一种基于HEMPT推力器的mN级推力连续可调电推进系统及方法

摘要

一种基于HEMPT推力器的mN级推力连续可调电推进系统及方法，包括：HEMPT推力器、电推进控制单元、比例流量贮供单元、数字化调节电源单元；电推进控制单元在星上控制指令控制下，电推进控制单元产生两组驱动控制信号，驱动控制信号1送至比例流量贮供单元，驱动控制信号2送至数字化调节电源单元；同时，电推进控制单元采集比例流量贮供单元反馈的遥测信号1和数字化调节电源单元反馈的遥测信号2，并形成遥测包送至外部星上计算机；推力器产生mN级推力连续可调推力，本发明具有系统简单可靠、重量轻、工作电压低、推力调节范围广等优点。通过该系统的设计，可实现推力连续调节，推力调节范围达到1mN～20mN，推力分辨率优于15μN。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于HEMPT推力器的mN级推力连续可调电推进系统及方法，属于航天器推进技术领域，主要应用于航天器无拖曳控制。

背景技术

高精度无拖曳控制技术目前主要应用于引力波探测、重力场高精度测量等科学任务，从有效载荷测量精度及控制精度需求来看，属于当前精度要求最高、控制指标最复杂的空间任务。所谓的无拖曳控制技术，即采用惯性检测和微推力控制相结合，在航天器上施加持续的推力，以此“抵消”大气或太阳光压等非保守力的作用，其目的是要为超高精度测量仪器(比如重力梯度仪)提供一个近乎“纯引力”作用下的飞行环境，满足有效载荷正常工作对平台的技术需求，使其免于因为过大的加速度而进入饱和状态。

对于航天器无拖曳控制任务，为了实时补偿轨道周期变化所导致的大气阻力变化，必须实现mN级推力连续可调，同时因为轨道维持所需要的速度增量较大，对推进系统的比冲也提出了极高要求。要满足上述两个要求，变推力的电推进系统是最优选择。因此mN级变推力电推进系统是实现无拖曳控制的核心技术之一，要实现无拖曳控制技术的在轨应用，必须突破mN级推力连续调节电推进系统关键技术。

目前国内外航天器广泛应用的电推进系统主要是基于固定推力的电推进系统，其推力基本保持不变或者两到三个推力工况点，无法满足无拖曳控制对推力连续调节的需求。目前国外无拖曳控制航天器采用的mN级变推力电推进系统则是基于考夫曼型氙离子推力器，其系统结构复杂、重量大、工作电压高。

发明内容

本发明解决的技术问题为：克服现有技术不足，提供一种基于HEMPT推力器的mN级推力连续可调电推进系统及方法，具有系统简单可靠、重量轻、工作电压低、推力调节范围广等优点。通过该系统的设计，可实现推力连续调节，推力调节范围达到1mN～20mN，推力分辨率优于15μN。

本发明解决的技术方案为：一种基于HEMPT推力器的mN级推力连续可调电推进系统，包括：HEMPT推力器、电推进控制单元、比例流量贮供单元、数字化调节电源单元；

电推进控制单元，接收星上控制指令，在星上控制指令控制下，电推进控制单元产生两组驱动控制信号，分别为驱动控制信号1和驱动控制信号2，驱动控制信号1送至比例流量贮供单元，驱动控制信号2送至数字化调节电源单元；同时，电推进控制单元采集比例流量贮供单元反馈的遥测信号1和数字化调节电源单元反馈的遥测信号2，并将遥测信号1和遥测信号2形成遥测包送至外部星上计算机；电推进控制单元由外部星上一次电源供电；

数字化调节电源单元，能够将星上一次电源转换为HEMPT推力器工作所需要的二次功率电源送给HEMPT推力器；

比例流量贮供单元，能够存储推进剂，并对推进剂供给进行管理；

驱动控制信号1和驱动控制信号2分别控制比例流量贮供单元和数字化调节电源单元为HEMPT推力器提供点火工作所需的推进剂流率和功率，实现HEMPT推力器的正常点火；

比例流量贮供单元将HEMPT推力器工作时的推进剂流率形成遥测信号1反馈给电推进控制单元；

数字化调节电源单元将HEMPT推力器工作时的功率形成遥测信号2反馈给电推进控制单元；

驱动控制信号1控制比例流量贮供单元为HEMPT推力器提供所需的推进剂方法如下：

比例流量贮供单元，能够存储和管理推进剂，比例流量贮供单元包括比例阀；在电推进控制单元送来的驱动控制信号1的驱动控制下为HEMPT推力器正常工作提供额定阳极和阴极流率的推进剂，阴极流率供给保持恒定，而阳极流率供给则采用比例阀控制，能够实现阳极流率供给连续调节，以满足推力粗调的需求。

驱动控制信号2控制数字化调节电源单元为HEMPT提供所需的功率方法如下：

数字化调节电源单元，将星上一次电源转换为HEMPT推力器工作所需要的二次功率电源，包括阴极加热电源、点火电源和阳极电源，为HEMPT推力器工作提供点火脉冲以及电离和加速电场；同时，数字化调节电源单元，在电推进控制单元送来的驱动控制信号2的驱动控制下，实现各二次功率电源的启停和功率调节，阴极加热电源为恒流源、点火电源为脉冲电源，阳极电源为数字化控制电压源，能够实现阳极电压的连续调节，以满足推力精调的需求。

所述HEMPT推力器包括阴极和会切磁场加速器，阴极用来产生电子，一部分电子进入会切磁场加速器，会切磁场加速器的通道的多级尖端会切磁场将进入会切磁场加速器的电子束缚在HEMPT推力器轴向区域，与比例流量贮供单元送来的推进剂碰撞产生电离，形成的离子在数字化调节电源单元送过来的阳极电源作用下加速喷出产生推力，离子喷出后与一部分阴极电子中和形成中性的等离子体；

HEMPT推力器产生的推力能够连续调节是通过改变推力器的推进剂阳极流率和阳极电压来实现的。本发明的HEMPT推力器阳极电压范围：100V～500V，阳极流率范围：3sccm～20sccm，其输出推力近似为在阳极流率维持不变的情况下，推力与阳极电压V_a成近似线性关系，其比例系数为k₂，在阳极电压V_a维持不变的情况下，推力与阳极流率成近似线性关系，其比例系数为k₁，其中k₁、k₂、k₃为常数，通过实验标定获得。

所述的电推进控制单元，包括：控制参数分配模块、阳极流率输入模块、阳极流率PID控制器、阳极电压PID控制器、参数采集模块1、参数采集模块2、推力预估模块、减法器1、减法器2；

星上控制指令送至控制参数分配模块，控制参数分配模块根据星上控制指令，即推力指令(推力指令中给出了所需的阳极流量目标值和推力目标值)，确定所需的阳极流量目标值和推力目标值，然后将阳极流量目标值送至减法器2输入端，将推力目标值送至减法器1输入端；

参数采集模块2接受数字化调节电源单元反馈的HEMPT推力器工作时的阳极流率送至减法器2；

减法器2将与所需的阳极流率目标值作差后通过阳极流率比例控制器进行PID控制，得到驱动控制信号2送至比例流量贮供单元；

参数采集模块1接收数字化调节电源单元反馈的HEMPT推力器的工作电压V_a、电流I_a送至推力预估单元，推力预估单元根据反馈的HEMPT推力器的工作电压V_a、电流I_a，预估出推力送至减法器1；减法器1，根据星上控制指令，即推力指令，将推力指令中的目标推力值F_o与推力预估单元预估的推力F_a进行作差，并通过阳极电压PID控制单元进行PID控制，输出驱动控制信号1送至数字化调节电源单元。

一种基于HEMPT推力器的mN级推力连续可调方法，步骤如下：

(1)星上计算机给出的星上控制指令，即推力指令，包括所需要的阳极流量目标值和目标推力值，以设定的频率输入到电推进控制单元后，电推进控制单元根据推力指令，得到所需要的阳极流率目标值和推力目标值，并分别作为比例流量控制单元和数字化调节电源单元的输入信号；

(2)比例流量控制单元根据所需要的阳极流量目标值，通过PID控制输送给HEMPT推力器正常工作所需的流率；

(3)数字化调节电源单元根据需要的推力目标值，通过PID控制输出给HEMPT推力器正常工作所需的阳极电压；

(4)HEMPT推力器在阳极流率和阳极电压的作用下形成推力；

(5)实时测量HEMPT推力器的工作阳极流率并反馈给电推进控制单元，电推进控制单元将设定的目标推力值和反馈的HEMPT推力器的工作阳极流率进行比较，比例贮供单元的阳极流率输出信号根据工作阳极流率与目标推力值的偏差由PID控制器自动控制，通过比例贮供单元的PID控制实现推力的粗调节。

(6)实时测量HEMPT推力器的工作电压V_a、电流I_a并反馈给电推进控制单元，电推进控制单元根据HEMPT推力器的工作电压V_a、电流I_a预估出推力值F_a，然后将设定的目标推力值F_o和该预估的推力值F_a进行比较，阳极电源的电压输出信号根据预估的推力值F_a与目标推力值F_o的偏差由PID控制器自动控制，通过阳极电压的PID控制实现推力的精调节。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)相比广泛应用的固定推力的电推进系统，本发明具有mN级推力连续调节的能力，推力可大范围调节，实现1～20mN连续可调；

(2)本发明采用双PID闭环控制技术，阳极流率控制采用PID比例贮供技术，推力也采用PID控制，通过本技术方案可实现推力调节精度优于15uN；

(3)本发明基于HEMPT电推进技术，相比考夫曼型离子电推进技术，推力密度提高一个数量级，重量减少近1倍，并且推力调节范围更宽，具有很好的工程实用性。

附图说明

图1本发明的mN级推力连续可调电推进系统组成框图；

图2 mN级推力连续可调电推进系统工作原理图

具体实施方式

本发明的基本思路为：一种基于HEMPT推力器的mN级推力连续可调电推进系统及方法，包括：HEMPT推力器、电推进控制单元、比例流量贮供单元、数字化调节电源单元；电推进控制单元在星上控制指令控制下，电推进控制单元产生两组驱动控制信号，驱动控制信号1送至比例流量贮供单元，驱动控制信号2送至数字化调节电源单元；同时，电推进控制单元采集比例流量贮供单元反馈的遥测信号1和数字化调节电源单元反馈的遥测信号2，并形成遥测包送至外部星上计算机；推力器产生mN级推力连续可调推力，本发明具有系统简单可靠、重量轻、工作电压低、推力调节范围广等优点。通过该系统的设计，可实现推力连续调节，推力调节范围达到1mN～20mN，推力分辨率优于15μN。

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。

如图1和图2所示，本发明提出一种基于HEMPT推力器的mN级推力连续可调电推进系统，包括：HEMPT推力器、电推进控制单元、比例流量贮供单元、数字化调节电源单元；

电推进控制单元，接收星上控制指令，在星上控制指令控制下，电推进控制单元产生两组驱动控制信号，分别为驱动控制信号1和驱动控制信号2，驱动控制信号1送至比例流量贮供单元，驱动控制信号2送至数字化调节电源单元；同时，电推进控制单元采集比例流量贮供单元反馈的遥测信号1和数字化调节电源单元反馈的遥测信号2，并将遥测信号1和遥测信号2形成遥测包送至外部星上计算机；电推进控制单元由外部星上一次电源供电；

数字化调节电源单元，将星上一次电源转换为HEMPT推力器工作所需要的二次功率电源送给HEMPT推力器，接受电推进控制单元发送的驱动控制信号1

比例流量贮供单元，能够存储推进剂，并对推进剂供给进行管理；

驱动控制信号1和驱动控制信号2分别控制比例流量贮供单元和数字化调节电源单元为HEMPT推力器提供点火工作所需的推进剂流率和功率，实现HEMPT推力器的正常点火；

比例流量贮供单元将HEMPT推力器工作时的推进剂流率形成遥测信号1反馈给电推进控制单元；

数字化调节电源单元将HEMPT推力器工作时的功率形成遥测信号2反馈给电推进控制单元；

比例流量贮供单元，能够存储和管理推进剂，比例流量贮供单元包括比例阀；在电推进控制单元送来的驱动控制信号1的驱动控制下为HEMPT推力器正常工作提供额定阳极和阴极流率的推进剂，阴极流率供给保持恒定，而阳极流率供给则采用比例阀控制，能够实现阳极流率供给连续调节，以满足推力大范围粗调的需求，可实现推力1～20mN级大范围调节。

数字化调节电源单元，将星上一次电源转换为HEMPT推力器工作所需要的二次功率电源，包括阴极加热电源、点火电源和阳极电源，为HEMPT推力器工作提供点火脉冲以及电离和加速电场；同时，数字化调节电源单元，在电推进控制单元送来的驱动控制信号2的驱动控制下，实现各二次功率电源的启停和功率调节，阴极加热电源为恒流源、点火电源为脉冲电源，阳极电源为数字化控制电压源，能够实现阳极电压的连续调节，以满足推力精调的需求，可实现推力15μN调节精度。

所述HEMPT推力器包括阴极和会切磁场加速器，阴极用来产生电子，一部分电子进入会切磁场加速器，会切磁场加速器的通道的多级尖端会切磁场将进入会切磁场加速器的电子束缚在HEMPT推力器轴向区域，与比例流量贮供单元送来的推进剂碰撞产生电离，形成的离子在数字化调节电源单元送过来的阳极电源作用下加速喷出产生推力，离子喷出后与一部分阴极电子中和形成中性的等离子体。采用HEMPT推力器，相比考夫曼离子推力器，推力密度提高一个数量级，重量减少近1倍。

HEMPT推力器产生的推力能够连续调节是通过改变推力器的推进剂阳极流率和阳极电压来实现的。本发明的HEMPT推力器阳极电压范围：100V～600V，阳极流率范围：0.3mg/s～2mg/s，其输出推力F为在阳极流率维持不变的情况下，推力与阳极电压V_a成近似线性关系，其比例系数为k₂，在阳极电压V_a维持不变的情况下，推力与阳极流率成近似线性关系，其比例系数为k₁，其中k₁k₂k₃为常数，通过实验标定获得。优选方案为：k₁为10～15；k₂为1.2～1.6；k₃为-3.5～-2；推力能够大范围调节。

工作步骤如下：k＝0.4～0.6

(1)星上计算机给出的星上控制指令，即推力指令，包括所需要的阳极流量目标值和目标推力值，以设定的频率(10Hz)输入到电推进控制单元后，电推进控制单元根据推力指令，得到所需要的阳极流率目标值和推力目标值，并分别作为比例流量控制单元和数字化调节电源单元的输入信号；

(2)比例流量控制单元根据所需要的阳极流量目标值，通过PID控制输送给HEMPT推力器正常工作所需的流率；

(3)数字化调节电源单元根据需要的推力目标值，通过PID控制输出给HEMPT推力器正常工作所需的阳极电压；

(4)HEMPT推力器在阳极流率和阳极电压的作用下形成推力；

(5)实时测量HEMPT推力器的工作阳极流率并反馈给电推进控制单元，电推进控制单元将设定的目标推力值和反馈的HEMPT推力器的工作阳极流率进行比较，比例贮供单元的阳极流率输出信号根据工作阳极流率与目标推力值的偏差由PID控制器自动控制，通过比例贮供单元的PID控制实现推力的大范围粗调节，可实现调节范围1～20mN。

(6)实时测量HEMPT推力器的工作电压V_a、电流I_a并反馈给电推进控制单元，电推进控制单元根据HEMPT推力器的工作电压V_a、电流I_a预估出推力值F_a，然后将设定的目标推力值F_o和该预估的推力值F_a进行比较，阳极电源的电压输出信号根据预估的推力值F_a与目标推力值F_o的偏差由PID控制器自动控制，通过阳极电压的PID控制实现推力的精调节，可实现调节精度15μN。

对本发明的系统进行测试的方法如下：

1)首先进行开环测试，分别固定阳极流率为3sccm，然后调节阳极电压从100V到500V，步长为50V，测得在阳极流率3sccm条件下，推力与阳极电压的关系；接下来逐步增加阳极流率，每次增加1sccm后固定阳极流率，然后调节阳极电压从100V到500V，步长为50V，测得在新的阳极流率条件下，推力与阳极电压的关系。根据测试结果，可以实现推力1～20mN调节，并且得到推力与阳极流率、阳极电压的关系。

2)在得到开环特性后，进行系统PID闭环控制，通过地面设备模拟发送星上控制指令，以10Hz的频率发送推力指令，测得系统推力调节范围，达到1～20mN，调节精度为15μN。

本发明未详细说明的内容属于本领域的公知常识。