴极套管，504为热屏，505为孔板，506为钨顶孔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种结构简单，额外质量和体积较小的霍尔推力器点火装置及方法。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

图2为本发明实施例霍尔推力器点火装置结构示意图。

图3为本发明实施例中霍尔推力器阴极结构示意图。

如图2和图3所示，本发明提供的霍尔推力器点火装置包括：放电单元、滤波单元1、点火回路单元2、霍尔推力器和加热单元。放电单元包括放电电源E1和放电电源开关S1，放电电源E1与放电电源开关S1相连。滤波单元1包括电感L1、电阻R1和电容C1，电感L1与电阻R1并联后形成的两端中的一端与放电单元高压侧相连，另一端与电容C1的一端相连，电容C1的另一端与放电单元低压侧相连。点火回路单元2包括充电电阻R2、充电电容C2、限流电阻R3、点火开关S2和二极管D。霍尔推力器包括励磁线圈3，励磁线圈3与励磁电流电源E4连接，励磁电流电源E4向励磁线圈3中通入励磁电流，用于调节所述霍尔推力器的磁场强度。霍尔推力器还包括阴极加热器501和阴极发射体502，阴极加热器501覆盖在阴极发射体502上，用于对阴极发射体502加热。加热单元包括加热电源E3和加热电源开关S3，加热电源E3与加热电源开关S3相连，加热单元用于对阴极加热器501通入电流加热阴极发射体502，使阴极发射体502温度达到发射温度。

放电单元高压侧与滤波单元1的第一输入端连接，放电单元的低压侧与滤波单元1的第二输入端连接；滤波单元1的第一输出端与充电电阻R2的一端、二极管D的负极和霍尔推力器的阳极6相连，滤波单元1的第二输出端与充电电容C2的一端和霍尔推力器的阴极5相连；充电电阻R2的另一端、充电电容C2的另一端、限流电阻R3的一端和二极管D的正极连接在一起；限流电阻R3的另一端与点火开关S2的一端串联，点火开关S2的另一端与霍尔推力器的阴极触持极4相连；加热单元的低压侧与放电单元的低压侧相连，加热单元的高压侧与霍尔推力器的阴极5相连。

其中，电阻R1＝100Ω，充电电阻R2＝10kΩ，限流电阻R3＝15Ω，电容C1和充电电容均为10μF，电感L1＝0.1mH。

图4为本发明实施例中霍尔推力器点火方法流程图。

参见图4，该霍尔推力器点火方法具体包括：

步骤401：供气装置向霍尔推力器阴极5供给氙气；

步骤402：闭合加热电源开关S3，对霍尔推力器阴极加热器通入电流加热霍尔推力器阴极发射体，直到霍尔推力器阴极发射体温度达到发射温度；

步骤403：在霍尔推力器阴极加热过程中闭合所述放电电源开关S1，对电容C1和充电电容C2充电；

步骤404：通过供气装置给霍尔推力器阳极6供氙气；

步骤405：把励磁电流调至所需磁场强度对应值；

步骤406：闭合点火开关S2，充电电容C2对限流电阻R3放电，在霍尔推力器阴极触持极4和霍尔推力器阴极的负极之间建立电场，引出电子。

通过点火开关S2的闭合和断开向所述限流电阻R3放电，从而在所述霍尔推力器阴极和阳极建立强电场。同时，充电电容C2上多余的电能会通过二级管D流向推力器阳极，并且电容C1上的电能也会施加在霍尔推力器阳极，在霍尔推力器阳极和阴极之间建立强电场。

阴极发射的部分电子通过等离子桥进入通道内，受到径向磁场的作用做周向霍尔漂移运动，同时，通过电势降的加速作用升温，当其能量达到工质原子电离能后，与原子碰撞实现电离，导致离子密度增加，电离产生的电子会进一步促进电离的发展，形成工质电离雪崩效应。此时，通道内氙原子瞬间被击穿，推力器点火成功。

实施例二

本实施例与实施例一的不同点在于限流电阻R3＝10Ω，二极管D采用多个二极管串联反向截止电压大于点火电压，其它组成和连接关系与实施例一相同。

实施例三

本实施例与实施例一的不同点在于限流电阻R3＝5Ω，二极管D采用多个二极管串联反向截止电压大于点火电压，其它组成和连接关系与实施例一相同。

较小的限流电阻R3可以使充电电容C2上的电能更多的施加在阴极触持极4上，从而更快的引出电子，提升点火可靠性和缩短点火时间。但是限流电阻R3不能无限小，否则充电电容C2上的电能会全部瞬间施加在阴极触持极4上，对阴极触持极4冲击很大，造成霍尔推力器阴极5损坏。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种霍尔推力器点火装置，其特征在于，包括：

放电单元、滤波单元、点火回路单元、霍尔推力器和加热单元；所述点火回路单元包括充电电阻R2、充电电容C2、限流电阻R3、点火开关S2和二极管D；

所述放电单元高压侧与所述滤波单元的第一输入端连接，所述放电单元的低压侧与所述滤波单元的第二输入端连接；所述滤波单元的第一输出端与所述充电电阻R2的一端、所述二极管D的负极和所述霍尔推力器的阳极相连，所述滤波单元的第二输出端与所述充电电容C2的一端和所述霍尔推力器的阴极相连；所述充电电阻R2的另一端、所述充电电容C2的另一端、所述限流电阻R3的一端和所述二极管D的正极连接在一起；所述限流电阻R3的另一端与所述点火开关S2的一端串联，所述点火开关S2的另一端与所述霍尔推力器的阴极触持极相连；所述加热单元的低压侧与所述放电单元的低压侧相连，所述加热单元的高压侧与所述霍尔推力器的阴极相连。

2.根据权利要求1所述的霍尔推力器点火装置，其特征在于，所述放电单元包括放电电源和放电电源开关S1，放电电源与放电电源开关S1相连。

3.根据权利要求1所述的霍尔推力器点火装置，其特征在于，所述滤波单元包括电感L1、电阻R1和电容C1，所述电感L1与所述电阻R1并联后形成的两端中的一端与所述放电单元高压侧相连，另一端与所述电容C1的一端相连，所述电容C1的另一端与所述放电单元低压侧相连。

4.根据权利要求1所述的霍尔推力器点火装置，其特征在于，所述霍尔推力器包括励磁线圈，所述励磁线圈与励磁电流电源连接，所述励磁电流电源向所述励磁线圈中通入励磁电流，用于调节所述霍尔推力器的磁场强度。

5.根据权利要求1所述的霍尔推力器点火装置，其特征在于，所述霍尔推力器还包括阴极加热器和阴极发射体，所述阴极加热器覆盖在所述阴极加热体上，用于对所述阴极发射体加热。

6.根据权利要求5所述的霍尔推力器点火装置，其特征在于，所述加热单元包括加热电源和加热电源开关S3，所述加热电源与所述加热电源开关S3相连，所述加热单元用于对所述阴极加热器通入电流加热阴极发射体，使阴极发射体温度达到发射温度。

7.一种霍尔推力器点火方法，其特征在于，应用于如权利要求1-6中任意一项所述的霍尔推力器点火装置，所述霍尔推力器点火方法具体包括：

通过供气装置向霍尔推力器阴极供给氙气后，闭合加热电源开关S3，对霍尔推力器阴极加热器通入电流加热霍尔推力器阴极发射体，直到所述霍尔推力器阴极发射体温度达到发射温度；

闭合放电电源开关S1，对电容C1和充电电容C2充电；

通过所述供气装置给霍尔推力器阳极供氙气，并把励磁电流调至所需磁场强度对应值；

闭合点火开关S2，充电电容C2对限流电阻R3放电，在霍尔推力器阴极触持极和霍尔推力器阴极的负极之间建立电场，引出电子。

8.根据权利要求7所述的霍尔推力器点火方法，其特征在于，所述闭合放电电源开关S1具体包括：

在霍尔推力器阴极加热过程中闭合所述放电电源开关S1。

9.根据权利要求7所述的霍尔推力器点火方法，其特征在于，所述闭合点火开关S2具体包括：

利用所述点火开关S2的闭合和断开向所述限流电阻R3放电，从而在所述霍尔推力器阴极和阳极建立强电场使霍尔推力器点火成功。