CN112373728A - 一种用于空间引力波探测的组合式电推进装置及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种用于空间引力波探测的组合式电推进装置及控制方法，属于航天电推进技术领域。解决了现有单一推力器在偏离最佳工作区间工作过程中，效率和比冲等性能参数下降的问题。推进装置及控制方法，推进装置包括推力机构和控制机构，所述推力机构控制机构互通讯连接，所述推力机构包括储供系统、压力调节模块、流量调节模块、气体工质电推力器、液体工质电推力器和中和器，所述储供系统与压力调节模块相连，所述气体工质电推力器和液体工质电推力器各连接一个流量调节模块，两个流量调节模块均与压力调节模块相连，所述气体工质电推力器和液体工质电推力器均与中和器相连。它主要用于空间引力波探测。
Description
技术领域
本发明属于航天电推进技术领域，特别是涉及一种用于空间引力波探测的组合式电推进装置及控制方法。
背景技术
2015年地面引力波天文台LIGO首次直接探测到引力波，主要科学家也因此获得2017年诺贝尔物理学奖。引力波的直接探测不仅是对爱因斯坦广义相对论进行更精确的检验，而且为揭示宇宙演化过程，基础物理学规律和相对论天体物理学提供了新的手段，因此对物理学和天文学的未来发展有着重要意义。
目前激光干涉测距是实现引力波探测最有效的手段，这要求航天器具有高精度，高稳定度和高微重力水平的超静平台。为了实现超静平台，卫星内部部署检验质量，检验质量在天体引力作用下处于自由落体状态。无拖曳控制系统利用电容式传感器对卫星平台和检验质量的相对位移进行测量，继而需要微推力器对太空中航天器会受到太阳光压等非保守力进行补偿，以保证检验质量始终处于卫星的中心位置。与化学推力器相比，电推力器具备推力小，推力分辨率高，比冲高，寿命长，结构紧凑等优点。因此，电推力器是实现无拖曳控制技术的最佳手段。
目前，以离子推力器和会切场推力器为代表的气体工质电推力器和以胶体推力器为代表的液体工质电推力器均能满足引力波探测需求。气体工质电推力器一般以氙气作为工质，通过气体在通道内部与电子碰撞电离产生离子，离子在电磁场的作用下加速喷出，从而产生推力。液体工质电推力器以强极性液体作为工质，通过精度很高的微型泵输送到发射极，然后在抽取极和发射极间高场强的作用下，推进剂中的正离子排斥到液体表面，形成泰勒锥。当发射极与加速极之间的电场力大于液体表面张力时，泰勒锥顶端会破裂呈纯离子和小液滴，形成细流丝，在电场中加速喷出，形成推力。
气体工质电推力器和液体工质电推力器由于工作原理和自身特点的不同，导致其最佳的工作区间有限。单一推力器虽然也能满足引力波探测需求，但是推力器在偏离最佳工作区间工作时，效率和比冲等性能参数较差，造成推进剂利用率下降等问题。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的问题，提出一种用于空间引力波探测的组合式电推进装置及控制方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种用于空间引力波探测的组合式电推进装置，它包括推力机构和控制机构，所述推力机构控制机构互通讯连接，所述推力机构包括储供系统、压力调节模块、流量调节模块、气体工质电推力器、液体工质电推力器和中和器，所述储供系统与压力调节模块相连，所述气体工质电推力器和液体工质电推力器各连接一个流量调节模块，两个流量调节模块均与压力调节模块相连，所述气体工质电推力器和液体工质电推力器均与中和器相连。
更进一步的，所述控制机构包括电推进控制器和功率处理单元，所述推力机构和功率处理单元均分别与电推进控制器互通讯连接，所述功率处理单元给推力机构供电。
更进一步的，所述气体工质电推力器为会切场推力器或离子推力器。
更进一步的，所述气体工质电推力器以氙气作为工质。
更进一步的，所述液体工质电推力器为胶体推力器。
更进一步的，所述液体工质电推力器以极性液体作为工质。
更进一步的，所述组合式电推进装置与无拖曳控制系统相连。
本发明还提供了一种用于空间引力波探测的组合式电推进装置的控制方法，它包括以下步骤：
步骤1：在地面真空系统中测得气体工质电推力器和液体工质电推力器的最佳工作区间和推力的特性方程，所述最佳工作区间为调节流量和工作电压使效率和比冲处于最佳状态，所述推力的特性方程为推力随流量和工作电压的变化关系；
步骤2：无拖曳控制系统根据电容式传感器测量的结果，得到需要补偿的推力，通过对补偿的推力进行特性分析，将补偿的推力分为大而低频的推力和小而高频的推力；
步骤3：所述大而低频的推力补偿由气体工质电推力器完成，根据气体工质电推力器的特性方程和控制的目标推力，得到输出流量和电压，然后，无拖曳控制系统通过调节气体工质电推力器的工作电压对控制的目标推力与实际输出推力的差值进行补偿；所述小而高频的推力补偿由液体工质电推力器完成，根据液体工质电推力器的特性方程和控制的目标推力，得到输出流量和电压，探后，无拖曳控制系统通过调节液体工质电推力器的工作电压对控制的目标推力与实际输出推力的差值进行补偿。
更进一步的，所述步骤3中，根据气体工质电推力器或液体工质电推力器的特性方程和控制的目标推力，得到输出流量和电压包括以下步骤：
步骤3.1：测量气体工质电推力器或液体工质电推力器在不同流量和工作电压下的推力特性，进而拟合出推力随流量和工作电压变化的特性方程；
步骤3.2：将控制的目标推力代入到特性方程中，得到满足推力要求的流量和工作电压的参数取值；
步骤3.3：根据需求选取相应的流量和工作电压的参数取值作为输出的流量和工作电压。
更进一步的，所述气体工质电推力器和液体工质电推力器的最佳工作区间部分重叠时，在重叠区间内，使用最小工作电压或最小点火冲击的方式进行控制。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明考虑到引力波探测过程中，受到空间干扰力的复杂性和多样性，提出一种用于空间引力波探测的组合式电推进装置及控制方法，解决了现有单一推力器在偏离最佳工作区间工作过程中，效率和比冲等性能参数下降的问题。能够根据卫星受到的各种干扰力和推力控制目标，通过气体工质电推力器和液体工质电推力器的有效配合，保证两种推力器均工作在最佳工况，高性能地完成引力波探测任务。
附图说明
图1为本发明所述的一种用于空间引力波探测的组合式电推进装置结构示意图；
图2为本发明所述的无拖曳控制系统进行高精度推力补偿的流程图；
图3为本发明所述的气体工质电推力器和液体工质电推力器最佳工作区间示意图；
图4为本发明所述的一种用于空间引力波探测的组合式电推进装置的控制方法推力补偿流程图；
图5为本发明所述的会切场推力器的原理图；
图6为本发明所述的胶体推力器的原理图。
1-气体工质电推力器的最佳工作区间，2-液体工质电推力器的最佳工作区间，3-重叠区间。
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、完整地阐述。
参见图1-6说明本实施方式，一种用于空间引力波探测的组合式电推进装置，它包括推力机构和控制机构，所述推力机构控制机构互通讯连接，所述推力机构包括储供系统、压力调节模块、流量调节模块、气体工质电推力器、液体工质电推力器和中和器，所述储供系统与压力调节模块相连，所述气体工质电推力器和液体工质电推力器各连接一个流量调节模块，两个流量调节模块均与压力调节模块相连，所述气体工质电推力器和液体工质电推力器均与中和器相连。
本实施例气体工质电推力器和液体工质电推力器能够共用储供系统、压力调节模块、流量调节模块和中和器等部件。利用气体工质电推力器和液体工质电推力器协同工作，达到高性能完成引力波探测任务的目的。控制机构包括电推进控制器和功率处理单元，推力机构和功率处理单元均分别与电推进控制器互通讯连接，功率处理单元给推力机构供电。气体工质电推力器包括满足引力波探测任务的会切场推力器或离子推力器，以氙气作为工质，液体工质电推力器包括满足引力波探测任务的胶体推力器，以强极性液体作为工质。组合式电推进装置与无拖曳控制系统相连。
本实施例为一种用于空间引力波探测的组合式电推进装置的控制方法，它包括以下步骤：
步骤1：在地面真空系统中测得气体工质电推力器和液体工质电推力器的最佳工作区间和推力的特性方程，所述最佳工作区间为调节流量和工作电压使效率和比冲处于最佳状态，所述推力的特性方程为推力随流量和工作电压的变化关系；
步骤2：无拖曳控制系统根据电容式传感器测量的结果，得到需要补偿的推力，通过对补偿的推力进行特性分析，将补偿的推力分为大而低频的推力和小而高频的推力；
步骤3：所述大而低频的推力补偿由气体工质电推力器完成，根据气体工质电推力器的特性方程和控制的目标推力，得到输出流量和电压，然后，无拖曳控制系统通过调节气体工质电推力器的工作电压对控制的目标推力与实际输出推力的差值进行补偿；所述小而高频的推力补偿由液体工质电推力器完成，根据液体工质电推力器的特性方程和控制的目标推力，得到输出流量和电压，然后，无拖曳控制系统通过调节液体工质电推力器的工作电压对控制的目标推力与实际输出推力的差值进行补偿。
在实施例中，利用气体工质电推力器和液体工质电推力器的组合使用，高性能地完成引力波探测任务。步骤1中一般根据工质特性，气体工质电推力器在大推力工况下工作性能最优，液体工质电推力器在小推力工况下工作性能最优。步骤2中大而低频的推力一般用来平衡太阳光压造成的阻力，小而高频的推力一般用来平衡太阳风，宇宙粒子等造成的阻力。
步骤3中，根据气体工质电推力器或液体工质电推力器的特性方程和控制的目标推力，得到输出流量和电压包括以下步骤：
步骤3.1：测量气体工质电推力器或液体工质电推力器在不同流量和工作电压下的推力特性，进而拟合出推力随流量和工作电压变化的特性方程；
步骤3.2：将控制的目标推力代入到特性方程中，得到满足推力要求的流量和工作电压的参数取值；
步骤3.3：根据需求选取相应的流量和工作电压的参数取值作为输出的流量和工作电压。
以气体工质电推力器为例，首先改变流量和工作电压，得到胶体推力器在不同工况下的推力，进而拟合出推力随流量和工作电压变化的特性方程，如下式所示：
T＝f(m,U)
其中，T为输出推力；m为质量流量，U为工作电压。
将控制的目标推力代入到特性方程中，可以得到一系列满足推力要求的流量和工作电压的参数取值，如当T取T1时，能够解出一系列解，如(m1,U1)、(m2,U2)等。
根据任务需求，选取合适的控制方式，如最大效率方式或最小流量方式等。以最小流量方式为例，在得到多组流量和工作电压的取值后，选取参数取值中流量最小的那一组，作为输出的流量和工作电压。
在实施例中，气体工质电推力器的最佳工作区间在大推力工况下，液体工质电推力器的最佳工作区间在小推力工况下，但是在存在最佳工作区间部分重叠的情况。在重叠区间内，需要根据新的控制方式，选择利用何种电推力器进行推力补偿，如最小工作电压方式，最小点火冲击方式。以最小工作电压方式为例，由于会切场推力器的工作电压为几百伏，胶体推力器的工作电压在几千伏，因此，在重叠区内，优选会切场推力器工作。最小点火冲击方式即重叠区内，优选点火冲击较小的电推力器进行工作。
在实施例中，特性方程的获取是在地面真空设备中测量推力器在不同的流量和工作电压下的输出推力，进而拟合得到的。推力器升空在轨工作前，需要进行不同流量和工作电压下的试验，对特性方程进行系数标定，确保特性方程的准确性。此外，推力器工作一段时间后，也要进行定期的特性方程标定。
以上对本发明所提供的一种用于空间引力波探测的组合式电推进装置及控制方法，进行了详细介绍，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 (10)
1.一种用于空间引力波探测的组合式电推进装置，其特征在于：它包括推力机构和控制机构，所述推力机构控制机构互通讯连接，所述推力机构包括储供系统、压力调节模块、流量调节模块、气体工质电推力器、液体工质电推力器和中和器，所述储供系统与压力调节模块相连，所述气体工质电推力器和液体工质电推力器各连接一个流量调节模块，两个流量调节模块均与压力调节模块相连，所述气体工质电推力器和液体工质电推力器均与中和器相连。
2.根据权利要求1所述的一种用于空间引力波探测的组合式电推进装置，其特征在于：所述控制机构包括电推进控制器和功率处理单元，所述推力机构和功率处理单元均分别与电推进控制器互通讯连接，所述功率处理单元给推力机构供电。
3.根据权利要求1所述的一种用于空间引力波探测的组合式电推进装置，其特征在于：所述气体工质电推力器为会切场推力器或离子推力器。
4.根据权利要求3所述的一种用于空间引力波探测的组合式电推进装置，其特征在于：所述气体工质电推力器以氙气作为工质。
5.根据权利要求1所述的一种用于空间引力波探测的组合式电推进装置，其特征在于：所述液体工质电推力器为胶体推力器。
6.根据权利要求5所述的一种用于空间引力波探测的组合式电推进装置，其特征在于：所述液体工质电推力器以极性液体作为工质。
7.根据权利要求1所述的一种用于空间引力波探测的组合式电推进装置，其特征在于：所述组合式电推进装置与无拖曳控制系统相连。
8.一种如权利要求1所述的用于空间引力波探测的组合式电推进装置的控制方法，其特征在于：它包括以下步骤：
步骤1：在地面真空系统中测得气体工质电推力器和液体工质电推力器的最佳工作区间和推力的特性方程，所述最佳工作区间为调节流量和工作电压使效率和比冲处于最佳状态，所述推力的特性方程为推力随流量和工作电压的变化关系；
步骤2：无拖曳控制系统根据电容式传感器测量的结果，得到需要补偿的推力，通过对补偿的推力进行特性分析，将补偿的推力分为大而低频的推力和小而高频的推力；
步骤3：所述大而低频的推力补偿由气体工质电推力器完成，根据气体工质电推力器的特性方程和控制的目标推力，得到输出流量和电压，然后，无拖曳控制系统通过调节气体工质电推力器的工作电压对控制的目标推力与实际输出推力的差值进行补偿；所述小而高频的推力补偿由液体工质电推力器完成，根据液体工质电推力器的特性方程和控制的目标推力，得到输出流量和电压，然后，无拖曳控制系统通过调节液体工质电推力器的工作电压对控制的目标推力与实际输出推力的差值进行补偿。
9.根据权利要求8所述的一种用于空间引力波探测的组合式电推进装置的控制方法，其特征在于：所述步骤3中，根据气体工质电推力器或液体工质电推力器的特性方程和控制的目标推力，得到输出流量和电压包括以下步骤：
步骤3.1：测量气体工质电推力器或液体工质电推力器在不同流量和工作电压下的推力特性，进而拟合出推力随流量和工作电压变化的特性方程；
步骤3.2：将控制的目标推力代入到特性方程中，得到满足推力要求的流量和工作电压的参数取值；
步骤3.3：根据需求选取相应的流量和工作电压的参数取值作为输出的流量和工作电压。
10.根据权利要求8所述的一种用于空间引力波探测的组合式电推进装置的控制方法，其特征在于：所述气体工质电推力器和液体工质电推力器的最佳工作区间部分重叠时，在重叠区间内，使用最小工作电压或最小点火冲击的方式进行控制。
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