CN113107798A - 一种电推进多模式自主控制系统及方法 - Google Patents

一种电推进多模式自主控制系统及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113107798A
CN113107798A CN202110327474.7A CN202110327474A CN113107798A CN 113107798 A CN113107798 A CN 113107798A CN 202110327474 A CN202110327474 A CN 202110327474A CN 113107798 A CN113107798 A CN 113107798A
Authority
CN
China
Prior art keywords
mode
flow rate
ignition
signal
control
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202110327474.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113107798B (zh
Inventor
高俊
邹达人
何刚
李永
宋飞
刘国西
李宗良
韩亮
丛云天
郭盼
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing Institute of Control Engineering
Original Assignee
Beijing Institute of Control Engineering
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing Institute of Control Engineering filed Critical Beijing Institute of Control Engineering
Priority to CN202110327474.7A priority Critical patent/CN113107798B/zh
Publication of CN113107798A publication Critical patent/CN113107798A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113107798B publication Critical patent/CN113107798B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03H—PRODUCING A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03H1/00—Using plasma to produce a reactive propulsive thrust
    • F03H1/0087—Electro-dynamic thrusters, e.g. pulsed plasma thrusters

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma Technology (AREA)
  • Control Of Position, Course, Altitude, Or Attitude Of Moving Bodies (AREA)

Abstract

本发明涉及一种电推进多模式自主控制系统及方法，属于空间电推进技术领域。本发明通过调节点火流率、阳极功率、屏栅功率实现了推力的大范围灵活调节，解决了电推进系统推力大小不能灵活调节的问题，提升了电推进系统对于航天器任务的适应性；通过调节矢量调节机构的正交双轴的角度实现了推力方向的大范围灵活调节，解决了电推进系统推力方向不能灵活调节的问题，具有控制策略简单、可靠稳定的特点；在电推进系统工作过程中，通过调节阳极电流完成对屏栅电流的闭环控制，间接实现了推力的在轨实时补偿，解决了电推进系统长期在轨工作推力随时间变化的问题，并保证了推力高精高稳输出，精度优于1％。

Description

一种电推进多模式自主控制系统及方法
技术领域
本发明涉及一种电推进多模式自主控制系统及方法，属于空间电推进技术领域。
背景技术
电推进技术是一种高效的航天器推进技术，相比传统的化学推进系统具有高比冲的优势。电推进应用初期主要为单一工作模式，工作在一个特定的功率点，输出推力、比冲保持不变，主要执行GEO卫星的位置保持任务；随着电推进技术发展，电推进系统的应用逐渐拓展到多工作模式，可在不同功率点下工作，输出推力和比冲也随着变化，以满足不同的航天器任务需求，适应性更强，使用也更加灵活方便。
高轨大型GEO卫星、全电推进卫星以及深空探测任务均对多模式电推进系统提出了迫切需求，要求电推进系统具有多模式工作的能力，同时可以灵活调节、可靠工作。
目前我国电推进系统主要采用单一工作模式，其工作过程不涉及到多种模式的切换，控制方法比较简单，不需要对输出流率进行调节、也不需要对输出功率参数进行调节，所有参数均固定在一个工作点，该方法无法满足多模式工作的任务需求。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种电推进多模式自主控制系统及方法，该方法能够实现电推进系统的不同模式之间的自主灵活调节，并且与控制分系统接口简单，方便使用。
本发明解决的技术解决方案是：
一种电推进多模式自主控制系统，该自主控制系统包括电推进多模式控制模块、多模式电源模块、多模式流率控制模块、多模式电推力器和多模式方向调节装置；多模式电推力器安装在多模式方向调节装置上，多模式方向调节装置能够带动多模式电推力器转动；
所述的电推进多模式控制模块包括模式解算子模块、功率控制子模块、流率控制子模块和推力方向控制子模块；
模式解算子模块用于接收系统工作模式指令，并根据接收到的系统工作模式指令解算该工作模式下点火功率信号、点火流率信号和推力方向信号，并将解算得到的点火功率信号发送给功率控制子模块，将解算得到的点火流率信号发送给流率控制子模块，将解算得到的推力方向信号发送给推力方向控制子模块；
功率控制子模块用于接收模式解算子模块发送的点火功率信号，并根据接收到的点火功率信号形成点火功率控制信号，并将点火功率控制信号输出给多模式电源模块；
多模式电源模块用于接收功率控制子模块输出的点火功率控制信号，并根据接收到的点火功率控制信号进行点火功率调节，将调节后的点火功率输出给多模式电推力器；多模式电源模块还根据调节后的点火功率将形成功率遥测信号反馈给功率控制子模块，功率控制子模块根据反馈的功率遥测信号完成点火功率的闭环控制；
流率控制子模块用于接收模式解算子模块发送的点火流率信号，并根据接收到的点火流率信号，形成点火流率控制信号，并将点火流率控制信号输出给多模式流率控制模块；
多模式流率控制模块用于接收流率控制子模块输出的点火流率控制信号，并根据接收到的点火流率控制信号进行点火流率调节，将调节后的点火流率输出给多模式电推力器，多模式流率控制模块将调节后的点火流率形成流率遥测信号反馈给流率控制子模块，流率控制子模块根据反馈的流率遥测信号完成点火流率的闭环控制；
推力方向控制子模块用于接收模式解算子模块发送的推力方向信号，并根据接收得的推力方向信号，形成推力方向控制信号，并将推力方向控制信号输出给多模式方向调节装置，多模式方向调节装置根据推力方向控制信号进行推力方向调节，在多模式方向调节装置进行推力方向调节时能够带动多模式电推力器进行转动；多模式方向调节装置将调节后的推力方向形成推力方向遥测信号反馈给推力方向控制子模块，推力方向控制子模块根据反馈的推力方向遥测信号完成推力方向的闭环控制；
多模式电源模块，能够将星上一次母线功率转换为电推力器工作所需要的二次功率电源，包括阴极加热电源、阴极触持电源、阴极点火电源、中和器加热电源、中和器触持电源、中和器点火电源、阳极电源、屏栅电源、加速电源；同时多模式电源模块在电推进多模式控制模块送来的点火功率控制信号的驱动控制下，按照设定时序实现各二次电源的启动和关闭，以及功率的大范围调节；阳极电源和屏栅电源为可调数字电源，可实现阳极输出功率和屏栅输出功率的多工作点调节，满足电推进系统多模式工作时的多工作点功率需求，典型工作功率为3kW、4kW和5kW。
多模式流率控制模块，能够对推进剂进行存储，并将存储的推进剂按照电推力器工作所需要的三路流率(中和器流率
Figure BDA0002995183000000031
阴极流率
Figure BDA0002995183000000032
阳极流率
Figure BDA0002995183000000033
)进行大范围精确调节；多模式流率控制模块在电推进多模式控制模块送来的点火流率控制信号的驱动控制下，为多模式电推力器工作提供所需流率的推进剂；多模式流率控制模块采用可调流量控制器，可实现点火流率的多工作点调节，满足电推进系统多模式工作时的多工作点点火流率需求，流率范围0～10mg/s。
多模式方向调节装置，包括两个正交安装的驱动轴，能够对多模式电推力器的推力方向绕X轴和Y轴两个轴进行调节；多模式方向调节装置在电推进多模式控制模块送来的推力方向控制信号的驱动控制下，实现两个正交安装的驱动轴的转动，并在转动过程中带动安装在矢量调节机构上的多模式电推力器跟随转动，可实现将推力方向输出给多模式电推力器，满足电推进系统多模式工作时的不同推力指向需求，推力方向调节范围：X轴-20度～50度，Y轴：±30度。
多模式电推力器由中和器、阴极、放电室和屏栅组成，阴极用来产生电子，电子进入放电室，放电室的多级会切磁场将进入的电子进行约束，与多模式流率控制模块送来的推进剂碰撞，将推进剂进行电离，同时形成的离子在多模式电源模块送来的可调屏栅电源的电场作用下加速喷出产生推力，离子喷出后与中和器产生的电子中和形成中性的等离子体。多模式电推力器能够适应不同点火流率、不同阳极功率、不同屏栅功率的工作工况。
一种电推进多模式自主控制方法，该方法的步骤包括：
1)航天器根据任务需求给出系统工作模式指令，电推进多模式控制模块的模式解算子模块接收到系统工作模式指令后，根据工作模式指令解算当前模式所需的点火流率信号(中和器流率
Figure BDA0002995183000000041
阴极流率
Figure BDA0002995183000000042
阳极流率
Figure BDA0002995183000000043
)、点火功率信号(屏栅电流Ib0、屏栅电压Vb0、阳极电流Ia0)和推力方向信号(X轴转动角度α0、Y轴转动角度β0)，并分别作为功率控制子模块、流率控制子模块和推力方向控制子模块的输入；
2)功率控制子模块根据模式解算子模块送来的点火功率信号，形成点火功率控制信号，并输出给多模式电源模块，多模式电源模块根据点火功率控制信号，将屏栅电源的电压Vb调节至屏栅电压目标值Vb0，将阳极电源的电流Ia调节至阳极电流目标值Ia0，同时根据屏栅电源的电流Ib实时调节阳极电流输出值Ia，直至屏栅电源的电流Ib达到目标值的0.5％范围内，调节方法如下：若Ib<Ib0，则Ia＝Ia+istep，若Ib>Ib0，则Ia＝Ia-istep，直至
Figure BDA0002995183000000044
istep为调节步长，可通过遥控指令进行设置，istep设置范围为0.1A～0.2A；
3)流率控制子模块根据模式解算子模块送来的点火流率信号，形成点火流率控制信号，并输出给多模式流率控制模块，多模式流率控制模块根据点火流率控制信号，通过PID控制调节三路输出流率(中和器流率
Figure BDA0002995183000000051
阴极流率
Figure BDA0002995183000000052
阳极流率
Figure BDA0002995183000000053
)至当前工作模式下多模式电推力器正常点火所需要的三路目标流率(中和器流率
Figure BDA0002995183000000054
阴极流率
Figure BDA0002995183000000055
阳极流率
Figure BDA0002995183000000056
)，并输出至多模式电推力器的三个气路入口，分别对应中和器气路入口、阴极气路入口和阳极气路入口；
4)推力方向控制子模块根据模式解算子模块送来的推力方向信号，形成推力方向控制信号，并输出给多模式推力方向调节模块，多模式推力方向调节模块根据推力方向控制信号，将X轴驱动轴角度α转动至X轴目标角度α0，同时将Y轴驱动轴角度β转动至Y轴目标角度β0；多模式电推力器跟随矢量调节机构的X轴和Y轴转动，推力指向当前工作模式所需要的方向；
5)多模式电推力器在三路输出流率(中和器流率
Figure BDA0002995183000000057
阴极流率
Figure BDA0002995183000000058
阳极流率
Figure BDA0002995183000000059
)、屏栅电源的电流Ib、屏栅电源的电压Vb共同作用下，产生当前工作模式所需要的推力。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明控制系统与现有技术相比，通过调节点火流率、阳极功率、屏栅功率实现了推力的大范围灵活调节，解决了电推进系统推力大小不能灵活调节的问题，提升了电推进系统对于航天器任务的适应性；
(2)本发明控制系统与现有技术相比，通过调节矢量调节机构的正交双轴的角度实现了推力方向的大范围灵活调节，解决了电推进系统推力方向不能灵活调节的问题，具有控制策略简单、可靠稳定的特点；
(3)本发明控制系统与现有技术相比，在电推进系统工作过程中，通过调节阳极电流完成对屏栅电流的闭环控制，间接实现了推力的在轨实时补偿，解决了电推进系统长期在轨工作推力随时间变化的问题，并保证了推力高精高稳输出，精度优于1％。
附图说明
图1为本发明的系统组成示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例
一种电推进多模式自主控制系统，该自主控制系统包括电推进多模式控制模块、多模式电源模块、多模式流率控制模块、多模式电推力器和多模式方向调节装置；多模式电推力器安装在多模式方向调节装置上，多模式方向调节装置能够带动多模式电推力器转动；
所述的电推进多模式控制模块包括模式解算子模块、功率控制子模块、流率控制子模块和推力方向控制子模块；
模式解算子模块接收到系统工作模式指令，并根据接收到的系统工作模式指令解算该工作模式下点火功率信号、点火流率信号和推力方向信号，并将解算得到的点火功率信号发送给功率控制子模块，将解算得到的点火流率信号发送给流率控制子模块，将解算得到的推力方向信号发送给推力方向控制子模块；
典型系统工作模式为6种，工作参数按照下表进行解算：
Figure BDA0002995183000000061
Figure BDA0002995183000000071
以5kW轨道转移模式为例：
功率控制子模块用于接收模式解算子模块发送的点火功率信号(屏栅电流Ib0＝3.7A、屏栅电压Vb0＝1200V、阳极电流Ia0＝15～25A)，并根据接收到的点火功率信号形成点火功率控制信号，并将点火功率控制信号输出给多模式电源模块；
多模式电源模块用于接收功率控制子模块输出的点火功率控制信号，并根据接收到的点火功率控制信号进行点火功率调节(调节阳极电流在15～25A范围内，调节屏栅电流到3.7A、调节屏栅电压到1200V)，将调节后的点火功率输出给多模式电推力器；多模式电源模块还根据调节后的点火功率将形成功率遥测信号反馈给功率控制子模块，功率控制子模块根据反馈的功率遥测信号完成点火功率的闭环控制；
流率控制子模块用于接收模式解算子模块发送的点火流率信号(中和器流率
Figure BDA0002995183000000072
阴极流率
Figure BDA0002995183000000073
阳极流率
Figure BDA0002995183000000074
)，并根据接收到的点火流率信号，形成点火流率控制信号，并将点火流率控制信号输出给多模式流率控制模块；
多模式流率控制模块用于接收流率控制子模块输出的点火流率控制信号，并根据接收到的点火流率控制信号进行点火流率调节(调节中和器流率到0.3mg/s、阴极流率到0.2mg/s、阳极流率到5.4mg/s)，将调节后的点火流率输出给多模式电推力器，多模式流率控制模块将调节后的点火流率形成流率遥测信号反馈给流率控制子模块，流率控制子模块根据反馈的流率遥测信号完成点火流率的闭环控制；
推力方向控制子模块用于接收模式解算子模块发送的推力方向信号(X轴转动角度α0＝0°、Y轴转动角度β0＝0°)，并根据接收得的推力方向信号，形成推力方向控制信号，并将推力方向控制信号输出给多模式方向调节装置，多模式方向调节装置根据推力方向控制信号进行推力方向调节(调节X轴转动角度到0°、Y轴转动角度到0°)，在多模式方向调节装置进行推力方向调节时能够带动多模式电推力器进行转动；多模式方向调节装置将调节后的推力方向形成推力方向遥测信号反馈给推力方向控制子模块，推力方向控制子模块根据反馈的推力方向遥测信号完成推力方向的闭环控制；
多模式电源模块，能够将星上一次母线功率转换为电推力器工作所需要的二次功率电源，包括阴极加热电源、阴极触持电源、阴极点火电源、中和器加热电源、中和器触持电源、中和器点火电源、阳极电源、屏栅电源、加速电源；同时多模式电源模块在电推进多模式控制模块送来的点火功率控制信号的驱动控制下，按照设定时序实现各二次电源的启动和关闭，以及功率的大范围调节；阳极电源和屏栅电源为可调数字电源，可实现阳极输出功率和屏栅输出功率的多工作点调节，满足电推进系统多模式工作时的多工作点功率需求，典型工作功率为3kW、4kW和5kW。
多模式流率控制模块，能够对推进剂进行存储，并将存储的推进剂按照电推力器工作所需要的三路流率(中和器流率0.3mg/s、阴极流率0.2mg/s、阳极流率5.4mg/s)进行精确调节；多模式流率控制模块在电推进多模式控制模块送来的点火流率控制信号的驱动控制下，为多模式电推力器工作提供所需流率的推进剂；多模式流率控制模块采用可调流量控制器，可实现点火流率的多工作点调节，满足电推进系统多模式工作时的多工作点点火流率需求，流率范围0～10mg/s。
多模式方向调节装置，包括两个正交安装的驱动轴，能够对多模式电推力器的推力方向绕X轴和Y轴两个轴进行调节；多模式方向调节装置在电推进多模式控制模块送来的推力方向控制信号的驱动控制下，实现两个正交安装的驱动轴的转动，并在转动过程中带动安装在矢量调节机构上的多模式电推力器跟随转动，可实现将推力方向输出给多模式电推力器，满足电推进系统多模式工作时的不同推力指向需求，推力方向调节范围：X轴-20°～50°，Y轴：±30°。
多模式电推力器由中和器、阴极、放电室和屏栅组成，阴极用来产生电子，电子进入放电室，放电室的多级会切磁场将进入的电子进行约束，与多模式流率控制模块送来的推进剂碰撞，将推进剂进行电离，同时形成的离子在多模式电源模块送来的可调屏栅电源的电场作用下加速喷出产生推力，离子喷出后与中和器产生的电子中和形成中性的等离子体。多模式电推力器能够适应不同点火流率、不同阳极功率、不同屏栅功率的工作工况。
一种电推进多模式自主控制方法，该方法的步骤包括：
1)电推进多模式控制模块的模式解算子模块接收到“5kW轨道转移模式”系统工作模式指令后，根据工作模式指令解算当前模式所需的点火流率信号(中和器流率
Figure BDA0002995183000000091
阴极流率
Figure BDA0002995183000000092
阳极流率
Figure BDA0002995183000000093
)、点火功率信号(屏栅电流Ib0＝3.7A、屏栅电压Vb0＝1200V、阳极电流Ia0＝15～25A)和推力方向信号(X轴转动角度α0＝0°、Y轴转动角度β0＝0°)，并分别作为功率控制子模块、流率控制子模块和推力方向控制子模块的输入；
2)功率控制子模块根据模式解算子模块送来的点火功率信号(屏栅电流Ib0＝3.7A、屏栅电压Vb0＝1200V、阳极电流Ia0＝15～25A)，形成点火功率控制信号，并输出给多模式电源模块，多模式电源模块根据点火功率控制信号，将屏栅电源的电压Vb调节至屏栅电压目标值Vb0，将阳极电源的电流Ia调节至阳极电流目标值Ia0，同时根据屏栅电源的电流Ib实时调节阳极电流输出值Ia，直至屏栅电源的电流Ib达到目标值的0.5％范围内，调节方法如下：若Ib<Ib0，则Ia＝Ia+istep，若Ib>Ib0，则Ia＝Ia-istep，直至
Figure BDA0002995183000000094
istep为调节步长，可通过遥控指令进行设置，istep设置范围为0.1A～0.2A，可根据点火需要进行配置；
3)流率控制子模块根据模式解算子模块送来的点火流率信号(中和器流率
Figure BDA0002995183000000101
阴极流率
Figure BDA0002995183000000102
阳极流率
Figure BDA0002995183000000103
)，形成点火流率控制信号，并输出给多模式流率控制模块，多模式流率控制模块根据点火流率控制信号，通过PID控制调节三路输出流率(中和器流率
Figure BDA0002995183000000104
阴极流率
Figure BDA0002995183000000105
阳极流率
Figure BDA0002995183000000106
)至当前工作模式下多模式电推力器正常点火所需要的三路目标流率(中和器流率
Figure BDA0002995183000000107
阴极流率
Figure BDA0002995183000000108
阳极流率
Figure BDA0002995183000000109
)，并输出至多模式电推力器的三个气路入口，分别对应中和器气路入口、阴极气路入口和阳极气路入口；
4)推力方向控制子模块根据模式解算子模块送来的推力方向信号(X轴转动角度α0＝0°、Y轴转动角度β0＝0°)，形成推力方向控制信号，并输出给多模式推力方向调节模块，多模式推力方向调节模块根据推力方向控制信号，将X轴驱动轴角度α转动至X轴目标角度α0，同时将Y轴驱动轴角度β转动至Y轴目标角度β0；多模式电推力器跟随矢量调节机构的X轴和Y轴转动，推力指向当前工作模式所需要的方向；
5)多模式电推力器在三路输出流率(中和器流率0.3mg/s、阴极流率0.2mg/s、阳极流率5.4mg/s)、屏栅电流Ib＝3.7A、屏栅电源的电压Vb＝1200V共同作用下，产生当前工作模式所需要的推力F＝200mN，推力精度优于1％。

Claims (10)

1.一种电推进多模式自主控制系统，其特征在于：该自主控制系统包括电推进多模式控制模块、多模式电源模块、多模式流率控制模块、多模式电推力器和多模式方向调节装置；多模式电推力器安装在多模式方向调节装置上，多模式方向调节装置能够带动多模式电推力器转动；
所述的电推进多模式控制模块包括模式解算子模块、功率控制子模块、流率控制子模块和推力方向控制子模块；
模式解算子模块用于接收系统工作模式指令，并根据接收到的系统工作模式指令解算该工作模式下点火功率信号、点火流率信号和推力方向信号，并将解算得到的点火功率信号发送给功率控制子模块，将解算得到的点火流率信号发送给流率控制子模块，将解算得到的推力方向信号发送给推力方向控制子模块；
功率控制子模块用于接收模式解算子模块发送的点火功率信号，并根据接收到的点火功率信号形成点火功率控制信号，并将点火功率控制信号输出给多模式电源模块；
多模式电源模块用于接收功率控制子模块输出的点火功率控制信号，并根据接收到的点火功率控制信号进行点火功率调节，将调节后的点火功率输出给多模式电推力器；多模式电源模块还将调节后的点火功率形成功率遥测信号反馈给功率控制子模块，功率控制子模块根据反馈的功率遥测信号完成点火功率的闭环控制；
流率控制子模块用于接收模式解算子模块发送的点火流率信号，并根据接收到的点火流率信号形成点火流率控制信号，并将点火流率控制信号输出给多模式流率控制模块；
多模式流率控制模块用于接收流率控制子模块输出的点火流率控制信号，并根据接收到的点火流率控制信号进行点火流率调节，将调节后的点火流率输出给多模式电推力器，多模式流率控制模块还将调节后的点火流率形成流率遥测信号反馈给流率控制子模块，流率控制子模块根据反馈的流率遥测信号完成点火流率的闭环控制；
推力方向控制子模块用于接收模式解算子模块发送的推力方向信号，并根据接收得的推力方向信号，形成推力方向控制信号，并将推力方向控制信号输出给多模式方向调节装置，多模式方向调节装置根据推力方向控制信号进行推力方向调节，在多模式方向调节装置进行推力方向调节时能够带动多模式电推力器进行转动；多模式方向调节装置将调节后的推力方向形成推力方向遥测信号反馈给推力方向控制子模块，推力方向控制子模块根据反馈的推力方向遥测信号完成推力方向的闭环控制。
2.根据权利要求1所述的一种电推进多模式自主控制系统，其特征在于：多模式电源模块能够将星上一次母线功率转换为电推力器工作所需要的二次功率电源。
3.根据权利要求2所述的一种电推进多模式自主控制系统，其特征在于：二次功率电源包括阴极加热电源、阴极触持电源、阴极点火电源、中和器加热电源、中和器触持电源、中和器点火电源、阳极电源、屏栅电源和加速电源。
4.根据权利要求2所述的一种电推进多模式自主控制系统，其特征在于：多模式电源模块在电推进多模式控制模块送来的点火功率控制信号的驱动控制下，按照设定时序实现各二次电源的启动和关闭，以及功率的大范围调节。
5.根据权利要求2所述的一种电推进多模式自主控制系统，其特征在于：阳极电源和屏栅电源为可调数字电源，能够实现阳极输出功率和屏栅输出功率的多工作点调节，满足电推进系统多模式工作时的工作功率需求，工作功率为3kW、4kW或5kW。
6.根据权利要求1所述的一种电推进多模式自主控制系统，其特征在于：多模式流率控制模块能够对推进剂进行存储，并将存储的推进剂按照电推力器工作所需要的三路流率进行大范围精确调节；多模式流率控制模块在电推进多模式控制模块送来的点火流率控制信号的驱动控制下，为多模式电推力器工作提供所需流率的推进剂；多模式流率控制模块采用可调流量控制器，可实现点火流率的多工作点调节，满足电推进系统多模式工作时的多工作点点火流率需求，流率范围0～10mg/s。
7.根据权利要求6所述的一种电推进多模式自主控制系统，其特征在于：三路流率为中和器流率
Figure FDA0002995182990000031
阴极流率
Figure FDA0002995182990000032
阳极流率
Figure FDA0002995182990000033
8.根据权利要求1所述的一种电推进多模式自主控制系统，其特征在于：多模式方向调节装置，包括两个正交安装的驱动轴，能够对多模式电推力器的推力方向绕X轴和Y轴两个轴进行调节；多模式方向调节装置在电推进多模式控制模块送来的推力方向控制信号的驱动控制下，实现两个正交安装的驱动轴的转动，并在转动过程中带动安装在矢量调节机构上的多模式电推力器跟随转动，实现将推力方向输出给多模式电推力器，满足电推进系统多模式工作时的不同推力指向需求，推力方向调节范围：X轴-20度～50度，Y轴：±30度。
9.根据权利要求1所述的一种电推进多模式自主控制系统，其特征在于：多模式电推力器由中和器、阴极、放电室和屏栅组成，阴极用来产生电子，电子进入放电室，放电室的多级会切磁场将进入的电子进行约束，与多模式流率控制模块送来的推进剂碰撞，将推进剂进行电离，同时形成的离子在多模式电源模块送来的可调屏栅电源的电场作用下加速喷出产生推力，离子喷出后与中和器产生的电子中和形成中性的等离子体，多模式电推力器能够适应不同点火流率、不同阳极功率、不同屏栅功率的工作工况。
10.一种电推进多模式自主控制方法，其特征在于该方法的步骤包括：
1)航天器根据任务需求给出系统工作模式指令，电推进多模式控制模块的模式解算子模块接收到系统工作模式指令后，根据工作模式指令解算当前模式所需的点火流率信号、点火功率信号和推力方向信号，并分别作为功率控制子模块、流率控制子模块和推力方向控制子模块的输入，点火流率信号包括中和器流率
Figure FDA0002995182990000041
阴极流率
Figure FDA0002995182990000042
和阳极流率
Figure FDA0002995182990000043
点火功率信号包括屏栅电流Ib0、屏栅电压Vb0和阳极电流Ia0，推力方向信号包括X轴转动角度α0和Y轴转动角度β0；
2)功率控制子模块根据模式解算子模块送来的点火功率信号，形成点火功率控制信号，并输出给多模式电源模块，多模式电源模块根据点火功率控制信号，将屏栅电源的电压Vb调节至屏栅电压目标值Vb0，将阳极电源的电流Ia调节至阳极电流目标值Ia0，同时根据屏栅电源的电流Ib实时调节阳极电流输出值Ia，直至屏栅电源的电流Ib达到目标值的0.5％范围内，调节方法如下：若Ib<Ib0，则Ia＝Ia+istep，若Ib>Ib0，则Ia＝Ia-istep，直至
Figure FDA0002995182990000044
istep为调节步长，可通过遥控指令进行设置，istep设置范围为0.1A～0.2A；
3)流率控制子模块根据模式解算子模块送来的点火流率信号，形成点火流率控制信号，并输出给多模式流率控制模块，多模式流率控制模块根据点火流率控制信号，通过PID控制调节三路输出流率至当前工作模式下多模式电推力器正常点火所需要的三路目标流率，并输出至多模式电推力器的三个气路入口，分别对应中和器气路入口、阴极气路入口和阳极气路入口，三路输出流率包括中和器流率
Figure FDA0002995182990000045
阴极流率
Figure FDA0002995182990000046
和阳极流率
Figure FDA0002995182990000047
三路目标流率包括中和器流率
Figure FDA0002995182990000048
阴极流率
Figure FDA0002995182990000049
和阳极流率
Figure FDA00029951829900000410
4)推力方向控制子模块根据模式解算子模块送来的推力方向信号，形成推力方向控制信号，并输出给多模式推力方向调节模块，多模式推力方向调节模块根据推力方向控制信号，将X轴驱动轴角度α转动至X轴目标角度α0，同时将Y轴驱动轴角度β转动至Y轴目标角度β0；多模式电推力器跟随矢量调节机构的X轴和Y轴转动，推力指向当前工作模式所需要的方向；
5)多模式电推力器在三路输出流率、屏栅电源的电流Ib、屏栅电源的电压Vb共同作用下，产生当前工作模式所需要的推力，三路输出流率包括中和器流率
Figure FDA0002995182990000051
阴极流率
Figure FDA0002995182990000052
和阳极流率
Figure FDA0002995182990000053
CN202110327474.7A 2021-03-26 2021-03-26 一种电推进多模式自主控制系统及方法 Active CN113107798B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110327474.7A CN113107798B (zh) 2021-03-26 2021-03-26 一种电推进多模式自主控制系统及方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110327474.7A CN113107798B (zh) 2021-03-26 2021-03-26 一种电推进多模式自主控制系统及方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113107798A true CN113107798A (zh) 2021-07-13
CN113107798B CN113107798B (zh) 2022-07-29

Family

ID=76712360

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110327474.7A Active CN113107798B (zh) 2021-03-26 2021-03-26 一种电推进多模式自主控制系统及方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113107798B (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113738606A (zh) * 2021-08-27 2021-12-03 西安交通大学 一种针对离子电推进系统的连续变推力最优控制系统和方法
CN113830334A (zh) * 2021-09-28 2021-12-24 北京控制工程研究所 一种电推进系统推力方向调节方法
CN113931816A (zh) * 2021-09-30 2022-01-14 北京控制工程研究所 一种电推进系统双推力器同步工作方法及系统

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060168936A1 (en) * 2005-01-31 2006-08-03 The Boeing Company Dual mode hybrid electric thruster
CN106401795A (zh) * 2016-10-28 2017-02-15 北京控制工程研究所 一种基于HEMPT推力器的mN级推力连续可调电推进系统及方法
CN106545479A (zh) * 2016-12-07 2017-03-29 兰州空间技术物理研究所 一种真空弧推力器、多模式结构、多模式实现方式
CN107725295A (zh) * 2017-09-01 2018-02-23 兰州空间技术物理研究所 离子推力器宽功率范围多模式工作点优化方法和控制方法
CN108915969A (zh) * 2018-07-18 2018-11-30 北京理工大学 一种多模式螺旋波离子推力器

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060168936A1 (en) * 2005-01-31 2006-08-03 The Boeing Company Dual mode hybrid electric thruster
CN106401795A (zh) * 2016-10-28 2017-02-15 北京控制工程研究所 一种基于HEMPT推力器的mN级推力连续可调电推进系统及方法
CN106545479A (zh) * 2016-12-07 2017-03-29 兰州空间技术物理研究所 一种真空弧推力器、多模式结构、多模式实现方式
CN107725295A (zh) * 2017-09-01 2018-02-23 兰州空间技术物理研究所 离子推力器宽功率范围多模式工作点优化方法和控制方法
CN108915969A (zh) * 2018-07-18 2018-11-30 北京理工大学 一种多模式螺旋波离子推力器

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
张伟文 等: "空间电推进的技术发展及应用", 《国际太空》 *
温正 等: "多任务模式电推进技术", 《航天器工程》 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113738606A (zh) * 2021-08-27 2021-12-03 西安交通大学 一种针对离子电推进系统的连续变推力最优控制系统和方法
CN113830334A (zh) * 2021-09-28 2021-12-24 北京控制工程研究所 一种电推进系统推力方向调节方法
CN113830334B (zh) * 2021-09-28 2023-06-16 北京控制工程研究所 一种电推进系统推力方向调节方法
CN113931816A (zh) * 2021-09-30 2022-01-14 北京控制工程研究所 一种电推进系统双推力器同步工作方法及系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN113107798B (zh) 2022-07-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113107798B (zh) 一种电推进多模式自主控制系统及方法
US7395656B2 (en) Dual mode hybrid electric thruster
EP0550250B1 (en) Propulsion system for spacecraft
Koizumi et al. Miniature microwave discharge ion thruster driven by 1 watt microwave power
CN106401795B (zh) 一种基于HEMPT推力器的mN级推力连续可调电推进系统及方法
CN104454418B (zh) 一种可提高运行稳定性的电弧加热发动机
JP2001018899A (ja) 電気推進システムを制御するソラーアレイ制御装置
CN105620792A (zh) 一种采用斜装推力器进行卫星姿态和轨道控制的方法
CN1168333A (zh) 利用高比冲量推进器将航天器送入轨道的方法和系统
WO2013174211A1 (zh) 化学-电磁混合可变比冲的推进器
CN108798935A (zh) 一种碘卫星推力器的工质供应系统及使用方法
CN112407339A (zh) 基于霍尔电推进自生扭矩的航天器角动量控制方法和系统
CN114987803A (zh) 航天器角动量控制方法及系统
CN110576983B (zh) 一种轨道转移过程中的姿态确定方法
Kuninaka et al. Flight status of cathode-less microwave discharge ion engines onboard HAYABUSA asteroid explorer
CN113202708B (zh) 一种离子电推进系统在全寿命周期下的工作方法
CN112278330A (zh) 一种基于星时驱动的电推进位置保持方法
JP2021011257A5 (zh)
WO2016125145A1 (en) Method and system for station keeping of geo satellites
CN113217316B (zh) 一种基于Kaufman型离子推力器的推力调节方法及卫星应用
JP6472320B2 (ja) 人工衛星
Kuninaka et al. Powered flight of HAYABUSA in deep space
US20170305579A1 (en) Power architecture for solar electric propulsion applications
CN113830332A (zh) 一种电推轨道转移的点火姿态建立与动态跟踪方法
Duchemin et al. Development of a prototype thrust steering device for Hall-effect thrusters

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant