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技术方案

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，本发明专利技术具有系统简单可靠、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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于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
，主要应用于航天器无拖曳控制。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题为：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。本专利技术解决的技术方案为：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。本专利技术的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Va成近似线性关系，其比例系数为k2，在阳极电压Va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Va、电流Ia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Va、电流Ia，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Fo与推力预估单元预估的推力Fa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。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于HEMPT推力器的mN级推力连续可调电推进系统，其特征在于包括：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。...

【技术特征摘要】
1.一种基于HEMPT推力器的mN级推力连续可调电推进系统，其特征在于包括：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。2.根据权利要求1所述的一种基于HEMPT推力器的mN级推力连续可调电推进系统，其特征在于：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。3.根据权利要求1所述的一种基于HEMPT推力器的mN级推力连续可调电推进系统，其特征在于：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。4.根据权利要求1所述的一种基于HEMPT推力器的mN级推力连续可调电推进系统，其特征在于：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。5.根据权利要求1所述的一种基于HEMPT推力器的mN级推力连续可调电推进系统，其特征在于：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...

【专利技术属性】
技术研发人员：高俊，李永，汤章阳，刘国西，陈涛，毛威，扈延林，汪旭东，邹达人，李宗良，周成，于洋，王戈，
申请(专利权)人：北京控制工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11