CN113501143B - 一种基于单台霍尔推力器实现微小卫星转轨和姿控的方法 - Google Patents

一种基于单台霍尔推力器实现微小卫星转轨和姿控的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于单台霍尔推力器实现微小卫星转轨和姿控的方法，属于微小卫星转轨和姿控技术领域。本发明通过将传统霍尔推力器的单管供气改进为多管供气，并利用霍尔推力器自身的工作原理，实现了仅用一台霍尔推力器就产生了x方向的力以及x，y，z方向的力矩。本发明的技术优点在于：通过一台霍尔推力器就能够实现微小卫星在轨道转移过程中的推力，并在维持转轨推力的前提下，同时能够完成卫星的姿态控制，从而提高了微小卫星的全电推技术应用的可行性。

Description

一种基于单台霍尔推力器实现微小卫星转轨和姿控的方法
技术领域
本发明涉及一种基于单台霍尔推力器实现微小卫星转轨和姿控的方法，属于微小卫星转轨和姿控技术领域。
背景技术
空间电推进技术与传统的化学推进相比，具有高必冲的先天优势，这意味着完成相同的飞行推进任务，采用电推进能够携带更少的推进剂，从而使卫星能够装备更多的有效载荷。尤其对于微小卫星来说，电推进技术能够显著提高其载干比。
随着对有效载荷携带量需求的不断提高，以及电推进技术的不断成熟，全电推卫星的技术应运而生。但通常情况下，由于电推进能提供的推力在毫牛级，而整星分配给电推进系统的功率有限，所以当前中大型平台的全电推技术因其转轨周期过长而难以大范围推广，因此中大型卫星一般都将电推进技术应用在轨道保持的任务中。而对于微小型卫星来说，由于其整星质量小，采用全电推变轨的策略更容易被接受。因此本专利针对微小卫星的全电推转轨问题进行专门的研究。
在空间电推进技术中，以霍尔电推进技术设计最成熟、应用最广泛，例如俄罗斯的SPT霍尔电推进技术，在轨总数接近500台。也就是说，如果将霍尔推力器应用于全电推技术中是十分可行的。另外，卫星在轨道转移的过程中，推力器提供的推力既要用于轨道提升，又要用于姿态控制，通常情况下都是由多台推力器完成的，这就需要整星提供更多的功率给推进系统，在微小卫星整星功率受限的情况下难以实现。如果拆分成多台超低功率的霍尔推力器，其能量转换效率又极低。所以在这种矛盾下，微小卫星的全电推技术难以实现。
卫星的轨道转移既要推进系统提供变轨推力，又要完成姿态控制，但微小卫星受整星功率限制无法安装多台霍尔推力器，而拆分成多台超低功率霍尔推力器的能量转换效率又极低。因此，微小卫星的全电推轨道转移技术并不容易实现。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于单台霍尔推力器实现微小卫星转轨和姿控的方法，该方法能够使微小卫星在提供变轨推力的同时，也能完成姿态控制，从而更有利于实现微小卫星的全电推变轨技术，使全电推技术既能提供卫星变轨所需的推力，也能完成卫星在变轨过程中的姿态控制。
本发明的技术解决方案是：
一种基于单台霍尔推力器实现微小卫星转轨和姿控的方法，该方法的步骤包括：
(1)设计具有可控力矩功能的霍尔推力器；
(2)将步骤(1)设计的霍尔推力器安装在微小卫星的-x轴上的中心位置，使霍尔推力器的中心与微小卫星的质心重合，这样安装的目的是为了使微小卫星在轨道转移时产生-x方向的推力；
(3)在转轨期间，当需要姿态y和z方向调控时，通过霍尔推力器上的供气管1通入不同流量的氙气，使霍尔推力器产生不经过霍尔推力器中心的-x方向的推力，即提供y和z方向的力矩；
当不需要进行姿态调控时，通过霍尔推力器上的供气管1通入相同流量的氙气，使霍尔推力器产生经过霍尔推力器中心的-x方向的推力，即不提供y和z方向的力矩；
通入不同流量的氙气产生力矩是因为每条供气管都由一个流量计或热节流阀单独控制流量，当需要霍尔推力器提供y和z轴方向的力矩时，通过控制阀门改变对应分段区域的气体供给，提高这一区域的气体密度，从而增加局部电离，在周向产生不均匀的推力，进而实现大小、位置都可控的力矩；
(4)在转轨期间，当需要姿态x方向调控时，通过改变励磁电流方向从而改变磁场方向，进而改变离子偏转方向，最终提供x方向正向力矩或反向力矩；
对于x轴方向的力矩产生是利用霍尔推力器本身的工作原理构造的。霍尔推力器的工作原理是氙气工质注入放电通道，另一方面，电子从通道出口进入后被正交的电磁场捕获从而作周向的漂移运动，当氙气与电子碰撞发生电离后，被等离子体自洽形成的电场加速，形成高速的等离子体射流，进而获得轴向的反作用力。但也正是由于正交电磁场的存在，离子在通过加速场时，会与周围的磁场作用受到垂直于离子运动方向的洛伦兹力，使得离子在磁场中产生方向偏转。这样，大量的离子沿同一方向偏转就会对推力器产生一个轴向的力矩。
一般离子周向偏转角度在4°左右，虽然产生的力矩很小，但是由于电推进产生的推力小，因此全电推的变轨策略需要推力器长时间的点火，所以叠加的x轴方向的力矩同样会很显著；
x轴的力矩方向取决于磁场的方向，而磁场方向直接由励磁电流的方向决定。因此，可以通过改变励磁电流的方向来控制x轴的力矩方向。
上述的单台霍尔推力器就能够产生x方向的力以及x，y，z方向的力矩，从而实现利用一台霍尔推力器完成转轨过程中全自由度的控制，并且也使得单台霍尔推力器在提供转轨推力的同时进行姿态控制。
所述的步骤(1)中，设计的具有可控力矩功能的霍尔推力器的气体分配器包括供气管、缓冲腔隔板和主体结构；
供气管还作为阳极电极；
缓冲腔隔板为n个，n不小于3；
主体结构包括内圈圆筒、外圈圆筒、上层隔板和下层隔板，外圈圆筒套在内圈圆筒外面，且在内圈圆筒和外圈圆筒之间安装上层隔板和下层隔板，内圈圆筒、外圈圆筒、上层隔板和下层隔板围成一环形空腔作为缓冲腔；
上层隔板上均匀分布有若干个出气口，出气口一般为几十个；
缓冲腔隔板均匀分布在缓冲腔内部用于将缓冲腔均匀分割成n+1个小腔室，且相邻的各个小腔室之间的气体不连通；
供气管为n+1个，供气管固定连接在下层隔板上，通过供气管能够将气体输入到缓冲腔内，且每个供气管均位于所在的小腔室的中心位置；
一种能够产生可控力矩的霍尔推力器，该霍尔推力器的气体分配器包括供气管和主体结构；
供气管还作为阳极电极；
主体结构为分瓣式结构，主体结构分为m瓣，主体结构由m瓣形成一个环形结构；
主体结构分为的每瓣均包括内圈圆筒、外圈圆筒、上层隔板、下层隔板、左侧缓冲腔隔板和右侧缓冲腔隔板，外圈圆筒套在内圈圆筒外面，且在内圈圆筒和外圈圆筒之间安装上层隔板和下层隔板，安装后通过左侧缓冲腔隔板和右侧缓冲腔隔板进行密封，内圈圆筒、外圈圆筒、上层隔板、下层隔板、左侧缓冲腔隔板和右侧缓冲腔隔板围成一扇形空腔作为扇形缓冲腔，主体结构一共形成m个扇形缓冲腔，且该m个扇形缓冲腔形成一环形缓冲腔；
上层隔板上均匀分布有若干个出气口，出气口一般为十几个，例如16个；
主体结构分为的每瓣之间的气体不连通；
供气管为m个，供气管固定连接在下层隔板上，通过供气管能够将气体输入到扇形缓冲腔内，且每个供气管均位于所在的主体结构分为的每瓣的中心位置。
考虑到缓冲腔隔板的受热膨胀问题，缓冲腔隔板的材料应与气体分配器的材料相同，通常为无磁不锈钢；
推力的产生与氙原子密度呈正相关，正是因为如此，每条供气管都由一个热节流阀单独控制流量，当需要霍尔推力器提供俯仰或滚动轴方向的力矩时，通过控制阀门改变对应分段区域的气体供给，提高这一区域的气体密度，从而增加局部电离，在周向产生不均匀的推力，进而实现大小、位置都可控的力矩。为保证电子在放电通道内的霍尔漂移不受分段不均匀供气的影响，当提高某一区域的供气量时，其余区域也需要少量通气，但只需保证最基本的电离、电子能够传导即可。
有益效果
(1)本发明通过将传统霍尔推力器的单管供气改进为多管供气，并利用霍尔推力器自身的工作原理，实现了仅用一台霍尔推力器就产生了x方向的力以及x，y，z方向的力矩。本发明的技术优点在于：通过一台霍尔推力器就能够实现微小卫星在轨道转移过程中的推力，并在维持转轨推力的前提下，同时能够完成卫星的姿态控制，从而提高了微小卫星的全电推技术应用的可行性。
(2)本发明中设计的气体分配器进行分段设计，将气体分配器的内部缓冲腔利用缓冲腔隔板分割为若干段；采用主体结构3为分瓣式结构，使得气体分配器的气密性更好；每一段分配器都分别由一条管路供气，通过控制每条管路供气的气体流量，从而达到通道各区域内氙工质密度不同的目的；
(3)本发明的分段设计采用阳极-多段气体分配器一体化的设计思路，将分段结构作为一个整体施加阳极电压，保证阳极放电电压的一致，使得电压不会做为变量影响放电；
(4)本发明覆盖各功率等级的霍尔推力器，尤其当推力器设计功率越高时，其几何尺寸也越大，气体分配器的直径也就越大，所产生的力矩也就越显著，当需要推力器提供俯仰或滚动的力矩时，通过多条供气管路的非均匀供气，能够产生一个明显并且自主可控的力矩，从而进一步拓展霍尔电推进技术的应用范围。
附图说明
图1为传统霍尔推力器的气体分配器和多段供气式气体分配器的构型及气体流动规律；
图2为多段供气式霍尔推力器产生推力的特征；
图3为霍尔推力器中离子受正交的电磁场影响产生的偏转运动，a)磁场向纸面内；b)磁场向纸面外；
图4为将单台霍尔推力器应用于微小卫星的轨道转移方式。
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。
一种基于单台霍尔推力器实现微小卫星转轨和姿控的方法，该方法的步骤包括：
(1)将单台霍尔推力器安装在卫星的-x轴上的中心位置，推力器的中心与整星的质心重合。
(2)该单台霍尔推力器采用多段供气的方式进行氙气的供给，从而使其能够产生不经过推力器中心的-x方向的推力，进而能够额外提供y和z方向的力矩。
(3)多段供气设计将传统单一的环型气体分配器进行分段设计，如图1所示，将气体分配器的内部缓冲腔利用缓冲腔隔板分割为n段(n≧2)。考虑到缓冲腔隔板的受热膨胀问题，缓冲腔隔板的材料应与气体分配器的材料相同，通常为无磁不锈钢。考虑到缓冲腔隔板的受热膨胀以及焊接的气密性问题，分段设计也可以采用n个(n≧2)分体气体分配器焊接。无论采用哪种分段设计，每一段分配器都分别由一条管路供气，共计n条供气管。这样设计的基本原理在于：推力的产生与氙原子密度呈正相关。正是因为如此，每条供气管都由一个流量计或热节流阀单独控制流量，当需要霍尔推力器提供y和z轴方向的力矩时，通过控制阀门改变对应分段区域的气体供给，提高这一区域的气体密度，从而增加局部电离，在周向产生不均匀的推力，进而实现大小、位置都可控的力矩，如图2所示。
(4)对于x轴方向的力矩产生问题，则是利用霍尔推力器本身的工作原理构造的。霍尔推力器的工作原理是氙气工质注入放电通道，另一方面，电子从通道出口进入后被正交的电磁场捕获从而作周向的漂移运动，当氙气与电子碰撞发生电离后，被等离子体自洽形成的电场加速，形成高速的等离子体射流，进而获得轴向的反作用力。但也正是由于正交电磁场的存在，离子在通过加速场时，会与周围的磁场作用受到垂直于离子运动方向的洛伦兹力，使得离子在磁场中产生方向偏转。这样，如图3所示，大量的离子沿同一方向偏转就会对推力器产生一个轴向的力矩，理论计算得到离子周向平均偏转角度在4°。
(5)对于(4)，根据其产生的原理，x轴的力矩方向取决于磁场的方向，而磁场方向直接由励磁电流的方向决定。因此，可以通过改变励磁电流的方向来控制x轴的力矩方向。
(6)如图4所示，在(2)和(4)的共同作用下，该单台霍尔推力器就能够产生x方向的力以及x，y，z方向的力矩，从而实现利用一台霍尔推力器完成转轨过程中全自由度的控制，并且也使得单台霍尔推力器在提供转轨推力的同时进行姿态控制。
实施例
一种基于单台霍尔推力器实现微小卫星转轨和姿控的方法，该方法的步骤包括：
(1)设计具有可控力矩功能的霍尔推力器；该霍尔推力器的气体分配器包括供气管1、缓冲腔隔板2和主体结构3；
供气管1还作为阳极电极；
缓冲腔隔板2为三个；
主体结构3包括内圈圆筒、外圈圆筒、上层隔板和下层隔板，外圈圆筒套在内圈圆筒外面，且在内圈圆筒和外圈圆筒之间安装上层隔板和下层隔板，内圈圆筒、外圈圆筒、上层隔板和下层隔板围成一环形空腔作为缓冲腔3；
上层隔板上均匀分布有四十个出气口4；
缓冲腔隔板2均匀分布在缓冲腔3内部用于将缓冲腔3均匀分割成四个小腔室，且相邻的各个小腔室之间的气体不连通；
供气管1为四个，供气管1固定连接在下层隔板上，通过供气管1能够将气体输入到缓冲腔3内，且每个供气管1均位于所在的小腔室的中心位置。
以SPT-100为例，其额定功率为1.35kW，额定流量为5.5mg/s，额定推力为82mN。这里任意例举一种工况：当向其中一根供气管供给4mg/s的流量，为了保证总额定功率和流量不变，向其余三根供气管供给0.5mg/s的流量，流量和推力成固定的比例关系，则此时供给4mg/s一侧的缓冲腔能够产生60mN的推力，其余三个缓冲腔分别产生7mN的推力，这便会产生显著的推力偏差，且这种偏差能够通过流量来进行控制。对于产生力矩的数值，应该有具体型号的卫星质心和霍尔推力器布局的数据才能够确定，因此此处无法给出整星力矩的数值，只提供产生力的差异。
(2)将步骤(1)设计的霍尔推力器安装在微小卫星的-x轴上的中心位置，使霍尔推力器的中心与微小卫星的质心重合，这样安装的目的是为了使微小卫星在轨道转移时产生-x方向的推力；
(3)在转轨期间，当需要姿态y和z方向调控时，通过霍尔推力器上的供气管1通入不同流量的氙气，使霍尔推力器产生不经过霍尔推力器中心的-x方向的推力，即提供y和z方向的力矩；
当不需要进行姿态调控时，通过霍尔推力器上的供气管1通入相同流量的氙气，使霍尔推力器产生经过霍尔推力器中心的-x方向的推力，即不提供y和z方向的力矩；
(4)在转轨期间，当需要姿态x方向调控时，通过改变励磁电流方向从而改变磁场方向，进而改变离子偏转方向，最终提供x方向正向力矩或反向力矩；
上述的单台霍尔推力器就能够产生x方向的力以及x，y，z方向的力矩，从而实现利用一台霍尔推力器完成转轨过程中全自由度的控制，并且也使得单台霍尔推力器在提供转轨推力的同时进行姿态控制。
假设该微小卫星采用SPT-100霍尔推力器作为推进系统，其额定功率为1.35kW，额定流量为5.5mg/s，额定推力为82mN，该推力器由4个供气管供气(n＝4)。
当在转轨期间不需要姿态调控时，由4个供气管均匀供气，每个供给流量为1.375mg/s，产生的推力经过推力器中心，数值为82mN，此时没有力矩产生。
当在转轨期间需要y和z方向的姿态调控时，此时就需要4个供气管进行不均匀的供气。因需要的力矩应该有具体型号的卫星质心和霍尔推力器布局的数据才能够确定，因此这里只随意列举一种情况：当向其中一根供气管供给4mg/s的流量，为了保证总额定功率和流量不变，向其余三根供气管供给0.5mg/s的流量，因流量和推力成固定的比例关系，则此时供给4mg/s一侧的缓冲腔能够产生60mN的推力，其余三个缓冲腔分别产生7mN的推力，SPT-100的放电通道平均半径为0.045m，产生的力矩为2.4*10-3N·m，以电推进平均变轨6个月来计算，连续点火产生的角动量为3.7*104kg·m2s。并且合力依然为82mN，因此，卫星能够在不影响转轨的情况下实现y和z方向的姿态调控。
当在转轨期间需要x方向的姿态调控时，通过调节励磁电流方向，便能够获得4°的x或-x方向的偏转力，周向力F与推力器轴向推力T之间的关系满足：F＝T·tan(4°)。计算得到F＝5.73mN，则扭矩为2.6*10-4N·m。当需要抵消这一方向的力矩时，只需再次调整励磁电流方向即可。
通过实施例能够看到，本发明通过一台霍尔推力器便提供了微小卫星在转轨时的推力和三轴力矩，从而实现了在转轨的同时进行姿态控制，显著提升了霍尔推力器在微小卫星中的作用。
本发明的步骤(1)中设计的霍尔推力器的气体分配器还可以是：包括供气管1和主体结构3；
供气管1还作为阳极电极；
主体结构3为分瓣式结构，主体结构3分为四瓣，主体结构3由四瓣形成一个环形结构；
主体结构3分为的每瓣均包括内圈圆筒、外圈圆筒、上层隔板、下层隔板、左侧缓冲腔隔板和右侧缓冲腔隔板，外圈圆筒套在内圈圆筒外面，且在内圈圆筒和外圈圆筒之间安装上层隔板和下层隔板，安装后通过左侧缓冲腔隔板和右侧缓冲腔隔板进行密封，内圈圆筒、外圈圆筒、上层隔板、下层隔板、左侧缓冲腔隔板和右侧缓冲腔隔板围成一扇形空腔作为扇形缓冲腔，主体结构3一共形成四个扇形缓冲腔，且该四个扇形缓冲腔形成一环形缓冲腔；
上层隔板上均匀分布有十个出气口4；
主体结构3分为的每瓣之间的气体不连通；
供气管1为四个，供气管1固定连接在下层隔板上，通过供气管1能够将气体输入到扇形缓冲腔内，且每个供气管1均位于所在的主体结构3分为的每瓣的中心位置。

Claims (5)

1.一种基于单台霍尔推力器实现微小卫星转轨和姿控的方法，其特征在于该方法的步骤包括：
(1)设计具有可控力矩功能的霍尔推力器；
(2)将步骤(1)设计的霍尔推力器安装在微小卫星的-x轴上的中心位置，使霍尔推力器的中心与微小卫星的质心重合；
(3)在转轨期间，当需要姿态y和z方向调控时，通过霍尔推力器上的供气管通入不同流量的氙气，使霍尔推力器产生不经过霍尔推力器中心的-x方向的推力，即提供y和z方向的力矩；
当不需要进行姿态调控时，通过霍尔推力器上的供气管通入相同流量的氙气，使霍尔推力器产生经过霍尔推力器中心的-x方向的推力，即不提供y和z方向的力矩；
在转轨期间，当需要姿态x方向调控时，通过改变励磁电流方向从而改变磁场方向，进而改变离子偏转方向，最终提供x方向正向力矩或反向力矩；
所述的步骤(1)中，设计的具有可控力矩功能的霍尔推力器的气体分配器包括供气管和主体结构；
主体结构为分瓣式结构，主体结构分为m瓣，主体结构由m瓣形成一个环形结构；
主体结构分为的每瓣均包括内圈圆筒、外圈圆筒、上层隔板、下层隔板、左侧缓冲腔隔板和右侧缓冲腔隔板，外圈圆筒套在内圈圆筒外面，且在内圈圆筒和外圈圆筒之间安装上层隔板和下层隔板，安装后通过左侧缓冲腔隔板和右侧缓冲腔隔板进行密封，内圈圆筒、外圈圆筒、上层隔板、下层隔板、左侧缓冲腔隔板和右侧缓冲腔隔板围成一扇形空腔作为扇形缓冲腔，主体结构一共形成m个扇形缓冲腔，且该m个扇形缓冲腔形成一环形缓冲腔；
上层隔板上均匀分布有若干个出气口；
主体结构分为的每瓣之间的气体不连通；
供气管为m个，供气管固定连接在下层隔板上，通过供气管能够将气体输入到扇形缓冲腔内。
2.根据权利要求1所述的一种基于单台霍尔推力器实现微小卫星转轨和姿控的方法，其特征在于：
每条供气管都由一个流量计或热节流阀单独控制流量，通入不同流量的氙气产生力矩，当需要霍尔推力器提供y和z轴方向的力矩时，通过控制阀门改变对应分段区域的气体供给，提高这一区域的气体密度，从而增加局部电离，在周向产生不均匀的推力，进而实现大小、位置都可控的力矩。
3.根据权利要求1所述的一种基于单台霍尔推力器实现微小卫星转轨和姿控的方法，其特征在于：
每个供气管均位于所在的扇形缓冲腔的中心位置，上层隔板上均匀分布有十六个出气口。
4.根据权利要求1所述的一种基于单台霍尔推力器实现微小卫星转轨和姿控的方法，其特征在于：
缓冲腔隔板的材料与气体分配器的材料相同，缓冲腔隔板的材料为无磁不锈钢。
5.根据权利要求1所述的一种基于单台霍尔推力器实现微小卫星转轨和姿控的方法，其特征在于：
每条供气管都由一个热节流阀单独控制流量，当需要霍尔推力器提供俯仰或滚动轴方向的力矩时，通过控制阀门改变对应分段区域的气体供给，提高这一区域的气体密度，从而增加局部电离，在周向产生不均匀的推力，进而实现大小、位置都可控的力矩。
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