JP7369790B2 - 宇宙船の動作のための再構成可能な電力処理ユニット - Google Patents

Description

本開示は、一般に、宇宙船電力処理ユニットに関し、より詳細には、宇宙船用の再構成可能な電力処理ユニットに関する。

宇宙船、例えば衛星および他の同様の大きさとされた宇宙整形装置は、一般に、宇宙船を再配向させる、または動かすように構成されたスラスタを備えている。スラスタに加えて、宇宙船は、電力が機能することを必要とする１つまたは複数の搭載システムを有することになる。スラスタおよび搭載システムの電力要求は、大いに異なっており、現存の宇宙船は、異なる電力処理ユニットを利用して、スラスタおよび搭載システムに電力を供給する。

スラスタに給電するのに必要な電力処理ユニットは、大型で重く、一般に、スラスタが動作されていないときには使用されない。結果として、宇宙船の空間および重量の相当な量が、制限された動作を促進し、この制限された動作の外側で最小限の実用性を提供するように利用される。

１つの例示的な実施例では、宇宙船用の再構成可能な電力処理ユニットは、第１電源および第２電源をそれぞれ有し、第１電源および第２電源は、第１状態で直列であり、第２状態で並列であるように構成される、複数の電力モジュールと、各電力モジュールを、複数の電力モジュールの他の電力モジュールおよび電力処理出力部の少なくとも一方に接続し、電力モジュールの状態を制御するように構成された複数の接触器と、を備える。

上述の宇宙船用の再構成可能な電力処理ユニットの他の例では、複数の接触器は、第１状態で、複数の電力モジュールの第１モジュールを、複数の電力モジュールの第２モジュールと直列に配置するように構成される。

任意の上述の宇宙船用の再構成可能な電力処理ユニットの他の例では、複数の接触器は、第２状態で、各第１電源を各他の第１電源と並列に配置し、各第２電源を各他の第２電源と並列に配置するように構成される。

任意の上述の宇宙船用の再構成可能な電力処理ユニットの他の例では、複数の接触器の各接触器の状態は、コントローラによって制御される。

任意の上述の宇宙船用の再構成可能な電力処理ユニットの他の例では、コントローラは、指示を格納するメモリを有し、指示は、電力処理ユニットの電源を切り、複数の接触器の各接触器の状態を移行させ、電力処理ユニットを再始動することによって第１状態から第２状態に複数の接触器を移行させるように構成される。

任意の上述の宇宙船用の再構成可能な電力処理ユニットの他の例では、複数の接触器の各接触器は、機械的リレー、半導体スイッチおよび電子論理回路の１つである。

任意の上述の宇宙船用の再構成可能な電力処理ユニットの他の例では、複数の接触器の各接触器は、機械的リレーである。

任意の上述の宇宙船用の再構成可能な電力処理ユニットの他の例では、第２状態は、低電圧供給状態であり、複数の接触器は、通常は第１状態にあるように構成される。

任意の上述の宇宙船用の再構成可能な電力処理ユニットの他の例では、複数の電力モジュールの各電力モジュールの第１電源は、１５０Ｖ、１１Ａの電源である。

任意の上述の宇宙船用の再構成可能な電力処理ユニットの他の例では、第２状態は、６００Ｖ、２２Ａの高電圧電源である。

任意の上述の宇宙船用の再構成可能な電力処理ユニットの他の例では、第１状態は、１５０Ｖ、８８Ａの低電圧電源である。

任意の上述の宇宙船用の再構成可能な電力処理ユニットの他の例では、複数の電力モジュールの各電力モジュールは同一である。

任意の上述の宇宙船用の再構成可能な電力処理ユニットの他の例では、複数の電力モジュールは、少なくとも４つの電力モジュールを有する。

任意の上述の宇宙船用の再構成可能な電力処理ユニットの他の例では、複数の電力モジュールは、厳密に４つの電力モジュールを有する。

電力処理ユニットを動作させる例示的な方法は、第１負荷によって規定される継続時間の間、切り換えられる電力バスに高電圧電力を供給することと、電力処理ユニットの電源を切ることと、複数の接触器の各接触器の状態を切り換えることによって、第１高電圧供給状態から第２低電圧供給状態に電力処理ユニットを移行させることと、電力処理ユニットを始動し、切り換えられる電力バスに低電圧電力を供給することと、を含む。

電力処理ユニットを動作させる上述の方法の他の例では、第１負荷は電気スラスタであり、継続時間はスラスタ動作の継続時間である。

電力処理ユニットを動作させる任意の上述の方法の他の例では、切り換えられる電力バスに低電圧電力を供給することは、切り換えられる電力バスを介して宇宙船の少なくとも１つの搭載電気システムに低電圧電力を供給することを含む。

１つの例示的な実施例では、宇宙船の電力分配システムが、第１状態で、切り換えられる電力バスに高電圧電力を供給し、第２状態で、切り換えられる電力バスに低電圧電力を供給するように構成された電力処理ユニットと、切り換えられる電力バスに接続され、第１状態の間に電力を受けるように構成された少なくとも１つの電子スラスタと、切り換えられる電力バスに接続され、第２状態の間に電力を受けるように構成された少なくとも１つの搭載電気システムと、電力処理ユニットの状態を制御するように構成されたコントローラと、を備える。

上述の宇宙船の電力分配システムの他の例では、電力処理ユニットは、第１電源および第２電源をそれぞれ有し、第１電源および第２電源は、第１状態で直列であり、第２状態で並列であるように構成される、複数の電力モジュールと、各電力モジュールを、複数の電力モジュールの他の電力モジュールおよび電力処理出力部の少なくとも一方に接続し、電力モジュールの状態を制御するように構成された複数の接触器と、を備える。

任意の上述の宇宙船の電力分配システムの他の例では、複数の電力モジュールの各電力モジュールは、同一である。

本発明の上述および他の特徴部は、以下の明細書および図面から最も良く理解されることができる。

再構成可能な電力処理ユニットを有した宇宙船電力システムの一部を示す図である。 高電圧構成における例示の再構成可能な電力処理ユニットを概略的に示す図である。 低電圧構成における図２の例示の再構成可能な電力処理ユニットを概略的に示す図である。 電力処理ユニットの構成を移行するように構成されたリレー接触器を有する図２および図３の例示の再構成可能な電力処理ユニットを概略的に示す図である。 第１構成から第２構成に電力処理ユニットを移行させるプロセスを示すフローチャートである。 １つの例示的な構成に従う切り換えられる電力バスを示す図である。

図１は、宇宙船または他の宇宙整形装置で使用される直流（ＤＣ）電力システム１０を概略的に示している。電力システム１０は、切り換えられる電力バス３０に電力を供給するように構成された再構成可能な電力処理ユニット２０を備えている。１つまたは複数の電子スラスタ３２および１つまたは複数の電子搭載システム３４を有する複数の異なる負荷３２，３４が、切り換えられる電力バス３０に接続されている。電力処理ユニット２０の状態が、コントローラ４０によって制御される。本明細書では、コントローラ４０から電力処理ユニット２０への単一の制御接続部として示されているが、本明細書で説明される再構成に影響を及ぼす必要があり得るように、任意の数の対応する接続部を用いることができることが理解される。

切り換えられる電力バス３０は、どちらの接続された負荷３２，３４が所定の時間において給電されているかを切り換えるように構成されたＤＣ電力伝達バスである。切り換えられる電力バス３０は、電力の切り換えを実行し、高電圧負荷および低電圧負荷の電圧および電流条件に抵抗することができる周知の電力バス形式とすることができる。図６を参照すると、切り換えられる電力バス３０の１つの実施例は、スイッチ５０１，５０３を有することができ、スイッチ５０１，５０３は、１つの電子スラスタバス５３２または搭載電子システムバス５３４に電力を導くように構成されている。電子スラスタバス５３２は、１つまたは複数の電子スラスタ３２に電力を供給し、搭載電気システムバスは、１つまたは複数の搭載電気システム３４に電力を供給する。

負荷３２，３４の各々に必要とされる電力特性は異なり、スラスタ３２は、高電圧、低電流の負荷（例えば、２２Ａで６００Ｖ）を必要とし、搭載エレクトロニクス３４は、低電圧の負荷（例えば７５Ｖ～１５０Ｖ）を必要とし、より高い電流（例えば８８Ａ）に抵抗することができる。

重量を低減し、電力処理ユニット２０に適合するのに必要な宇宙船の領域を減少させるために、単一の再構成可能な電力処理ユニット２０が、１つの構成でスラスタ３２を動作するように高電圧、低電流の電力を供給することができ、および、他の構成で搭載エレクトロニクスシステム３４を動作するように低電圧、高電流の電力を供給することができる。

図１の参照を継続しながら、図２は、高電圧、低電流の電力出力構成における例示の再構成可能な電力処理ユニット１００を概略的に示している。また、図１の参照を継続しながら、図３は、低電圧、高電流の電力出力構成における同様の例示の再構成可能な電力処理ユニット１００を概略的に示している。

例示の電力処理ユニット１１０は、４つのモジュール１１０を備えており、各モジュール１１０は、一対の電源１２０ａ，１２０ｂを有している。一例では、電源１２０ａ，１２０ｂの各々は、１５０Ｖ、１１Ａの電源である。例示的なモジュールは、ほぼ同一である。本明細書で使用されるように、ほぼ同一は、レイアウトの変化および機械的誤差を説明する同じまたはほぼ同じ特性を有した電気回路を参照する。

切り換えられるバス３０に６００Ｖ、２２Ａの電力出力を供給するために、各モジュール１１０の電源１２０ａ，１２０ｂは直列に接続され、このため、第１電源１２０ａの負の端子が第２電源１２０ｂの正の端子に接続されている。モジュール１１０は２つのモジュール１１０からなる２つの群に分けられており、所定の群のモジュール１１０も直列に配置されている群は、平列の構成で出力端子１３０に接続されている。６００Ｖ、２２Ａの電力出力構成が図２に示されている。

スラスタ３２が必要でないときには、電力処理ユニット１００が、図３に示した第２構成に切り換えられる。一例では、第２構成は、１５０Ｖ、８８Ａの電力出力構成である。この電力出力を実現するために、各モジュール１１０内の電源１２０ａ，１２０ｂは並列構成に切り換えられ、電源１２０ａ，１２０ｂの全てが、各他の電源１２０ａ，１２０ｂとの並列の接続において電源１３０に直接接続されている。

これらの構成の双方で動作するように構成されることによって、電力処理ユニット１００は、宇宙船の動作の特定のモードに基づいて、スラスタ３２および搭載電気システム３４に正確な電力レベルを供給することができる。次に、これにより、宇宙船の全体の重量が減少され、これは、単一の電力処理ユニット１００が、２つの異なる電力処理ユニットを予め要求した機能を提供することができるからである。

図１～図３の参照を継続しながら、図４は、設定可能なことを実現するように用いられたスイッチ１５０を有する電力処理ユニット１００を概略的に示している。電力処理ユニット１００は、図２の高電圧出力構成でスイッチ１５０を備えて示されている。一例では、スイッチ１５０の各々は、指令信号がコントローラ４０から受信されたときに第１接続から第２接続または開接続に切り換えるように構成された機械的リレーである。代替的な例では、トランジスタネットワークまたは他の電子論理回路を有した代替的なスイッチ１５０が使用されることができる。モジュール１１０の各々は、直列接続から並列接続へ電源１２０ａ，１２０ｂを切り換えるように構成された２つのスイッチ１５０を備えている。さらに、モジュール１１０の各々は、出力部１３０に接続され、およびモジュール１５０の外部の一対のスイッチ１５０を経由して対応する群の他のモジュール１１０に接続されている。

ある例では、スイッチ１５０は、制御信号が受信されていないときに、スイッチがあるデェフォルトまたは通常の位置とすることができる。例によっては、デェフォルト位置は、制御信号が受信されていないときに低電圧供給源（例えば図３）として電力処理ユニット１００を構成することができ、スイッチ１５０は、信号が受信されているときに位置を切り換える。

代替的な例では、スイッチ１５０は、デェフォルト位置無しのラッチ型接触器とすることができる。このような例では、スイッチ１５０は、制御信号が受信されるまでスイッチの電流状態を維持し、制御信号が受信されたときに状態を切り換える。切り換えられると、スイッチ１５０は、スイッチが再び切り換えるようにする他の制御信号が受信されるまでスイッチの新しい状態を維持する。

上述の図４の全般的な特徴部を参照すると、モジュール１１０の各群Ａ，Ｂは同一であり、以下のように構成される。群Ａ，Ｂは、第１電源１２０ａを備えた第１モジュール１１０を有しており、第１電源１２０ａは、正のノードおよび負のノードを有している。第１電源１２０ａの正のノードは、第１接触器１５０ａおよび正の出力ノード１３０＋によって第２電源１２０ｂの正のノードに接続されるか、または第１接触器１５０ａの状態に基づいて正の出力ノード１３０＋にのみ接続される。第１電源１２０ａの負のノードは、モジュール１１０内部の第２接触器１５０ｂの状態および第３接触器１５０ｃの状態に基づいて、第２電源１２０ｂの正のノードに接続されるか、または電力処理ユニット１００の負の出力ノード１３０－に接続される。

同様に、群Ａ，Ｂの各々の第２モジュール１１０は、正および負のノードを有した第１電源１２０ａを備えている。第１電源１２０ａの正のノードは、接触器１５０ｃによって群Ａ，Ｂの第１モジュールの第２電源１２０ｂの負のノードに接続されるか、または群Ａ，Ｂにおけるモジュール１１０の外部の他の接触器によって電力処理ユニット１００の正の出力端子１３０＋に接続される。第２モジュール１１０における第１電源１２０ａの負のノードは、接触器１５０ｃの状態に基づいて、電力処理ユニット１００の負の出力ノード１３０－に接続されるか、または負の出力ノード１３０－および群Ａ，Ｂの第１モジュール１１０における第２電力１２０ｂの負のノードに接続される。

図１～図４の参照を継続しながら、図５は、図２の高電圧構成から図３の低電圧構成に移行させるプロセスを示している。初めに、電力処理ユニット１００は図２の構成にあり、「スラスタに電力を供給する」ステップ２１０において、スラスタ３２に電力を供給する。宇宙船が再び位置決めされるときに、または、そうではなくて、スラスタ３２が作動される必要がないときに、コントローラは、電力がスラスタ３２で必要なく、「電力処理ユニットの電源を切る」ステップ２２０において、電力処理ユニット１００の電源を切る。

電力処理ユニット１００の電源が切られているときには、コントローラ１００は、「接触器を再構成する」ステップ２３０において、スイッチ１５０の各々の状態を反対の状態に移行させる。スイッチ１５０の全てが再構成されると、コントローラ４０は、「電力処理ユニットを始動する」ステップにおいて、電力処理ユニット１００を再始動し、バス３０に電力を供給する。次に、バス３０は、「搭載システムに電力を供給する」ステップ２５０において、接続された搭載電気システム３４に電力を供給する。

電力がスラスタ３２で再び必要とされるときには、プロセス２００は、初期の接触器の状態に戻るように逆転される。いずれの場合においても、バス３０に電力を供給する不注意の構成を防止するために、接触器は、電力処理ユニット１００の電源が切られているときに再構成される。

厳密に４つのモジュール１１０を含むものとして図示し、上述したが、再構成可能なシステムは、当業者によって、所定のシステムの要求された電力特性に基づいて、付加的な対の電力モジュールを有するように拡張されることができる。

図１～図６の例では、コントローラ４０は、動作の各モードの独特な制御特性を容易にする制御アルゴリズムを有する適合可能なデジタルコントローラである。代替的な例では、制御手法は、複雑なアナログコントローラの実施によって実現されることができる。

上述した概念が、単独でもしくは上述した他の概念のいずれかまたは全てとの組み合わせで用いられることができることが、さらに理解される。本発明の実施例が開示されたが、当業者は、特定の修正が本発明の範囲内に含まれ得ることを理解するであろう。この理由のために、以下の特許請求の範囲が、本発明の真の範囲および内容を決定するために検討されるべきである。

Claims (12)

1. 高電圧、低電流の電力を必要とする少なくとも１つの電子スラスタと、
   低電圧の電力を必要とする少なくとも１つの搭載電気システムと、
   前記少なくとも１つの電子スラスタに電力を供給することと、前記少なくとも１つの搭載電気システムに電力を供給することとの間で切り換わるように構成された電力伝達バスと、
   コントローラと、
   複数の電力モジュールを有した再構成可能な電力処理ユニットであって、各電力モジュールが、第１電源および第２電源を有し、各電力モジュールの前記第１電源および前記第２電源は、第１状態で直列であり、第２状態で並列であるように構成される、前記再構成可能な電力処理ユニットと、
   各電力モジュールを、前記複数の電力モジュールの他の電力モジュールおよび電力処理出力部の少なくとも一方に接続し、前記電力モジュールの状態を制御するように構成された複数の接触器であって、前記コントローラは、前記第１状態で少なくとも２つの前記複数の電力モジュールを直列に配置し、高電圧、低電流の電力を前記少なくとも１つの電子スラスタに供給するように前記複数の接触器を制御し、前記第２状態で前記電力モジュールを並列に配置し、低電圧の電力を前記少なくとも１つの搭載電気システムに供給するように前記複数の接触器を制御する、前記複数の接触器と、
   を備え、
   前記複数の電力モジュールは少なくとも４つの電力モジュールを有し、
   前記第１状態では、２つの前記電力モジュールが２つの群のうちの一方において直列となっており、
   前記第１状態では、他の２つの前記電力モジュールが前記２つの群のうちの他方において直列となっており、
   前記第１状態では、前記２つの群が並列であることを特徴とする宇宙船。
   
2. 前記コントローラは、前記第２状態で、各第１電源を各他の第１電源と並列に配置し、各第２電源を各他の第２電源と並列に配置するように前記複数の接触器を制御することを特徴とする請求項１に記載の宇宙船。
3. 前記コントローラは、指示を格納するメモリを有し、前記指示は、前記電力処理ユニットの電源を切り、前記複数の接触器の各接触器の状態を移行させ、前記電力処理ユニットを再始動することによって前記第１状態から前記第２状態に前記複数の接触器を移行させるように構成されることを特徴とする請求項１に記載の宇宙船。
4. 前記複数の接触器の各接触器は、機械的リレー、半導体スイッチおよび電子論理回路の１つであることを特徴とする請求項１に記載の宇宙船。
5. 前記複数の接触器の各接触器は、機械的リレーであることを特徴とする請求項４に記載の宇宙船。
6. 前記複数の接触器は、通常は前記第１状態にあるように構成されることを特徴とする請求項１に記載の宇宙船。
7. 前記複数の電力モジュールの各電力モジュールの前記第１電源は、１５０Ｖ、１１Ａの電源であることを特徴とする請求項１に記載の宇宙船。
8. 前記再構成可能な電力処理ユニットは、前記第１状態で６００Ｖ、２２Ａの高電圧電源であることを特徴とする請求項７に記載の宇宙船。
9. 前記再構成可能な電力処理ユニットは、前記第２状態で１５０Ｖ、８８Ａの低電圧電源であることを特徴とする請求項７に記載の宇宙船。
10. 前記複数の電力モジュールの各電力モジュールは同一であることを特徴とする請求項１に記載の宇宙船。
11. 前記複数の電力モジュールは、厳密に４つの電力モジュールを有することを特徴とする請求項１に記載の宇宙船。
12. 前記電力伝達バスは、ＤＣ電力伝達バスであることを特徴とする請求項１に記載の宇宙船。

Images