CN111490585B - 一种深空撞击探测高冲击环境下系统辅助供电装置 - Google Patents

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Abstract

一种深空撞击探测高冲击环境下系统辅助供电装置，由压电系统实现，撞击器中数据采集系统的供电由电池和压电系统共同完成，其中电池为主供电方，压电系统为辅助供电方。当撞击器受到高过载冲击时，压电系统利用撞击过程的加速度产生电能，用于为数据采集系统辅助供电。本发明的深空撞击探测高冲击环境下系统辅助供电装置，利用撞击过程产生的大过载进行发电，为数据采集系统进行供电，避免了电池在大冲击过载下损坏时对数据采集系统的影响，从而有效实现数据采集系统的可靠工作。

Description

一种深空撞击探测高冲击环境下系统辅助供电装置
技术领域
本发明涉及一种深空撞击探测高冲击环境下系统辅助供电装置，属于深空探测飞行器技术领域。
背景技术
随着空间技术的发展与进步，深空探测的手段由最初的飞越探测发展到环绕、着陆、巡视、采样等多方式组合探测，实现环绕到着陆、表面到内部的跨越，正在向立体探测、内部深度探测方向发展。撞击探测是实现内部探测的高效手段，具有结构简单可靠、集成度高、配置灵活的特点，消耗较少资源即可侵彻到天体内部。
撞击器配置数据采集系统，记录撞击过程受到的过载，以反演小行星表面物质结构组成。侵彻过程撞击器将受到高过载冲击，给数据采集系统供电成为需要解决的重要问题。目前通常采用高加固的电池进行供电，在侵彻过程中电池需重点防护，但电池在大冲击过载下较易损坏，给数据采集系统的可靠工作带来较大风险。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种深空撞击探测高冲击环境下系统辅助供电装置，作为一种辅助供电手段，可利用撞击过程产生的大过载进行发电，为数据采集系统进行供电，将有效实现数据采集系统的可靠工作。
本发明的技术解决方案是：
一种深空撞击探测高冲击环境下系统辅助供电装置，所述辅助供电装置由压电系统实现，压电系统安装在撞击器内部，撞击器中数据采集系统的供电由撞击器中的电池和压电系统共同完成，其中电池为主供电方，压电系统为辅助供电方，当撞击器受到高过载冲击时，压电系统利用撞击过程的加速度产生电能，用于为数据采集系统辅助供电。
压电系统包括压电元件、电容器、保险丝和二极管，压电元件的正极与二极管的正极连接，二极管的负极与数据采集系统的电源正输入端连接，压电元件的负极与数据采集系统的电源负输入端连接；电容器的一端与二极管的负极连接，另一端与保险丝的一端连接，保险丝的另一端与压电元件的负极连接；
压电元件利用撞击过程的加速度产生电压，为后部的电容器充电，进而为数据采集系统供电。
压电元件由多片压电材料串联形成。
压电材料为石英、铁电陶瓷或高分子压电薄膜。
压电元件利用撞击过程的加速度产生电压U，电压U按下式计算：
Figure BDA0002433940410000021
其中，Q为压电元件表面聚集的电荷，C为压电元件等效电容，k为纵向压电系数，A为压电元件的面积，δ为压电元件的厚度，m为压电元件质量，a为撞击过程压电元件受到的加速度，ε0为真空介电常数。
系统供电方法如下：
(1)撞击器接触目标前，电池为数据采集系统供电；
(2)撞击器撞上目标瞬间，触发电容器；
(3)撞击器撞击目标过程中，产生的加速度使得压电元件内部产生过载，进而在表面聚集电荷，形成电压，此时压电元件等效为一个电压源，为后部的电容器充电，电容器再为数据采集系统供电。
电容器事先带有电量，能够满足数据采集系统工作的电量需求。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明的深空撞击探测高冲击环境下系统辅助供电装置，利用撞击过程产生的大过载进行发电，为数据采集系统进行供电，避免了电池在大冲击过载下损坏时对数据采集系统的影响，从而有效实现数据采集系统的可靠工作。
(2)本发明压电系统在压电元件后部串联一个二极管，能够有效防止电容在充电后反向放电；
(3)本发明压电系统在电容后部串联一个保险丝，如果电容放电产生大电流则自动熔断，以保护数据采集系统。
附图说明
图1为撞击器整体剖面图；
图2为压电系统的连接方式；
图3为典型的撞击侵彻过程产生的过载。
具体实施方式
数据采集系统仅在侵彻过程中工作，因此本发明利用侵彻过程产生的大冲击进行发电，作为一种辅助供电手段，将有效实现数据采集系统的可靠工作。
如图1所示，本发明提出的辅助供电装置通过压电系统实现，因此深空撞击器由本体1、数据采集系统2、电池3、压电系统4组成。数据采集系统2、电池3、压电系统4均位于本体1中。数据采集系统的供电由电池3和压电系统4共同完成，其中电池3为主供电方，压电系统4为辅助供电方。压电系统4位于数据采集系统前端；当撞击器受到高过载冲击、电池3损坏时，系统自动切换由压电系统4供电，此时压电系统4利用撞击过程的加速度产生电能，用于为数据采集系统2辅助供电；数据采集系统2用于记录撞击过程受到的过载。
其中压电系统4连接方式如图2所示。
压电系统4包括压电元件5、电容器6、保险丝7和二极管8，压电元件5的正极与二极管8的正极连接，二极管8的负极与数据采集系统2的电源正输入端连接，压电元件5的负极与数据采集系统2的电源负输入端连接；电容器6的一端与二极管8的负极连接，另一端与保险丝7的一端连接，保险丝7的另一端与压电元件5的负极连接。
压电元件5利用撞击过程的加速度产生电压，为后部的电容器6充电，进而为数据采集系统供电。
为了提高撞击过程中压电元件产生的电压，压电元件5由多片压电材料串联形成。
压电元件5利用撞击过程的加速度产生电压U，电压U按下式计算：
Figure BDA0002433940410000041
其中，Q为压电元件表面聚集的电荷，C为压电元件等效电容，k为纵向压电系数，A为压电元件的面积，δ为压电元件的厚度，m为压电元件质量，a为撞击过程压电元件受到的加速度，ε0为真空介电常数。
撞击器撞击目标时，典型的过载曲线如图3所示。过载最大约数万g，持续时间约1ms。
系统供电方法如下：
撞击器接触目标前，电池3为数据采集系统2供电；
撞击器撞上目标瞬间，触发电容器6，电容器6事先带有电量，保证即使电池3损坏，数据采集系统仍能正常工作。
设数据采集系统功耗约0.5W，撞击过程数据采集时间约1ms，则所需的电量约为5×10-4J。电容器6事先带有电量，其电荷量为2×10-5C，电容为1μF，则电容器6可提供的电量为2×10-4J。压电元件采用5层，每层直径100mm，厚度5mm，撞击过程受到的平均过载约1.5×104g，则压电系统可产生的电量约3.5×10-4J，可以满足数据采集系统的电量需求。
高速撞击过程时，在压电元件5内部产生过载，进而在材料表面聚集电荷，并产生电压，此时压电元件可等效为一个电压源，为后部的电容器6充电，进而为数据采集系统供电。在压电材料5后部串联的二极管8，能够有效防止电容6在充电后反向放电。同时，在电容6后部串联的保险丝7，能够在电容6放电产生大电流时自动熔断，以保护数据采集系统。通过上述措施，实现大过载条件下的数据采集系统的可靠工作。
本发明说明书中未详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种深空撞击探测高冲击环境下系统辅助供电装置，其特征在于：所述辅助供电装置由压电系统(4)实现，压电系统(4)安装在撞击器内部，撞击器中数据采集系统的供电由撞击器中的电池(3)和压电系统(4)共同完成，其中电池(3)为主供电方，压电系统(4)为辅助供电方，当撞击器受到高过载冲击时，压电系统(4)利用撞击过程的加速度产生电能，用于为数据采集系统(2)辅助供电；
压电系统(4)包括压电元件(5)、电容器(6)、保险丝(7)和二极管(8)，压电元件(5)的正极与二极管(8)的正极连接，二极管(8)的负极与数据采集系统(2)的电源正输入端连接，压电元件(5)的负极与数据采集系统(2)的电源负输入端连接；电容器(6)的一端与二极管(8)的负极连接，另一端与保险丝(7)的一端连接，保险丝(7)的另一端与压电元件(5)的负极连接；
压电元件(5)利用撞击过程的加速度产生电压，为后部的电容器(6)充电，进而为数据采集系统供电。
2.根据权利要求1所述的一种深空撞击探测高冲击环境下系统辅助供电装置，其特征在于：压电元件(5)由多片压电材料串联形成。
3.根据权利要求2所述的一种深空撞击探测高冲击环境下系统辅助供电装置，其特征在于：压电材料为石英、铁电陶瓷或高分子压电薄膜。
4.根据权利要求3所述的一种深空撞击探测高冲击环境下系统辅助供电装置，其特征在于：压电元件(5)利用撞击过程的加速度产生电压U，电压U按下式计算：
Figure FDA0003248845350000011
其中，Q为压电元件表面聚集的电荷，C为压电元件等效电容，k为纵向压电系数，A为压电元件的面积，δ为压电元件的厚度，m为压电元件质量，a为撞击过程压电元件受到的加速度，ε0为真空介电常数。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种深空撞击探测高冲击环境下系统辅助供电装置，其特征在于，系统供电方法如下：
(1)撞击器接触目标前，电池(3)为数据采集系统(2)供电；
(2)撞击器撞上目标瞬间，触发电容器(6)；
(3)撞击器撞击目标过程中，产生的加速度使得压电元件(5)内部产生过载，进而在表面聚集电荷，形成电压，此时压电元件(5)等效为一个电压源，为后部的电容器(6)充电，电容器(6)再为数据采集系统供电。
6.根据权利要求5所述的一种深空撞击探测高冲击环境下系统辅助供电装置，其特征在于：电容器(6)事先带有电量，能够满足数据采集系统工作的电量需求。
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