CN111348224B - 一种微阴极电弧推进系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微阴极电弧推进系统，通过将传统微阴极电弧推进系统中的电感电路更换为电容电路，由于电容放电方式稳定，能够提高微阴极电弧推力器工作稳定性，并且由于电容在工作过程中内阻较小，从而降低电路额外功率消耗，提高了系统的效率。此外，由于采用脉冲电源，以脉冲方式供电，微阴极电弧推力器输入平均功率大幅降低。

Description

一种微阴极电弧推进系统
技术领域
本发明涉及卫星微推进技术领域，特别是涉及一种微阴极电弧推进系统。
背景技术
微阴极电弧推力器因其具有微功率化、高效率、高比冲、宽范围可调控、低成本等优点而成为微纳卫星的理想电推进类型，可以应用于微纳卫星的轨道保持和编队飞行等任务。传统微阴极电弧推进系统电路如图1所示，功率处理单元(PPU)的功能为推力器提供数百伏的脉冲电压，PPU包括电感、脉冲发生器、IGBT和电阻，其工作原理为：采用感性能量存储方式，由20V直流电源供电，通过绝缘栅双极型晶体管(IGBT)控制电感的充电与放电，当开关闭合时，电感充电；开关断开，电感反压，在推力器上形成数百伏的瞬态高压。电压反压过程中，因为电感具有放电不稳定的特性，反压的不稳定将会直接影响推力器工作的不稳定。另外，由于电感的反压特性，以及电路的布置将会导致PPU电路功耗较大，导致推力器输入功率升高，整体效率降低。
发明内容
本发明的目的是提供一种微阴极电弧推进系统，能够提高推力器工作稳定性以及降低电路额外功耗。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种微阴极电弧推进系统，包括：
电源、电阻、电容、IGBT模块和微阴极电弧推力器；
所述电源正极与所述电阻一端连接，所述电阻另一端分别与所述IGBT模块一端和所述电容一端连接，所述IGBT模块另一端与所述微阴极电弧推力器阳极连接，所述微阴极电弧推力器阴极、所述电容另一端和所述电源负极连接。
可选的，所述IGBT模块，具体包括：
脉冲发生器和IGBT；
所述脉冲发生器与所述IGBT栅极连接，所述IGBT漏极与所述电阻另一端连接，所述IGBT源极与所述微阴极电弧推力器阳极连接。
可选的，所述电源为500V直流电源。
可选的，所述电阻为50kΩ。
可选的，所述电容为0.5μf。
可选的，所述电源为脉冲电源。
可选的，所述微阴极电弧推力器的绝缘层设置在所述微阴极电弧推力器的阴极和阳极之间。
可选的，所述微阴极电弧推进系统，还包括：
永磁铁；
所述永磁铁设置在所述微阴极电弧推力器阴极上。
可选的，所述微阴极电弧推力器阴极、所述电容另一端和所述电源负极均接地。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提出了一种微阴极电弧推进系统，通过将传统微阴极电弧推进系统中的电感电路更换为电容电路，由于电容放电方式稳定，能够提高微阴极电弧推力器工作稳定性，并且由于电容在工作过程中内阻较小，从而降低电路额外功率消耗，提高了系统的效率。
此外，由于采用脉冲电源，以脉冲方式供电，微阴极电弧推力器输入平均功率大幅降低。
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为现有技术中微阴极电弧推进系统电路图；
图2为本发明实施例中微阴极电弧推进系统电路图。
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微阴极电弧推进系统，能够提高推力器工作稳定性、降低推力器输入功率以及降低电路额外功耗。
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为本发明实施例中微阴极电弧推进系统电路图。如图2所示，本发明提供的微阴极电弧推进系统包括：电源、电阻、电容、永磁铁、IGBT模块和微阴极电弧推力器；电源正极与电阻一端连接，电阻另一端分别与IGBT模块一端和电容一端连接，IGBT模块另一端与微阴极电弧推力器阳极连接，微阴极电弧推力器阴极、电容另一端和电源负极连接，微阴极电弧推力器阴极、电容另一端和电源负极均接地。IGBT模块包括：脉冲发生器和IGBT；脉冲发生器与IGBT栅极连接，IGBT漏极与电阻另一端连接，IGBT源极与微阴极电弧推力器阳极连接。微阴极电弧推力器的绝缘层设置在微阴极电弧推力器的阴极和阳极之间，永磁铁设置在微阴极电弧推力器阴极上，电源为脉冲电源。本发明采用电容放电的方式对推力器进行供电，当IGBT断开时，电源为电容充电；充电完成后，IGBT闭合，电容放电，在推力器阴极与阳极两端施加数百幅电压，击穿推力器两极板间形成电弧。本发明的永磁铁也可采用励磁线圈，永磁铁或励磁线圈用于提供磁场。
在本发明实施过程中，功率处理单元(PPU)包括电阻、电容和IGBT模块，PPU所释放的电压将直接施加于微阴极电弧推力器两极板间，电压值的高低将会影响电弧的状态从而对推力器的推进性能产生影响。电容大小将决定PPU单次放电最大电量，在一定范围内，电容的增大有助于提高PPU输出电压的升高；IGBT开关频率将决定PPU能否达到最大放电状态以及PPU对于功率的稳定持续输出。
为达到微阴极电弧推力器稳定工作的目的，应保证PPU可获取足够电能。在电源参数一定的情况下，需要对电容大小，充电时间，以及电路阻值进行设计，可以通过经验公式计算电容充电时间：
τ＝RC
其中，C为电容大小；R为限流充电电阻；τ为充放电时间常数。
本发明采用500V供电，为使推力器输入功率尽可能降低，PPU应在高电压低电流工作状态下工作，为控制电流降低，电阻选择为50kΩ，当电容为0.5μf时，电容充电时间常数为0.025，当时间大于0.125s时，可以认为电容已经完全充满。微阴极电弧推力器击穿瞬间等效电阻一般为几欧姆到几十欧姆量级，与推力器设计参数有关，取等效电阻为10欧姆时，放电时间常数为5×10-6s，理想状况下在25×10-6s可以认为电容放电完毕，因为充电时间(0.125s)远大于放电时间(25×10-6s)，因此IGBT开关频率最大可以工作在8Hz，在此参数下，推力器可以以低功率状态进行稳定高效的工作。
本发明改变PPU电路，由500V直流电源进行供电，采用放电更加平稳的电容放电方式代替传统的电感放电方式，从而稳定推力器工作，由于电容充放电特性，输入电源脉冲式工作，从而降低推力器平均输入功率，并且由于电容在工作过程中内阻较小从而降低PPU电路中的额外功率消耗。本发明采用幅值相同的电压对微阴极电弧推力器进行放电工作，提高放电重复性有利于提高推力器工作寿命。本发明解决了微阴极电弧推进系统中PPU电路功耗问题，电容放电期间，输入电源不对PPU电路进行功率输入，输入电源脉冲式工作，从而达到降低推力器输入功率的目的。
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 (5)

1.一种微阴极电弧推进系统，其特征在于，包括：
电源、电阻、电容、IGBT模块和微阴极电弧推力器；
所述电源正极与所述电阻一端连接，所述电阻另一端分别与所述IGBT模块一端和所述电容一端连接，所述IGBT模块另一端与所述微阴极电弧推力器阳极连接，所述微阴极电弧推力器阴极、所述电容另一端和所述电源负极连接；所述IGBT模块，具体包括：脉冲发生器和IGBT；所述脉冲发生器与所述IGBT栅极连接，所述IGBT漏极与所述电阻另一端连接，所述IGBT源极与所述微阴极电弧推力器阳极连接；
所述电阻为50kΩ；所述电容为0.5μf；通过经验公式计算电容充电时间：
τ＝RC
其中，C为电容大小；R为限流充电电阻；τ为充放电时间常数；
当电阻为50kΩ，电容为0.5μf时，电容充电时间常数为0.025，当时间大于0.125s时，电容完全充满；取微阴极电弧推力器击穿瞬间等效电阻为10欧姆时，放电时间常数为5×10- 6s，理想状况下在25×10-6s电容放电完毕，因为充电时间0.125s远大于放电时间25×10-6s，因此IGBT开关频率最大能够工作在8Hz；
所述电源为脉冲电源，用于降低微阴极电弧推力器的输入功率；采用幅值相同的电压对微阴极电弧推力器进行放电工作，用于提高放电重复性以提高微阴极电弧推力器的工作寿命。
2.根据权利要求1所述的微阴极电弧推进系统，其特征在于，所述电源为500V直流电源。
3.根据权利要求1所述的微阴极电弧推进系统，其特征在于，所述微阴极电弧推力器的绝缘层设置在所述微阴极电弧推力器的阴极和阳极之间。
4.根据权利要求1所述的微阴极电弧推进系统，其特征在于，所述微阴极电弧推进系统，还包括：
永磁铁；
所述永磁铁设置在所述微阴极电弧推力器阴极上。
5.根据权利要求1所述的微阴极电弧推进系统，其特征在于，所述微阴极电弧推力器阴极、所述电容另一端和所述电源负极均接地。
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