CN111516907B - 一种微阴极电弧推力阵列系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微阴极电弧推力阵列系统，涉及卫星微推进技术领域，包括一个由多组微阴极电弧推力器按照偶数正多边形放置方式排布集成的推力器集成部、一个功率输出单元和一个控制部；功率输出单元的输出端通过控制部与推力器集成部的阳极连接，推力器集成部的阴极与功率输出单元的输入端连接；其中，多组微阴极电弧推力器的阴极共用；通过控制部控制推力器集成部不同阳极与阴极间的通断，以达到多组微阴极电弧推力器轮流放电的目的；通过改变控制部的放电模式，以使微阴极电弧推力器在多种工作模式中选择，达到满足不同推进需求的目的。本发明具有质量和体积均减小、推重比和可靠性均上升、更好满足卫星推进需求等功能。
Description
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力阵列系统。
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。
单组微阴极电弧推力器由于推力器较低，寿命受限，不能很好的满足卫星的推进需求，而将多组微阴极电弧推力器的阵列化排列，可以显著提高微阴极电弧推力系统的总冲、推力与寿命。
传统微阴极电弧推力系统由功率输出单元(PPU)部(多组功率输出单元直接堆叠形成的结构)和推力器阵列部(多组微阴极电弧推力器直接堆叠形成的结构)组成。每一个微阴极电弧推力器都由一个功率输出单元(PPU)单独供电，即传统微阴极电弧推力系统由多组PPU—微阴极电弧推力器的叠加来实现多组微阴极电弧推力器的阵列化排列，来达到提高微阴极电弧推力系统的寿命、推力和总冲，但会造成微阴极电弧推力系统的体积与质量过大，控制方法复杂，进而导致微阴极电弧推力系统的推重比下降，可靠性降低。
发明内容
本发明的目的是提供一种微阴极电弧推力阵列系统，以达到质量和体积均减小、推重比和可靠性均上升、更好满足卫星推进需求的目的。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种微阴极电弧推力阵列系统，包括一个推力器集成部、一个功率输出单元和一个控制部；所述功率输出单元的输出端通过所述控制部与所述推力器集成部的阳极连接，所述推力器集成部的阴极与所述功率输出单元的输入端连接，从而形成一个完整的导电回路；
其中，所述推力器集成部是由多组微阴极电弧推力器按照偶数正多边形放置方式排布集成的，且多组所述微阴极电弧推力器的阴极共用；
通过所述控制部控制所述推力器集成部中不同阳极与同一阴极间的通断，以达到多组所述微阴极电弧推力器轮流放电的目的；通过改变所述控制部的放电模式，以使所述微阴极电弧推力器在多种工作模式中选择，达到满足不同推进需求的目的。
可选的，所述控制部包括与所述微阴极电弧推力器数量相同且并联的控制开关；其中，一个所述控制开关与一个所述微阴极电弧推力器连接，不同的所述控制开关连接不同的所述微阴极电弧推力器。
可选的，所述控制开关的一端与所述微阴极电弧推力器的阳极连接，所述控制开关的另一端与所述功率输出单元的输出端连接，从而形成一个导电支路。
可选的，所述控制开关为绝缘栅双极型晶体管，所述绝缘栅双极型晶体管的发射极与所述功率输出单元的输出端连接，所述绝缘栅双极型晶体管的集电极与所述微阴极电弧推力器的阳极连接。
可选的，所述推力器集成部为管环状结构，所述推力器集成部包括由外壳和支撑件连接形成的一个半封闭筒状结构和多组所述微阴极电弧推力器，且多组所述微阴极电弧推力器按照偶数正多边形放置方式排布于所述半封闭筒状结构内。
可选的，所述微阴极电弧推力器包括绝缘元件、阳极和阴极；所述绝缘元件为管环状结构，所述阳极的一端穿过所述绝缘元件并与所述绝缘元件共同连接一个所述阴极，所述阳极的另一端穿过所述支撑件与所述控制部连接。
可选的，所述功率输出单元输出的信号为方波信号。
可选的，所述微阴极电弧推力阵列系统中各所述微阴极电弧推力器的工作时间间隔为T2-ΔT；其中，ΔT为所述功率输出单元开始放电前每个所述导电支路中所述控制开关的提前开启时间；所述功率输出单元的工作周期为T＝T1+T2，T2为所述功率输出单元中电感的充电时间，T1为所述功率输出单元的放电时间；每个所述控制开关的工作周期为7T。
可选的，位于所述推力器集成部中心的所述微阴极电弧推力器的阴极为镍阴极，其他所述微阴极电弧推力器的阴极为钛阴极。
可选的，所述偶数正多边形为正四边形、正六边形、正八边形或正十边形。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明将多组微阴极电弧推力器进行一体化设计，使多组微阴极电弧推力器整合成一个整体，同时使用一个功率输出单元进行功率输出，通过控制部实现多个微阴极电弧推力器的联合放电和多模态工作方式，以满足不同的推进需求。与传统微阴极电弧推力系统相比，本发明通过微阴极电弧推力器的集成化和减少功率输出单元的数量，使微阴极电弧推力阵列系统的质量和体积大大减少，推重比和可靠性大大提升，进而能够更好的满足卫星的推进需求。
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为本发明推力器集成部的俯视图；
图2为本发明推力器集成部的剖面图；
图3为本发明微阴极电弧推力阵列系统的电路图；
图4为本发明微阴极电弧推力器的工作时序图。
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力阵列系统，以达到质量和体积均减小、推重比和可靠性均上升、更好满足卫星推进需求的目的。
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1
如图1、图2和图3所示，本实施例提供的微阴极电弧推力阵列系统包括一个推力器集成部、一个功率输出单元和一个控制部。功率输出单元的输出端通过控制部与推力器集成部的阳极连接，推力器集成部的阴极与功率输出单元的输入端连接，从而形成一个完整的导电回路。
其中，推力器集成部是由多组微阴极电弧推力器按照偶数正多边形放置方式排布集成的，且多组微阴极电弧推力器的阴极14共用。
控制部包括与微阴极电弧推力器数量相同且并联的控制开关，且一个控制开关与一个微阴极电弧推力器连接，不同的控制开关连接不同的微阴极电弧推力器。其中，控制开关的一端与微阴极电弧推力器的阳极13连接，控制开关的另一端与功率输出单元的输出端连接，从而形成一个导电支路。
通过控制部控制推力器集成部中不同阳极13与同一阴极14间的通断，可以实现多组微阴极电弧推力器的轮流放电。通过改变控制部的放电模式，可以使微阴极电弧推力器在多种工作模式中选择，从而更好地满足不同的推进需求。
优选的，在本实施例中，微阴极电弧推力器的数量为7组，在图1和图3中分别用1、2、3、4、5、6和7表示，即推力器集成部是由7组微阴极电弧推力器按照正六边形放置方式排布集成的。同样，控制开关的数量为7个，在图3中分别用K1、K2、K3、K4、K5、K6和K7。
优选的，本实施例提供的推力器集成部，整体是一个管环状结构，包括外壳和支撑件11连接形成一个半封闭筒状结构和多组微阴极电弧推力器，且多组微阴极电弧推力器按照偶数正多边形放置方式排布于半封闭筒状结构内。
优选的，本实施例提供的微阴极电弧推力器包括绝缘元件12、阳极13和阴极14；绝缘元件12为管环状结构，阳极13的一端穿过绝缘元件12并与绝缘元件12共同连接一个阴极14，阳极13的另一端穿过支撑件11与控制部连接，即在多组微阴极电弧推力器集成时，阳极13与绝缘元件12各自独立，并共用同一个阴极14。
优选的，本实施例提供的控制开关为绝缘栅双极型晶体管(以下简称IGBT)；功率输出单元(以下简称PPU)输出的信号为方波信号。其中，IGBT的发射极与PPU的输出端连接，IGBT的集电极与微阴极电弧推力器的阳极13连接。
优选的，本实施例提供的位于推力器集成部中心的微阴极电弧推力器采用镍阴极，在工作过程中产生较大推力，其他微阴极电弧推力器采用钛阴极，在工作过程中拥有较大的比冲，通过控制各导电支路输入的方波信号，来控制各导电支路上IGBT的通断时序，达到控制电路的目的，从而形成多模态工作方式。
在本实施例实施过程中，各导电支路通过输入方波信号对IGBT进行控制，IGBT在高电位下处于接通状态，IGBT在低电位下处于断开状态。
如图4所示，高电位下PPU输出方波信号，Q为PPU的功率输出信号(即方波信号)，在PPU输出方波信号时，各导电支路上的IGBT依次保持闭合接通状态，从而达到一体化工作的目的。同时，在使用一个PPU进行方波信号输出时，通过不同时序的方波信号来控制IGBT的通断状态，从而实现多个微阴极电弧推力器联合放电的工作需求和多模态工作方式，进而满足不同的推进需求。
当该微阴极电弧推力阵列系统在多微阴极电弧推力器联合工作时，各微阴极电弧推力器工作状态由各导电支路输入的方波信号控制。其中T2为PPU中电感的充电时间，受L1、R1的影响。
T2≈4τ；
L1为PPU的电感，R1为PPU的电阻，τ为电感时间常数。T1为PPU放电时间，受微阴极电弧推力器特性影响，一般为50～100μs，导电薄膜电阻越大，放电时间越长。
在微阴极电弧推力阵列系统中，PPU开始放电前，已接通第一导电支路中的IGBT(K1)，第一导电支路中的IGBT的提前开启时间为ΔT，且1μs＜ΔT＜τ，PPU的工作周期为T，T＝T1+T2，第一导电支路中的微阴极电弧推力器的工作周期为7T。其他各导电支路中的IGBT(K2、K3、K4、K5、K6和K7)的提前开启时间ΔT分别也在PPU第2、3、4、5、6、7次开始放电前进行，且工作周期也为7T，即微阴极电弧推力阵列系统中各微阴极电弧推力器的工作时间间隔为T2-ΔT；其中，ΔT为PPU开始放电前每个导电支路中IGBT的提前开启时间；每个控制开关的工作周期为7T。
本实施例将多组微阴极电弧推力器进行一体化设计，使多组微阴极电弧推力器整合成一个整体，同时使用一个功率输出单元进行功率输出，使微阴极电弧推力阵列系统中各微阴极电弧推力器的工作时间间隔由T2降为T2-ΔT，通过调整导电支路中IGBT的输入信号实现多个微阴极电弧推力器的联合放电，大幅度缩短了推进工作间隔，提高了微阴极电弧推力阵列系统的使用效率以及工作寿命。
实施例2
本实施例中的微阴极电弧推力阵列系统与实施例1中的微阴极电弧推力阵列系统完全相同，同样也结合图1、图2、图3、图4来说明本实施例的实施方式。在本实施例中，PPU中的L1为1.2mh，R1为5Ω，T1≈80μs。根据实施例1中公式可得T2≈240μs，7T≈1680μs。各导电支路中微阴极电弧推力器的ΔT＝40μs，并当工作周期为1680μs时，微阴极电弧推力阵列系统的工作间隔由240μs缩短为200μs，本实施例可以依照实施例1中时序进行高效稳定工作。
实施例3
本实施例中的微阴极电弧推力阵列系统与实施例1中的微阴极电弧推力阵列系统完全相同，同样也结合图1、图2、图3、图4来说明本实施例的实施方式。本实施例在实施过程中，当该微阴极电弧推力阵列系统在某种模态条件下持续工作时，由于避免各微阴极电弧推力器工作时长不一致所带来的扭矩，应保证几何构型上相对的微阴极电弧推力器同时工作，例如图1中的微阴极电弧推力器2与微阴极电弧推力器5、微阴极电弧推力器3与微阴极电弧推力器6、微阴极电弧推力器4与微阴极电弧推力器7同时工作，微阴极电弧推力器1为中心推力器，其工作控制方式与实施例1一致，可以与其他微阴极电弧推力器同时工作或者单独工作。
本实施例将多组微阴极电弧推力器进行一体化设计，使多组微阴极电弧推力器整合成一个整体，同时使用一个功率输出单元进行功率输出，并通过多模态工作方式互相切换微阴极电弧推力器来满足不同的推进需求。
实施例4
本实施例中的微阴极电弧推力阵列系统与实施例1中的微阴极电弧推力阵列系统完全相同，同样也结合图1、图2、图3、图4来说明本实施例的实施方式。
为避免各微阴极电弧推力器在工作工程中造成额外的力矩，在设计过程中，微阴极电弧推力器应按照偶数正多边形放置，例如在本实施例中，将7组微阴极电弧推力器按照正六边形放置，可以保证微阴极电弧推力阵列系统的工作更加平稳，此外还可以按照正四边形、正八边形、正十边形等放置方式进行放置，以避免微阴极电弧推力阵列系统造成不必要的扭矩。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
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 (6)
1.一种微阴极电弧推力阵列系统，其特征在于，包括一个推力器集成部、一个功率输出单元和一个控制部；所述功率输出单元的输出端通过所述控制部与所述推力器集成部的阳极连接，所述推力器集成部的阴极与所述功率输出单元的输入端连接，从而形成一个完整的导电回路；
其中，所述推力器集成部是由7组微阴极电弧推力器按照正六边形放置方式排布集成的，且7组所述微阴极电弧推力器的阴极共用；以一组所述微阴极电弧推力器为正六边形的中心，以剩余的6组微阴极电弧推力器为正六边形的边，构成正六边形结构的推力器集成部；
所述控制部包括与所述微阴极电弧推力器数量相同且并联的控制开关；其中，一个所述控制开关与一个所述微阴极电弧推力器连接，不同的所述控制开关连接不同的所述微阴极电弧推力器；
所述控制开关的一端与所述微阴极电弧推力器的阳极连接，所述控制开关的另一端与所述功率输出单元的输出端连接，从而形成一个导电支路；
所述微阴极电弧推力阵列系统中各所述微阴极电弧推力器的工作时间间隔为
；其中，
为所述功率输出单元开始放电前每个所述导电支路中所述控制开关的提前开启时间；所述功率输出单元的工作周期为T=T 1 +T 2 ，T 2 为所述功率输出单元中电感的充电时间，T 1 为所述功率输出单元的放电时间；每个所述控制开关的工作周期为7T；
通过所述控制部控制所述推力器集成部中不同阳极与同一阴极间的通断，以达到多组所述微阴极电弧推力器轮流放电的目的；通过改变所述控制部的放电模式，以使所述微阴极电弧推力器在多种工作模式中选择，达到满足不同推进需求的目的。
2.根据权利要求1所述的一种微阴极电弧推力阵列系统，其特征在于，所述控制开关为绝缘栅双极型晶体管，所述绝缘栅双极型晶体管的发射极与所述功率输出单元的输出端连接，所述绝缘栅双极型晶体管的集电极与所述微阴极电弧推力器的阳极连接。
3.根据权利要求1所述的一种微阴极电弧推力阵列系统，其特征在于，所述推力器集成部为管环状结构，所述推力器集成部包括由外壳和支撑件连接形成的一个半封闭筒状结构和多组所述微阴极电弧推力器，且多组所述微阴极电弧推力器按照偶数正多边形放置方式排布于所述半封闭筒状结构内。
4.根据权利要求1所述的一种微阴极电弧推力阵列系统，其特征在于，所述微阴极电弧推力器包括绝缘元件、阳极和阴极；所述绝缘元件为管环状结构，所述阳极的一端穿过所述绝缘元件并与所述绝缘元件共同连接一个所述阴极，所述阳极的另一端穿过支撑件与所述控制部连接。
5.根据权利要求1所述的一种微阴极电弧推力阵列系统，其特征在于，所述功率输出单元输出的信号为方波信号。
6.根据权利要求1所述的一种微阴极电弧推力阵列系统，其特征在于，位于所述推力器集成部中心的所述微阴极电弧推力器的阴极为镍阴极，其他所述微阴极电弧推力器的阴极为钛阴极。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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