CN114233593B - 一种改进设计的无质损电磁推进系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一种改进设计的无质损电磁推进系统，包括控制器、功率测量模块、信号源、放大器、环行器、功率分配器、移相器、相位测量模块、耦合器、推力器谐振腔等，本发明将包括两个功率入口的推力器谐振腔引入无质损电磁推进系统，要求两个功率入口输入的微波同频率且相位差保持在90度附近，将功率‑频率闭环控制和两个功率入口之间的相位差控制同时引入无质损电磁推进系统，使得无质损电磁推进能够同时实现频率匹配和相位差控制，能够满足具有两个功率入口的无质损电磁推力器的频率稳定匹配和功率入口相位差控制，可以有效改进无质损电磁推进的工作性能，延长航天器使用寿命，并能够在此基础上产生新概念航天器。

Description

一种改进设计的无质损电磁推进系统

技术领域

本发明属于航天器推进系统设计领域，涉及一种改进设计的无质损电磁推进系统。

背景技术

无质损电磁推进是近年来出现的一种新概念推进技术，该技术利用微波在特定结构谐振腔内的不均匀分布产生推力，是一种革命性的新技术，可以大幅度提高航天器的性能，并可能基于此技术产生新概念航天器。推力器谐振腔设计和无质损电磁推进分系统设计是该领域的关键技术。推力器谐振腔设计主要包括结构、材料、电磁场分布等，无质损电磁推进分系统设计指围绕推力器谐振腔搭建的微波系统设计，包括信号源、功率放大器、频率匹配控制等。

该领域现有的推力器谐振腔为单功率输入端口，因此无质损电磁推进分系统仅满足单功率输入端口推力器的功率提供和频率匹配，随着推力器的设计改进，为提高推力器的推力，提出了两个功率输入端口推力器谐振腔设计，要求两个功率入口输入的微波同频率且相位相差90度。因此，需要根据该要求改进设计无质损电磁推进分系统。

发明内容

本发明解决的技术问题为：克服现有技术不足，提供了适用于具有两个功率入口推力器的无质损电磁推进分系统设计，第一次将推力器腔体的中心频率控制和两个功率入口之间的相位差控制同时应用于无质损电磁推进分系统设计，解决了目前该类分系统设计不能匹配两个功率入口推力器的问题。

本发明解决的技术方案为：一种改进设计的无质损电磁推进系统，包括控制器、功率测量模块、信号源、放大器、环行器、功率分配器、移相器、相位测量模块、耦合器、推力器谐振腔；

信号源信号输出至放大器放大，放大后的功率信号从环行器1口进入，从环行器2口输出，环行器2口输出的功率信号经功率分配器分为两路，其中一路经第一耦合器进入推力器谐振腔的第一功率入口，另外一路经移相器和第二耦合器进入推力器谐振腔的第二功率入口；

功率测量模块通过推力器谐振腔的功率监测口测量推力器功率状态信号；

所述无质损电磁推进系统包括功率-频率闭环控制和相位差闭环控制；

功率-频率闭环控制如下：

功率测量模块通过环行器3口测量反射功率状态信号，功率测量模块检测将推力器功率状态信号和反射功率信号转换为相应的电压信号发送至控制器；控制器根据该推力器功率状态电压信号判断推力器功率是否正常；在推力器功率正常的状态下，控制器根据反射功率电压信号判断系统匹配状态，如果反射功率电压信号超过阈值，则控制器调节信号源开始扫频输出，通过扫频搜索反射功率最小值，找到推力器腔体中心频率；

相位差闭环控制如下：

相位测量模块在推力器腔体中心频率点测量推力器的第一功率入口和第二功率入口之间的相位差φ，以相位差φ为相位-频率闭环的控制目标，当相位差超出控制目标范围后，控制器调节移相器，使相位差φ回到控制目标范围内。

一种改进设计的无质损电磁推进系统，系统启动前，首先使用功率-频率闭环控制，找到推力器腔体的中心频点，功率-频率闭环保障系统的工作频率始终跟踪推力器腔体的中心频点；然后使用相位差闭环监测，在该中心频点测量推力器的第一功率入口和第二功率入口之间的相位差φ，当相位差超出90度±5度的范围后，控制器调节移相器使相位差回到90度±5度。

推力器谐振腔包括两个功率入口和一个功率监测口，要求两个功率入口输入的微波同频率且相位相差90度。

控制器具备1553B接口，通过1553B总线完成与星务管理单元的信息交互，通过1553B总线完成遥测参数的采集上传以及指令信息的接收。

控制器根据该推力器功率状态电压信号判断推力器功率是否正常的判断条件为：该推力器功率状态电压信号大于设定的阈值时，认为推力器功率是正常。

使用所述的改进设计的无质损电磁推进系统的控制方法，包括步骤如下：

使用功率-频率闭环控制，找到推力器腔体的中心频点，功率-频率闭环保障系统的工作频率始终跟踪推力器腔体的中心频点；

使用相位差闭环监测，在该中心频点测量推力器的第一功率入口和第二功率入口之间的相位差φ，当相位差超出90度±5度的范围后，控制器调节移相器使相位差回到90度±5度。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

本发明的推进系统将两个功率输入端口推力器谐振腔应用于无质损电磁推进系统，根据该类推力器的特点改进无质损电磁推进分系统设计，将功率-频率闭环控制和两个功率入口之间的相位差控制同时引入无质损电磁推进系统，解决了目前无质损电磁推进分系统不适合两个功率输入端口的推力器谐振腔的问题，且工作推力稳定，为该领域提供了一种设计实现方式。

附图说明

图1为一种改进设计的无质损电磁推进系统具体实施示意图；

图2为一种改进设计的无质损电磁推进系统功率信号流向示意图；

图3为一种改进设计的无质损电磁推进系统测量与控制信号流向示意图；

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

本发明是一种改进设计的无质损电磁推进系统，包括控制器、功率测量模块、信号源、放大器、环行器、功率分配器、移相器、相位测量模块、耦合器、推力器谐振腔、电缆等构成，该系统的推力器谐振腔包括两个功率入口和一个功率监测口，要求两个功率入口输入的微波同频率且相位相差90度。因此，该系统的设计要求：

1)对推力器腔体的中心频率控制，信号源的中心频率控制在推力器腔体的中心频率附近；

2)对两个功率入口之间的相位差控制，两个功率入口输入的微波应频率相同且相位差保持在90度附近；

为此，本发明将包括两个功率入口的推力器谐振腔引入无质损电磁推进系统，要求两个功率入口输入的微波同频率且相位差保持在90度附近，将功率-频率闭环控制和两个功率入口之间的相位差控制同时引入无质损电磁推进系统，使得无质损电磁推进能够同时实现频率匹配和相位差控制，能够满足具有两个功率入口的无质损电磁推力器的频率稳定匹配和功率入口相位差控制，可以有效改进无质损电磁推进的工作性能，延长航天器使用寿命，并能够在此基础上产生新概念航天器。该无质损电磁推力器设计不需使用化学燃料和工质气体、无羽流影响、重量轻、使用方便，可以大幅度提高航天器的性能，并可能基于此技术产生新概念航天器。

如图1所示，一种基于功率-频率闭环控制和相位差监测控制的无质损电磁推进系统，括控制器、功率测量模块、信号源、放大器、环行器、功率分配器、移相器、相位测量模块、耦合器、推力器谐振腔；相位测量模块测量推力器的两个功率入口之间的相位差φ，将相位差转化为电信号送控制器；功率测量模块测量环行器3口的推力器反射功率，将测量的推力器谐振腔的功率转化为电信号送控制器。

功率-频率闭环控制：控制器与信号源、功率测量模块协同，功率测量模块通过推力器谐振腔的功率监测口测量推力器功率状态信号，通过环行器3口测量反射功率状态信号，推力器功率状态信号和反射功率信号经功率测量模块检测转换为电压信号发送至控制器。控制器根据该推力器功率状态电压信号判断推力器功率是否正常(该推力器功率状态电压信号大于一定阈值认为功率是正常)。在推力器功率正常的状态，控制器进一步根据反射功率信号判断系统匹配状态(该反射功率电压信号小于一定阈值认为系统匹配良好)，如反射功率信号超过阈值，控制器调节信号源开始扫频，通过扫频搜索反射功率最小值的方法，找到推力器腔体中心频率，功率-频率闭环控制可以单独使用。

相位差闭环控制：相位测量模块在该推力器腔体中心频率测量推力器的第一功率入口和第二功率入口之间的相位差φ，以相位差φ为相位-频率闭环的控制目标，当相位差超出控制目标范围后，控制器调节移相器，使相位差φ回到控制目标范围内。

使用所述的改进设计的无质损电磁推进系统的控制方法，包括步骤如下：

系统启动前，首先使用功率-频率闭环控制，找到推力器腔体的中心频点，功率-频率闭环保障系统的工作频率始终跟踪推力器腔体的中心频点，然后相位差闭环监测，在该中心频率测量推力器第一功率入口和第二功率入口之间的相位差φ，当相位差超出90度±5度的范围后，控制器调节移相器使相位差回到90度±5度。

如图2所示，信号源信号输出至放大器放大，放大后的功率从环行器1口进入，从环行器2口输出，环行器2口输出的功率经功率分配器分为2路，其中1路经第一耦合器进入第一功率入口，另外1路经移相器和第二耦合器进入第二功率入口。

如图3，推力器功率状态信号和反射功率信号经功率测量模块至控制器，相位信号1和相位信号2经相位测量模块发送至控制器，控制器输出功率—频率闭环控制信号至信号源，控制器输出相位差闭环控制信号至移相器。

以往该类推进系统的设计，只有1个功率入口，不包括功率分配器和移相器，本发明的推力器同时安装了2个功率入口，且使用了功率分配器和移相器，使推力器的2个功率入口有可调节的相位差，且能够对该相位差完成闭环控制。

该系统主要实现以下功能：

1)信号源输出功能：信号源为功放输入端口提供稳定的L频段信号源，激励功放工作。信号源的输出频率可以在技术要求的频率范围(1390MHz～1500MHz)调节、提供频率步进、扫频等输出。

2)推力器谐振腔频率跟踪功能：功率测量模块能够接收来自环行器3口的反射信号，对该信号进行测幅，通过测量该信号幅度变化，控制器能够捕捉推力器谐振腔的谐振频率。当谐振腔受到外界干扰(如热应力)导致谐振腔频率发生变化时，控制器能够测量出推力器谐振腔的当前频率，并通过调节频率输出，使信号源的频率跟踪匹配推力器谐振腔当前的中心频率，实现频率跟踪功能。

3)相位差测量与控制功能：相位测量模块在推力器谐振腔当前的中心频率上，测量推力器的第一功率入口和第二功率入口之间的相位差，以相位差为闭环的控制目标。当微波系统收到外界干扰(如电缆受热或者外应力)，导致第一功率入口和第二功率入口之间的相位差超出控制目标范围后，控制器调节移相器，使相位差回到控制目标范围。

4)状态检测与模式控制功能：通过运行在控制器上的应用软件，实现子系统状态信息检测、参数设置与软件模式设置、幅度闭环控制、功放增益控制等功能。

5)1553B通信功能：控制器具备1553B接口，通过1553B总线完成与星务管理单元的信息交互，通过1553B总线完成遥测参数的采集上传以及指令信息的接收。

6)微波功率输出与功率控制功能。放大器用于微波功率输出与功率控制，环行器用于将微波功率输出到推力器。

7)推力器谐振腔用于实现推力产生功能。推力器谐振腔具有两个功率入口和至少一个功率监测口，放大器的微波功率经功率分配器和移相器，成为两路相位差90度的微波功率，推力器谐振腔接收这两路微波功率，将其微波能量转换为机械能，产生推力，同时提供推力器功率状态信号和反射功率信号，配合控制器完成频率闭环跟踪控制。

一种改进设计的无质损电磁推进系统，要求无质损电磁推进系统同时满足对推力器腔体的中心频率控制和对两个功率入口之间的相位差控制。

对推力器腔体的中心频率控制指信号源的中心频率控制在推力器腔体的中心频率附近，对两个功率入口之间的相位差控制指两个功率入口输入的微波相位差保持90度附近。

本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (3)

1.一种改进设计的无质损电磁推进系统，其特征在于，包括控制器、功率测量模块、信号源、放大器、环行器、功率分配器、移相器、相位测量模块、耦合器、推力器谐振腔；

信号源信号输出至放大器放大，放大后的功率信号从环行器1口进入，从环行器2口输出，环行器2口输出的功率信号经功率分配器分为两路，其中一路经第一耦合器进入推力器谐振腔的第一功率入口，另外一路经移相器和第二耦合器进入推力器谐振腔的第二功率入口；

功率测量模块通过推力器谐振腔的功率监测口测量推力器功率状态信号；

所述无质损电磁推进系统包括功率-频率闭环控制和相位差闭环控制；

功率-频率闭环控制如下：

功率测量模块通过环行器3口测量反射功率状态信号，功率测量模块检测将推力器功率状态信号和反射功率信号转换为相应的电压信号发送至控制器；控制器根据该推力器功率状态电压信号判断推力器功率是否正常；在推力器功率正常的状态下，控制器根据反射功率电压信号判断系统匹配状态，如果反射功率电压信号超过阈值，则控制器调节信号源开始扫频输出，通过扫频搜索反射功率最小值，找到推力器腔体中心频率；

相位差闭环控制如下：

相位测量模块在推力器腔体中心频率点测量推力器的第一功率入口和第二功率入口之间的相位差φ，以相位差φ为相位-频率闭环的控制目标，当相位差超出控制目标范围后，控制器调节移相器，使相位差φ回到控制目标范围内；

推力器谐振腔包括两个功率入口和一个功率监测口，要求两个功率入口输入的微波同频率且相位相差90度；

控制器具备1553B接口，通过1553B总线完成与星务管理单元的信息交互，通过1553B总线完成遥测参数的采集上传以及指令信息的接收；

控制器根据该推力器功率状态电压信号判断推力器功率是否正常的判断条件为：该推力器功率状态电压信号大于设定的阈值时，认为推力器功率是正常。

2.根据权利要求1所述的一种改进设计的无质损电磁推进系统，其特征在于，系统启动前，首先使用功率-频率闭环控制，找到推力器腔体的中心频点，功率-频率闭环保障系统的工作频率始终跟踪推力器腔体的中心频点；然后使用相位差闭环监测，在该中心频点测量推力器的第一功率入口和第二功率入口之间的相位差φ，当相位差超出90度±5度的范围后，控制器调节移相器使相位差回到90度±5度。

3.使用如权利要求1或2所述的改进设计的无质损电磁推进系统的控制方法，其特征在于，包括步骤如下：

使用功率-频率闭环控制，找到推力器腔体的中心频点，功率-频率闭环保障系统的工作频率始终跟踪推力器腔体的中心频点；

使用相位差闭环监测，在该中心频点测量推力器的第一功率入口和第二功率入口之间的相位差φ，当相位差超出90度±5度的范围后，控制器调节移相器使相位差回到90度±5度。