CN113217316A - 一种基于Kaufman型离子推力器的推力调节方法及卫星应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于航天器推进技术领域，具体公开了一种基于Kaufman型离子推力器的推力调节方法及卫星应用，推力调节方法包括步骤：确定最大推力下的最大阳极流率；形成多个不同量值的阳极流率；在每个阳极流率下根据预设的第二递减策略逐渐降低阳极电流，以及在每个阳极电流下根据预设的第三递减策略逐渐降低磁场强度，输出推力器对应的推力；在每个阳极流率及阳极电流下推力器的输出推力最大时，对总加速电压进行测控。本发明实现推力的宽范围、高精度、快速连续调节，实现推力器电气参数调节过程中推力的全覆盖，确保推力不存在断档，实现推力调节的高分辨率，并通过控制总加速电压的下限值，确保推力器在推力调节过程中不存在推力的异常变化。

Description

一种基于Kaufman型离子推力器的推力调节方法及卫星应用

技术领域

本发明涉及航天器推进技术领域，尤其涉及一种基于Kaufman型离子推力器的推力调节方法及卫星应用。

背景技术

基于Kaufman离子推力器的推力高精度、宽范围、连续调节技术主要应用于科学试验卫星的无拖曳任务及超低轨对地观测卫星的高精度轨道维持任务，属于航天器控轨精度最高、技术指标最复杂的飞行任务。

对于科学试验卫星的无拖曳任务，需要卫星在轨飞行过程中施加连续、稳定、精密的推力，以抵消保守力(重力)之外的非保守力(太阳光压、大气阻尼)作用，从而为卫星的核心载荷-重力幅度仪提供“纯净”的任务环境，满足其正常、稳定工作所需的力学、噪声环境要求。因此，根据非保守力的变化情况，能够实时为卫星提供快速、精密、宽范围可调的推力成为科学试验卫星推进系统配置选型的基本标准。对于超低轨对地观测卫星的高精度轨道维持任务，传统的化学发动机启动及工作过程中会产生明显的振动和冲击环境，对卫星的高精密、清晰、连续成像带来极大影响；此外，超低轨环境下卫星会遭受大量飞行阻尼，从而加快卫星轨道的下降速度，因此需要频繁启动发动机进行轨道维持，这将消耗大量推进剂，若采用传统的化学发动机将对卫星推进剂的携带量提出极高需求，有悖于卫星的高承载、长寿命发展要求。

目前，国内外已实现在轨工程化应用的电推力器均可实现一定的推力调节功能，就推力调节特性而言，主要存在以下特点：1)推力调节变比(最大推力与最小推力的比值)低，推力调节幅度有限，无法满足推力宽范围调节需求；2)推力点位单一，多为两至三个推力工况点，工作模式有限，无法满足推力连续调节需求；3)推力响应速度差，调节速度慢，无法适应推力快速调节需求；4)推力量级与其分辨率匹配性差，大推力工作时不能实现高精密分辨，高精密分辨时无法实现大推力工作。而得益于Kaufman型离子推力器的固有工作原理，其正常放电与束流引出过程之间存在着较弱的耦合性，有着比冲高、寿命长、推力精确可调的显著优势，可以在较宽范围内实现高效、稳定的工作，成为开展无拖曳飞行任务的科学试验卫星和实施高精密连续成像任务的超低轨对地观测卫星的推进系统唯一选择，同时也是决定卫星空间任务成败的关键。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的主要目的是提供一种基于Kaufman型离子推力器的推力调节方法及卫星应用。

一种基于Kaufman型离子推力器的推力调节方法，包括步骤：

S1：确定推力器在最大推力下的阳极流率，为最大阳极流率；

S2：按照预设的第一递减策略及最大阳极流率，形成多个不同量值的阳极流率；

S3：在每个阳极流率下，根据预设的第二递减策略逐渐降低阳极电流，以及在每个阳极电流下根据预设的第三递减策略逐渐降低磁场强度，输出推力器对应的推力；

S4：在每个阳极流率及阳极电流下推力器的输出推力最大时，对总加速电压进行测控。

进一步地，步骤S3中根据预设的第二递减策略逐渐降低阳极电流，以及在每个阳极电流下根据预设的第三递减策略逐渐降低磁场强度，包括：

S31：在当前阳极流率下调节阳极电流以及磁场强度，使推力器的输出推力达到最大值，且当前的阳极电压及其振荡均小于设定值，放电损耗保持在预期量级范围内时，令此时的阳极电流为最大阳极电流；

S32：在最大阳极电流下，将磁场强度按照第三递减策略逐级降低，直至输出推力低于最大值4mN或当前的阳极电压及其振荡均达到设定值；

S33：按照第二递减策略降低当前阳极电流，形成一组新阳极电流工况；

S34：调节磁场强度，使推力器的输出推力在新阳极电流工况下达到最大值，且当前的阳极电压及其振荡均小于设定值；

S35：在新阳极电流工况下，将磁场强度按照第三递减策略逐级降低，直至输出推力低于最大值4mN或当前的阳极电压及其振荡均达到设定值；

S36：循环执行步骤S33至S35，直至阳极电流降低至最大阳极电流的三分之二以下。

进一步地，步骤S4中对总加速电压进行测控包括：

根据第四递减策略逐渐降低总加速电压，直至推力器的输出推力出现逆向上升时，总加速电压为总加速电压下限值，以总加速电压大于或等于总加速电压下限值为要求执行步骤S1至步骤S3进行推力调节。

进一步地，步骤S1中确定推力器在最大推力下的阳极流率，包括：

根据最大推力点的比冲以及推力器的主阴极、中和器的工作要求，确定最大推力点下的阳极流率。

进一步地，第一递减策略的递减幅度范围为5％～10％。

进一步地，步骤S2中的多个不同量值的阳极流率具有等值的递减幅度。

进一步地，第二递减策略的递减幅度范围为5％～10％。；第三递减策略的递减幅度范围为0.1％～0.5％。

进一步地，第四递减策略的递减幅度范围为5V～10V。

进一步地，步骤S2中按照预设的第一递减策略及最大阳极流率，形成多个不同量值的阳极流率，包括：

S21：从零至最大阳极流率分为第一阳极流率区间和第二阳极流率区间；

S22：选定第一递减幅度值和第二递减幅度值，且第一递减幅度值小于第二递减幅度值；

S23：将第一阳极流率区间按照第一递减幅度值划分为多个不同量值的阳极流率，将第二阳极流率区间按照第二递减幅度值划分为多个不同量值的阳极流率。

一种如上基于Kaufman型离子推力器推力调节方法的卫星应用，包括对阳极流率进行开环控制，对阳极电流及磁场强度进行闭环控制，对总加速电压进行全过程控制。

本发明的基于Kaufman型离子推力器的推力调节方法及卫星应用，通过调节阳极电流、磁场强度、阳极流率和总加速电压实现推力的宽范围、高精度、快速连续调节；通过限定阳极流率和阳极电流的下降幅度，实现推力器电气参数调节过程中推力的全覆盖，确保推力不存在断档，可实现连续调节；通过限定磁场强度的调节幅度，实现推力调节的高分辨率，并通过控制总加速电压的下限值，确保推力器在推力调节过程中不存在推力的异常变化。基于此，卫星应用本方法时对阳极流率进行开环控制，对阳极电流和磁场强度进行闭环控制，并全过程控制总加速电压，在小幅改变卫星控制系统的情况下，可实现推力的宽范围、高精度、快速调节。

附图说明

图1为本发明实施例的基于Kaufman型离子推力器的推力调节方法的步骤流程图；

图2为本发明实施例的基于Kaufman型离子推力器的推力调节方法的另一步骤流程图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

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的一部分实施例，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。

本发明实施例为一种基于Kaufman型离子推力器的推力调节方法，如图1所示，包括步骤：

S1：确定推力器在最大推力下的阳极流率，为最大阳极流率。

此步骤中对于最大推力下阳极流率的确定，是根据最大推力点的比冲以及推力器的主阴极、中和器的工作要求来决定的，此步骤确定出最大阳极流率，后续步骤中阳极流率的调节范围即为大于零、小于等于最大阳极流率。

S2：按照预设的第一递减策略及最大阳极流率，形成多个不同量值的阳极流率。

本实施例中的第一递减策略的递减幅度范围为5％～10％，例如第一递减策略的递减幅度为10％时，形成的不同量值的阳极流率分别为：最大阳极流率、90％*最大阳极流率、80％*最大阳极流率、70％*最大阳极流率、60％*最大阳极流率、……、10％*最大阳极流率，此种方式下多个不同量值的阳极流率具有等值的递减幅度。

为确保推力工作点的全覆盖，可也根据推力调节的精细化需求，在阳极流率较大的区间采用较大量值的递减幅度，在阳极流率较小的区间采用较小量值的递减幅度，即：步骤S2中按照预设的第一递减策略及最大阳极流率，形成多个不同量值的阳极流率，包括：

S21：从零至最大阳极流率分为第一阳极流率区间和第二阳极流率区间。

S22：选定第一递减幅度值和第二递减幅度值，且第一递减幅度值小于第二递减幅度值。

例如第一递减幅度值为5％，第二递减幅度值为10％。

S23：将第一阳极流率区间按照第一递减幅度值划分为多个不同量值的阳极流率，将第二阳极流率区间按照第二递减幅度值划分为多个不同量值的阳极流率。

假设第一阳极流率区间为(0，70％*最大阳极流率]，第二阳极流率区间为[70％*最大阳极流率，最大阳极流率]，则不同量值的阳极流率分别为：最大阳极流率、90％*最大阳极流率、80％*最大阳极流率、70％*最大阳极流率、65％*最大阳极流率、60％*最大阳极流率、55％*最大阳极流率、50％*最大阳极流率、……、5％*最大阳极流率。

S3：在每个阳极流率下，根据预设的第二递减策略逐渐降低阳极电流，以及在每个阳极电流下根据预设的第三递减策略逐渐降低磁场强度，输出推力器对应的推力。

具体的，如图2所示，步骤S3中根据预设的第二递减策略逐渐降低阳极电流，以及在每个阳极电流下根据预设的第三递减策略逐渐降低磁场强度，包括：

S31：在当前阳极流率下调节阳极电流以及磁场强度，使推力器的输出推力达到最大值，且当前的阳极电压及其振荡均小于设定值，放电损耗保持在预期量级范围内时，令此时的阳极电流为最大阳极电流。

在当前阳极流率下联动调节阳极电流以及磁场强度，直至推力器输出的推力达到当前阳极流率下的最大值，此时的阳极电流为最大阳极电流，将此时的磁场强度值为A。

S32：在最大阳极电流下，将磁场强度按照第三递减策略逐级降低，直至输出推力低于最大值4mN或当前的阳极电压及其振荡均达到设定值。

在最大阳极电流下逐级降低磁场强度，本实施例中的第三递减策略的递减幅度范围可为0.1％～0.5％，以0.5％为例，磁场强度的递减值为：A、99.5％*A、99％*A、98.5％*A、98％*A、97.5％*A……，直至推力器输出的推力低于最大值(当前阳极流率下的推力最大值)4mN时，或者当前的阳极电压及其振荡均达到设定值时，停止调节磁场强度。此步骤中调节磁场强度使得推力器的输出推力降低了4mN，或者使得当前的阳极电压及其振荡均达到设定值，若两个判断条件中任意一个实现，则执行步骤S33。

S33：按照第二递减策略降低当前阳极电流，形成一组新阳极电流工况。

本实施例中的第二递减策略的递减幅度范围选定为5％～10％，以10％为例，每一组阳极电流工况按照递减的顺序排列为：最大阳极电流、90％*最大阳极电流、80％*最大阳极电流、70％*最大阳极电流、60％*最大阳极电流。本发明实施例限定阳极电流降低至最大阳极电流的三分之二(或66％)以下就停止当前阳极流率下的推力调节，而进行下一量值阳极流率下的阳极电流、磁场强度的调节。如此，每个量值的阳极流率点下形成至少五组阳极电流工况，在每组阳极电流工况中，再根据步骤S34、S35对磁场强度调节实现输出推力的调节。

S34：调节磁场强度，使推力器的输出推力在新阳极电流工况下达到最大值，且当前的阳极电压及其振荡均小于设定值。

在每个阳极电流工况下对磁场强度进行调节，首先输出该阳极电流工况下最大的推力，再对磁场强度进行逐级降低，如步骤S35。

S35：在新阳极电流工况下，将磁场强度按照第三递减策略逐级降低，直至输出推力低于最大值4mN或当前的阳极电压及其振荡均达到设定值。

此步骤的判定与步骤S32的判定相似，此处不赘述。

S36：循环执行步骤S33至S35，直至阳极电流降低至最大阳极电流的三分之二以下。

以上，完成了一个量值的阳极流率之下的阳极电流、磁场强度的调节，并依次完成每个量值的阳极流率下的阳极电流、磁场强度的调节，直至阳极流率将要减为零。在一个量值的阳极流率之下，各阳极电流工况下的最大输出推力均应高于上一阳极电流工况下的最小输出推力，从而达到推力工作点的全覆盖。

S4：在每个阳极流率及阳极电流下推力器的输出推力最大时，对总加速电压进行测控。

具体的，本发明步骤S4中对总加速电压进行测控包括：根据第四递减策略逐渐降低总加速电压，直至推力器的输出推力出现逆向上升时，总加速电压为总加速电压下限值，以总加速电压大于或等于总加速电压下限值为要求执行步骤S1至步骤S3进行推力调节。

本实施例中的第四递减策略的递减幅度范围可选为5V～10V，以10％为例.总加速电压的递减如：总加速电压、90％*总加速电压、80％*总加速电压、70％*总加速电压……，直至推力器的输出推力出现逆向上升，以此时的总加速电压作为总加速电压下限值，在整个推力调节的过程中，均保持总加速电压不低于总加速电压下限值，确保推力器在推力调节过程中不存在推力的异常变化。

本发明的基于Kaufman型离子推力器的推力调节方法，通过调节推力器的阳极电流、磁场强度、阳极流率以及总加速电压来实现，具有工程可实现性强、工作可靠性高以及推广范围宽、精度高等突出优势；本调节方法基于Kaufman型离子推力器，实现推力的宽范围、高精度、快速连续调节，相比于其他工作原理的电推进推力调节技术，本发明具备毫牛级推力的微牛级分辨能力，可实现较大量值的推力调节变比，推力调节变比达到40(最小推力为1mN，最大推力为40mN)、全范围推力分辨率优于10μN、推力响应速度优于2.5mN/s，在轨累计工作近20000h；本发明以Kaufman型离子推力器为基础，相比其他类型的电推进推力调节技术，具有比冲高、寿命长的突出优势，可满足卫星高承载、长寿命应用需求，具有更好的工程可实现性和更优的工程可靠性。

本发明还提供一种基于上述实施例推力调节方法的卫星应用，包括对阳极流率进行开环控制，对阳极电流及磁场强度进行闭环控制，对总加速电压进行全过程控制。

本发明实施例通过调节阳极电流、磁场强度、阳极流率和总加速电压实现推力的宽范围、高精度、快速连续调节；通过限定阳极流率和阳极电流的下降幅度，实现推力器电气参数调节过程中推力的全覆盖，确保推力不存在断档，可实现连续调节；通过限定磁场强度的调节幅度，实现推力调节的高分辨率，并通过控制总加速电压的下限值，确保推力器在推力调节过程中不存在推力的异常变化。基于此，卫星应用本方法时对阳极流率进行开环控制，对阳极电流和磁场强度进行闭环控制，并全过程控制总加速电压，在小幅改变卫星控制系统的情况下，可实现推力的宽范围、高精度、快速调节。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于Kaufman型离子推力器的推力调节方法，其特征在于，包括步骤：

S1：确定推力器在最大推力下的阳极流率，为最大阳极流率；

S2：按照预设的第一递减策略及所述最大阳极流率，形成多个不同量值的阳极流率；

S3：在每个所述阳极流率下，根据预设的第二递减策略逐渐降低阳极电流，以及在每个阳极电流下根据预设的第三递减策略逐渐降低磁场强度，输出推力器对应的推力；

S4：在每个所述阳极流率及所述阳极电流下推力器的输出推力最大时，对总加速电压进行测控。

2.如权利要求1所述的基于Kaufman型离子推力器的推力调节方法，其特征在于，步骤S3中根据预设的第二递减策略逐渐降低阳极电流，以及在每个阳极电流下根据预设的第三递减策略逐渐降低磁场强度，包括：

S31：在当前阳极流率下调节所述阳极电流以及所述磁场强度，使推力器的输出推力达到最大值，且当前的阳极电压及其振荡均小于设定值，放电损耗保持在预期量级范围内时，令此时的阳极电流为最大阳极电流；

S32：在所述最大阳极电流下，将所述磁场强度按照所述第三递减策略逐级降低，直至输出推力低于最大值4mN或当前的阳极电压及其振荡均达到设定值；

S33：按照所述第二递减策略降低当前阳极电流，形成一组新阳极电流工况；

S34：调节所述磁场强度，使推力器的输出推力在所述新阳极电流工况下达到最大值，且当前的阳极电压及其振荡均小于设定值；

S35：在所述新阳极电流工况下，将所述磁场强度按照所述第三递减策略逐级降低，直至输出推力低于最大值4mN或当前的阳极电压及其振荡均达到设定值：

S36：循环执行步骤S33至S35，直至阳极电流降低至所述最大阳极电流的三分之二以下。

3.如权利要求1所述的基于Kaufman型离子推力器的推力调节方法，其特征在于，步骤S4中对总加速电压进行测控包括：

根据第四递减策略逐渐降低所述总加速电压，直至推力器的输出推力出现逆向上升时，所述总加速电压为总加速电压下限值，以所述总加速电压大于或等于所述总加速电压下限值为要求执行步骤S1至步骤S3进行推力调节。

4.如权利要求1所述的基于Kaufman型离子推力器的推力调节方法，其特征在于，步骤S1中确定推力器在最大推力下的阳极流率，包括：

根据最大推力点的比冲以及推力器的主阴极、中和器的工作要求，确定最大推力点下的阳极流率。

5.如权利要求1所述的基于Kaufman型离子推力器的推力调节方法，其特征在于，所述第一递减策略的递减幅度范围为5％～10％。

6.如权利要求1所述的基于Kaufman型离子推力器的推力调节方法，其特征在于，步骤S2中的多个不同量值的阳极流率具有等值的递减幅度。

7.如权利要求1所述的基于Kaufman型离子推力器的推力调节方法，其特征在于，所述第二递减策略的递减幅度范围为5％～10％。；所述第三递减策略的递减幅度范围为0.1％～0.5％。

8.如权利要求1所述的基于Kaufman型离子推力器的推力调节方法，其特征在于，所述第四递减策略的递减幅度范围为5V～10V。

9.如权利要求1所述的基于Kaufman型离子推力器的推力调节方法，其特征在于，步骤S2中按照预设的第一递减策略及所述最大阳极流率，形成多个不同量值的阳极流率，包括：

S21：从零至所述最大阳极流率分为第一阳极流率区间和第二阳极流率区间；

S22：选定第一递减幅度值和第二递减幅度值，且第一递减幅度值小于第二递减幅度值；

S23：将所述第一阳极流率区间按照所述第一递减幅度值划分为多个不同量值的阳极流率，将所述第二阳极流率区间按照所述第二递减幅度值划分为多个不同量值的阳极流率。

10.一种如权利要求1至9中任一项基于Kaufman型离子推力器推力调节方法的卫星应用，其特征在于，包括对所述阳极流率进行开环控制，对所述阳极电流及所述磁场强度进行闭环控制，对所述总加速电压进行全过程控制。

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