CN117175760A - 一种航天器静电放电能量自收集装置及静电收集设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种航天器静电放电能量自收集装置及静电收集设备。该装置包括充电模块和功率控制模块；其中，充电模块分别与具有静电放电能量的航天器的静电放电部件和功率控制模块连接，功率控制模块与航天器低能耗部件连接；通过充电模块回收航天器材料的静电放电能量并进行存储；采用功率控制模块将静电放电能量进行转化后输出至航天器低能耗部件，为航天器低能耗部件提供电能，可以有效自动收集静电放电能量并加以利用，解决了航天器因静电放电而受到干扰和损坏的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及航天技术领域，尤其涉及一种航天器静电放电能量自收集装置及静电收集设备。
背景技术
不等量充电是绝缘表面中不同特性、不同结构以及处于不同环境条件的材料各自达到局部平衡充电，从而可能导致不同表面间存在电势差。长期的不等量充电会诱发表面放电，放电会对材料性能和电子系统产生影响甚至损伤，这也是航天器介质材料绝缘损坏的一个重要因素。
目前航天器能量收集大多采用光伏储能的太阳电池阵，航天器材料易受到不等量充电的影响，也无法收集附着在航天器材料的静电放电能量，因为太空环境十分复杂，在地球静止轨道上存在大量等离子体。随着近年来工作电压设计的提升，太阳电池阵与太空等离子体耦合的机会也大大增加，使静电放电的几率提高。太阳电池阵表面的静电放电是由表面充电引起的，其能量主要来自储存在太阳电池中的玻璃盖板的静电能。这种静电放电称之为一次静电放电，一次静电放电会导致太阳能电池阵表面材料性能下降并产生电磁脉冲干扰，但并没有足够的能量来破坏太阳能电池阵。但一次放电可以瞬间使太阳能电池阵电路短路，引发二次放电。二次放电的持续时间比触发静电放电更长，它通过从分阵电路中收集能量来维持。二次放电可能导致高压太阳能电池阵永久性电路短路，放电电流会一直流动，直到绝缘层基底被热击穿。
因此亟待提出一种静电放电能量自收集装置以解决静电放电对航天器的干扰和损坏。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种航天器静电放电能量自收集装置及静电收集设备，用以解决现有航天器因静电放电而受到干扰和损坏的技术问题。
为了解决上述问题，本发明提供一种航天器静电放电能量自收集装置，该装置包括充电模块和功率控制模块；
其中，所述充电模块分别与具有静电放电能量的航天器的静电放电部件和所述功率控制模块连接，所述功率控制模块与航天器低能耗部件连接，所述充电模块包括MOS开关电路和超级电容器组；所述MOS开关电路分别与所述静电放电部件、所述功率控制模块以及所述超级电容器组连接；
所述充电模块用于回收所述静电放电部件的静电放电能量并进行存储；
所述功率控制模块用于将所述静电放电能量进行转化后输出至所述航天器低能耗部件，为所述航天器低能耗部件提供电能；所述功率控制模块包括单片机、功率电流回路、信号反馈电路和栅极驱动电路；
其中，所述单片机分别与所述信号反馈电路和所述栅极驱动电路连接，所述功率电流回路分别与所述超级电容器组、所述信号反馈电路、所述栅极驱动电路以及所述航天器低能耗部件连接，所述栅极驱动电路分别与所述MOS开关电路连接，所述信号反馈电路与所述MOS开关电路连接。
可选的，所述超级电容器组用于回收所述静电放电部件的静电放电能量并进行存储；
所述MOS开关电路用于响应所述功率控制模块发出的指令，控制所述超级电容器组与所述静电放电部件之间的通断。
可选的，所述功率电流回路用于将所述超级电容器组中存储的所述静电放电能量进行转换后输出至所述航天器低能耗部件；
所述信号反馈电路用于对所述MOS开关电路进行检测，得到所述超级电容器组的当前电量和所述静电放电部件的表面电势差，并将所述当前电量和所述表面电势差反馈至所述单片机；
所述单片机用于接收所述当前电量和所述表面电势差，并在所述当前电量的值大于预设电量值或所述表面电势差的值小于超级电容器组的电压值时，通过所述栅极驱动电路断开所述充电模块与所述静电放电部件之间的连接。
可选的，所述信号反馈电路还用于对输入所述功率电流回路的电压进行检测，并将检测结果反馈至所述单片机，以使所述单片机在所述检测结果异常时通过所述栅极驱动电路断开所述充电模块与所述功率电流回路之间的连接。
可选的，还包括放电保护电路；
其中，所述放电保护电路设置于所述静电放电部件与所述充电模块之间，用于对所述充电模块进行过充保护。
可选的，所述放电保护电路包括自恢复保险丝、二极管和压敏电阻；
其中，所述自恢复保险丝和所述二极管串联在所述静电放电部件与所述充电模块之间的一条支路上，所述压敏电阻并联在所述静电放电部件与所述充电模块之间。
可选的，还包括辅助电源电路；
其中所述辅助电源电路分别与所述充电模块以及所述功率控制模块连接；
所述辅助电源电路用于将所述充电模块中存储的所述静电放电能量进行降压转换后输出至所述功率控制模块，为所述功率控制模块提供开启电压。
可选的，所述静电放电部件包括单独设置的多个孤立静电部件；
其中，所述多个孤立静电部件通过多段导线串联，且所述多段导线之间无物理接触。
可选的，所述静电放电部件通过导线连接至所述充电模块的正输入端，所述充电模块的负输入端通过导线与所述航天器的绝缘部件连接。
本发明还提供一种静电收集设备，所述静电收集设备包括上述的航天器静电放电能量自收集装置。
本发明的有益效果是：本发明提供的航天器静电放电能量自收集装置包括充电模块和功率控制模块；其中，充电模块分别与具有静电放电能量的航天器材料和功率控制模块连接，功率控制模块与航天器低能耗部件连接；通过充电模块回收航天器材料的静电放电能量并进行存储；采用功率控制模块将静电放电能量进行转化后输出至航天器低能耗部件，为航天器低能耗部件提供电能，可以有效自动收集静电放电能量并加以利用，降低了航天器静电放电发生的可能性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的航天器静电放电能量自收集装置一实施例的结构示意图。
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。
应当理解，示意性的附图并未按实物比例绘制。本发明中使用的流程图示出了根据本发明的一些实施例实现的操作。应当理解，流程图的操作可以不按顺序实现，没有逻辑的上下文关系的步骤可以反转顺序或者同时实施。此外，本领域技术人员在本发明内容的指引下，可以向流程图添加一个或多个其他操作，也可以从流程图中移除一个或多个操作。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
本发明实施例提供了一种航天器静电放电能量自收集装置及静电收集设备，以下分别进行说明。
图1为本发明提供的航天器静电放电能量自收集装置一实施例的结构示意图，如图1所示，该装置包括充电模块110和功率控制模块120；
其中，充电模块110分别与具有静电放电能量的航天器的静电放电部件和功率控制模块120连接，功率控制模块120与航天器低能耗部件连接；
充电模块110用于回收静电放电部件的静电放电能量并进行存储；
功率控制模块120用于将静电放电能量进行转化后输出至航天器低能耗部件，为航天器低能耗部件提供电能。
需要说明的是，空间等离子体环境下航天器静电放电能量收集关键在于储存静电放电能量，以及消耗收集的静电放电能量，需要达到一个自循环的目的，本发明实施例通过充电模块110回收静电放电部件的静电放电能量，并进行存储，在采用功率控制模块120将该存储的静电放电能量进行相应的转换后供给给航天器上低能耗部件，以到达消耗该静电放电能量的目的，实现了航天器静电放电能量的自回收与自消耗，形成了一个良性循环。
与现有技术相比，本发明实施例提供的航天器静电放电能量自收集装置包括充电模块110和功率控制模块120；其中，充电模块110分别与具有静电放电能量的航天器的静电放电部件和功率控制模块120连接，功率控制模块120与航天器低能耗部件连接；通过充电模块110回收静电放电部件的静电放电能量并进行存储；采用功率控制模块120用于将静电放电能量进行转化后输出至航天器低能耗部件，为航天器低能耗部件提供电能，可以有效自动收集静电放电能量并加以利用，解决了航天器因静电放电而受到干扰和损坏的技术问题。
在本发明一些实施例中，充电模块110包括MOS开关电路111和超级电容器组112；
其中，MOS开关电路111分别与静电放电部件、功率控制模块120以及超级电容器组112连接；
超级电容器组112用于回收静电放电部件的静电放电能量并进行存储；
MOS开关电路111用于响应功率控制模块120发出的指令，控制超级电容器组112与静电放电部件之间的通断。
需要说明的是，在本发明实施例中，采用超级电容器组112存储静电放电能量，通过MOS开关电路111控制超级电容器组112与静电放电部件之间的通断，该MOS开关电路111还控制了超级电容器组112与功率控制模块120之间的通断；MOS开关电路111中MOS开关管的控制极由功率控制模块120进行控制。
在本发明的一些实施例中，功率控制模块120包括单片机121、功率电流回路122、信号反馈电路123和栅极驱动电路124；
其中，单片机121分别与信号反馈电路123和栅极驱动电路124连接，功率电流回路122分别与超级电容器组112、信号反馈电路123、栅极驱动电路124以及航天器低能耗部件连接，栅极驱动电路124分别与MOS开关电路111连接，信号反馈电路123与MOS开关电路111连接；
功率电流回路122用于将超级电容器组112中存储的静电放电能量进行转换后输出至航天器低能耗部件；
信号反馈电路123用于对MOS开关电路111进行检测，得到超级电容器组112的当前电量和静电放电部件的表面电势差，并将当前电量和表面电势差反馈至单片机121；
单片机121用于接收当前电量和表面电势差，并在当前电量的值大于预设电量值或表面电势差的值小于超级电容器组112的电压值时，通过栅极驱动电路124断开充电模块110与静电放电部件之间的连接。
需要说明的是，在本发明实施例中，通过信号反馈电路123对输入超级电容器组112的静电放电能量的电压、超级电热器输出至功率控制模块120的电压以及超级电容器组112自身的电量进行实时监测，并将监测的数据转换为电压信号后传输至单片机121，单片机121根据预设程序，将超级电容器组112的电量与预设电量进行比较，若超级电容器组112的电量大于预设电量，则表示超级电容器组112即将满容，需要停止超级电容器组112对静电放电部件的静电放电能量收集，因此单片机121发送控制信号至栅极驱动电路124，让栅极驱动电路124驱动MOS开关电路111中对应的MOS开关关断，以断开超级电容器组112与静电放电部件之间的连接，避免过充，导致超级电容器组112中的超级电容损坏。
可以理解的是，在本发明实施例中，单片机121还可以通过预设程序将信号反馈电路123监测到的静电放电部件输入超级电容器组112的电压（即静电放电部件的表面电势差）与超级电容器组112的电压进行比较，并在该表面电势差值大于等于超级电容器组112的电压值时，让栅极驱动电路124驱动MOS开关电路111中对应的MOS开关关断，以断开超级电容器组112与静电放电部件之间的连接，避免超级电容器组112电流倒灌至静电放电部件，造成航天器材料损坏，还可以保证超级电容器组112输出电压的稳定。
在本发明一些实施例中，信号反馈电路123还用于对输入功率电流回路122的电压进行检测，并将检测结果反馈至单片机121，以使单片机121在检测结果异常时通过栅极驱动电路124断开充电模块110与功率电流回路122之间的连接。
可以理解的是，超级电容器组112电压高或异常时，输入功率回路的电压可能过高导致航天器低能耗部件损坏，因此信号反馈电路123还监测了输入功率电流回路122的电压，使单片机121可以再该输入功率电流回路122的电压过高或异常时，通过栅极驱动电路124驱动MOS开关电路111，断开充电模块110与功率电流回路122之间的连接，对航天器低能耗部件进行保护，此时单片机121复位，超级电容器组112重新收集静电放电能量。
在本发明一些实施例中，该装置还包括放电保护电路130；
其中，放电保护电路130设置于静电放电部件与充电模块110之间，用于对充电模块110进行过充保护。
需要说明的是，在本发明实施例中，为了防止充电模块110中的超级电容器组112发生过充，不能正常收集静电放电能量，在充电模块110与静电放电部件之间设置了放电保护电路130，对充电模块110进行过充保护，还可以进行防倒灌保护，避免充电模块110对静电放电部件充电，造成航天器材料持续放电而损坏。
在本发明一些实施例中，放电保护电路130包括自恢复保险丝、二极管和压敏电阻；
其中，自恢复保险丝和二极管串联在静电放电部件与充电模块110之间的一条支路上，压敏电阻并联在静电放电部件与充电模块110之间。
可以理解的是，在本发明实施例中，放电保护电路130采用的是不消耗电量的自恢复保险丝、二极管和压敏电阻，通过自恢复保险丝避免静电放电部件输入充电模块110的功率过高，通过二极管防止充电模块110中的电流倒灌至静电放电部件中，通过压敏电阻防止输入充电模块110的静电放电能量的电压过高。
在本发明一些实施例中，该装置还包括辅助电源电路140；
其中辅助电源电路140分别与充电模块110以及功率控制模块120连接；
辅助电源电路140用于将充电模块110中存储的静电放电能量进行降压转换后输出至功率控制模块120，为功率控制模块120提供开启电压。
可以理解的是，在本发明实施例中，该辅助电源电路140主要由降压电路构成，用于将超级电容器组112的电压降压转换为功率控制模块120中各个电子器件需要的开启电压后输出至功率控制模块120，例如单片机121的电源电压，栅极驱动电路124的开启电压等，只要超级电容器组112可以正常收集静电放电能量，就会有电压输出，就可以通过辅助电源电路140保证整个航天器静电放电能量自收集装置的正常运行。
在本发明一些实施例中，静电放电部件包括单独设置的多个孤立静电部件；
其中，多个孤立静电部件通过多段导线串联，且多段导线之间无物理接触。
在本发明一些实施例中，静电放电部件通过导线连接至充电模块110的正输入端，充电模块110的负输入端通过导线与航天器的绝缘部件连接。
可以理解的是，空间等离子体环境中含有静电放电能量的材料不仅仅只有单个组成部分，也有整个材料中被孤立的材料（即孤立静电部件），例如玻璃盖板，通过上述方法，本发明可以将多个玻璃盖板通过导线以及印制银浆焊点串联起来，以绝缘材料为负极，玻璃盖板为正极连接至航天器静电放电能量自收集装置，并保证导线之间互不接触，避免导线之间产生电磁感应；本发明实施例对孤立静电部件并不做具体限定，上述玻璃盖板仅为举例说明。
进一步的，本发明实施例还提出一种静电收集设备，该静电收集设备包括上述的航天器静电放电能量自收集装置，该静电收集设备的具体实施例参照上述的航天器静电放电能量自收集装置的实施例，在此不做赘述。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种航天器静电放电能量自收集装置，其特征在于，包括充电模块和功率控制模块；
其中，所述充电模块分别与具有静电放电能量的航天器的静电放电部件和所述功率控制模块连接，所述功率控制模块与航天器低能耗部件连接，其中，所述充电模块包括MOS开关电路和超级电容器组，所述MOS开关电路分别与所述静电放电部件、所述功率控制模块以及所述超级电容器组连接；
所述充电模块用于回收所述静电放电部件的静电放电能量并进行存储；
所述功率控制模块用于将所述静电放电能量进行转化后输出至所述航天器低能耗部件，为所述航天器低能耗部件提供电能；所述功率控制模块包括单片机、功率电流回路、信号反馈电路和栅极驱动电路；
其中，所述单片机分别与所述信号反馈电路和所述栅极驱动电路连接，所述功率电流回路分别与所述超级电容器组、所述信号反馈电路、所述栅极驱动电路以及所述航天器低能耗部件连接，所述栅极驱动电路分别与所述MOS开关电路连接，所述信号反馈电路与所述MOS开关电路连接。
2.根据权利要求1所述的航天器静电放电能量自收集装置，其特征在于，所述超级电容器组用于回收所述静电放电部件的静电放电能量并进行存储；
所述MOS开关电路用于响应所述功率控制模块发出的指令，控制所述超级电容器组与所述静电放电部件之间的通断。
3.根据权利要求2所述的航天器静电放电能量自收集装置，其特征在于，所述功率电流回路用于将所述超级电容器组中存储的所述静电放电能量进行转换后输出至所述航天器低能耗部件；
所述信号反馈电路用于对所述MOS开关电路进行检测，得到所述超级电容器组的当前电量和所述静电放电部件的表面电势差，并将所述当前电量和所述表面电势差反馈至所述单片机；
所述单片机用于接收所述当前电量和所述表面电势差，并在所述当前电量的值大于预设电量值或所述表面电势差的值小于超级电容器组的电压值时，通过所述栅极驱动电路断开所述充电模块与所述静电放电部件之间的连接。
4.根据权利要求3所述的航天器静电放电能量自收集装置，其特征在于，所述信号反馈电路还用于对输入所述功率电流回路的电压进行检测，并将检测结果反馈至所述单片机，以使所述单片机在所述检测结果异常时通过所述栅极驱动电路断开所述充电模块与所述功率电流回路之间的连接。
5.根据权利要求1所述的航天器静电放电能量自收集装置，其特征在于，还包括放电保护电路；
其中，所述放电保护电路设置于所述静电放电部件与所述充电模块之间，用于对所述充电模块进行过充保护。
6.根据权利要求5所述的航天器静电放电能量自收集装置，其特征在于，所述放电保护电路包括自恢复保险丝、二极管和压敏电阻；
其中，所述自恢复保险丝和所述二极管串联在所述静电放电部件与所述充电模块之间的一条支路上，所述压敏电阻并联在所述静电放电部件与所述充电模块之间。
7.根据权利要求1所述的航天器静电放电能量自收集装置，其特征在于，还包括辅助电源电路；
其中所述辅助电源电路分别与所述充电模块以及所述功率控制模块连接；
所述辅助电源电路用于将所述充电模块中存储的所述静电放电能量进行降压转换后输出至所述功率控制模块，为所述功率控制模块提供开启电压。
8.根据权利要求1-7任一项所述的航天器静电放电能量自收集装置，其特征在于，所述静电放电部件包括单独设置的多个孤立静电部件；
其中，所述多个孤立静电部件通过多段导线串联，且所述多段导线之间无物理接触。
9.根据权利要求1所述的航天器静电放电能量自收集装置，其特征在于，所述静电放电部件通过导线连接至所述充电模块的正输入端，所述充电模块的负输入端通过导线与所述航天器的绝缘部件连接。
10.一种静电收集设备，其特征在于，所述静电收集设备包括权利要求1-9任一项所述的航天器静电放电能量自收集装置。
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2023
- 2023-11-02 CN CN202311448386.8A patent/CN117175760B/zh active Active
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|---|---|
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