用于離子推進(jìn)單元的推進(jìn)氣體供給裝置的制造方法
【專利說(shuō)明】用于離子推進(jìn)單元的推進(jìn)氣體供給裝置
【背景技術(shù)】
[0001] 本發(fā)明涉及進(jìn)給離子推進(jìn)器的領(lǐng)域，并且特別地涉及一種用于將推進(jìn)氣體進(jìn)給到 離子推進(jìn)器的方法和裝置。
[0002] 術(shù)語(yǔ)離子推進(jìn)器用于表示任何反應(yīng)推進(jìn)器，特別地用于空間應(yīng)用，其基于通過(guò)靜 電場(chǎng)加速帶電粒子。這因此包括推進(jìn)器，其中粒子通過(guò)接觸而帶電，以及所謂等離子體推進(jìn) 器，其中產(chǎn)生包含帶電粒子的等離子體。本發(fā)明特別地但不僅僅適用于進(jìn)給等離子體推進(jìn) 器，以及特別地所謂"霍爾效應(yīng)"推進(jìn)器，該"霍爾效應(yīng)"推進(jìn)器具有環(huán)形通道，陽(yáng)極，適用于 形成一種適合于在環(huán)形通道的下游端部產(chǎn)生磁場(chǎng)的磁路，以及位于環(huán)形通道的下游端部外 側(cè)的陰極，并且其中例如氙的推進(jìn)氣體注入到環(huán)形通道中。
[0003] 通常，當(dāng)這種霍爾效應(yīng)推力器在操作時(shí)，推進(jìn)氣體在陽(yáng)極附近注入到環(huán)形通道的 端部。由陰極發(fā)射的并朝在環(huán)形通道的端部的陽(yáng)極被吸引的電子被磁場(chǎng)以螺旋軌跡在兩壁 之間捕獲，從而形成虛擬的陰極柵格。從該磁性罩朝陽(yáng)極逃離的電子與被注入到環(huán)形通道 端部的推進(jìn)氣體原子相撞，從而形成電離的等離子體。
[0004] 等離子體的正離子被存在于陽(yáng)極和虛擬陰極柵格之間的電場(chǎng)加速，該虛擬陰極柵 格由被磁場(chǎng)在環(huán)形通道的開(kāi)口端捕獲的電子云形成。由于這些正離子的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電子 的質(zhì)量，它們的軌跡幾乎不受磁場(chǎng)影響。該等離子體射流的離子最后在從磁場(chǎng)的下游通過(guò) 由陰極發(fā)射或由電離等離子體產(chǎn)生的電子所中和。
[0005] 離子推進(jìn)器已經(jīng)開(kāi)始用于空間飛船的姿態(tài)和軌道控制系統(tǒng)（AOCS)，以及用在地球 同步衛(wèi)星的AOCS中的適當(dāng)位置中。離子推進(jìn)器使得可以獲得非常高的特定脈沖（Isp)，對(duì) 于霍爾效應(yīng)等離子推進(jìn)器處于1500秒的數(shù)量級(jí)，因此能夠獲得對(duì)運(yùn)載工具的姿勢(shì)和/或位 置的準(zhǔn)確控制，同時(shí)涉及質(zhì)量和復(fù)雜性，該質(zhì)量和復(fù)雜性大大少于在具有諸如反沖式葉輪 的慣性裝置的傳統(tǒng)系統(tǒng)與用于去飽和反沖式葉輪的化學(xué)推進(jìn)器結(jié)合中使用所需要的。
[0006] 優(yōu)選地，為了進(jìn)給推進(jìn)氣體到離子推進(jìn)器，該氣體存儲(chǔ)在加壓槽中。然而，在該領(lǐng) 域遇到的一個(gè)缺點(diǎn)是調(diào)節(jié)從這種加壓槽進(jìn)給離子推進(jìn)器的推進(jìn)氣體的非常低的流速。假 設(shè)在加壓槽內(nèi)的壓力隨著槽被清空而逐漸地降低，以及假設(shè)能夠有利于不調(diào)節(jié)該流速到恒 定水平，而是到多個(gè)不同水平或到一個(gè)變化的水平，這特別地困難，從而使離子推進(jìn)器的性 能適用于多種不同情況。變流速限制器或閥的使用將具有增加進(jìn)給裝置的機(jī)械復(fù)雜性的缺 點(diǎn)，這在空間環(huán)境中特別地有問(wèn)題，由于該環(huán)境對(duì)具有活動(dòng)部件的機(jī)械裝置特別地不友好。
[0007] 發(fā)明目的和內(nèi)容
[0008] 本發(fā)明試圖彌補(bǔ)這些缺點(diǎn)，特別地通過(guò)提出一種經(jīng)由進(jìn)給回路為離子推進(jìn)器進(jìn)給 來(lái)自加壓槽的推進(jìn)氣體的方法，所述進(jìn)給回路包括開(kāi)/關(guān)閥，并且從所述開(kāi)/關(guān)閥的下游連 續(xù)地包括高壓限制器、緩沖槽以及至少一個(gè)低壓限制器，其通過(guò)控制所述開(kāi)/關(guān)閥可以準(zhǔn) 確地調(diào)節(jié)推進(jìn)氣體的流速。
[0009] 術(shù)語(yǔ)"開(kāi)/關(guān)閥"在當(dāng)前上下文中用于指定一個(gè)可被控制以僅占據(jù)打開(kāi)或關(guān)閉這 兩個(gè)位置的閥。因此通常不能控制用于直接調(diào)節(jié)流速目的的打開(kāi)的中級(jí)水平。然而，開(kāi)/ 關(guān)閥呈現(xiàn)了非常簡(jiǎn)單的重要優(yōu)點(diǎn)，即使在諸如在空間應(yīng)用中遇到的非常惡劣的環(huán)境中。
[0010] 至少在一種實(shí)施方式中，通過(guò)該開(kāi)/關(guān)閥調(diào)節(jié)推進(jìn)氣體流速的目的是通過(guò)所述方 法包括以下步驟的事實(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)：
[0011] ?根據(jù)流速設(shè)定值計(jì)算緩沖槽的壓力設(shè)定值；
[0012] ?計(jì)算在緩沖槽的壓力設(shè)定值和在所述緩沖槽中測(cè)量的壓力之間的差；
[0013] ?根據(jù)所述差和所述加壓槽內(nèi)側(cè)壓力計(jì)算所述開(kāi)/關(guān)閥的開(kāi)啟時(shí)間的設(shè)定值；并 且
[0014] ?根據(jù)所述開(kāi)啟時(shí)間設(shè)定值開(kāi)啟所述開(kāi)/關(guān)閉閥。
[0015] 因此，通過(guò)根據(jù)從所述開(kāi)/關(guān)閥上游和下游壓力變化的方式調(diào)制開(kāi)/關(guān)閥的開(kāi)啟 時(shí)間，可以間接但準(zhǔn)確的方式調(diào)節(jié)推進(jìn)氣體的流速。
[0016] 特別地，在用于所述進(jìn)給回路的反相流體流動(dòng)模型的基礎(chǔ)上計(jì)算開(kāi)啟時(shí)間設(shè)定 值。該進(jìn)給回路的流體流動(dòng)模型可表示在進(jìn)給回路中流體限制器和流體容量的布置，包括 回路中導(dǎo)管的容量。該模型提供了一種基礎(chǔ)，在該基礎(chǔ)上根據(jù)閥的開(kāi)啟時(shí)間以及上游壓力 計(jì)算從該開(kāi)/關(guān)閥的下游壓力變化的方式。反之，因此可以計(jì)算從閥的下游達(dá)到壓力設(shè)定 值需要的開(kāi)啟時(shí)間。
[0017] 同時(shí)，緩沖槽的壓力設(shè)定值可以根據(jù)在從緩沖槽下游所述至少一個(gè)低壓限制器的 反相流動(dòng)模型計(jì)算。具體地，由于所述至少一個(gè)限制器的流動(dòng)模型可以根據(jù)上游壓力計(jì)算 流速，反之，可以在該流速設(shè)定值的基礎(chǔ)上計(jì)算所述壓力設(shè)定值。
[0018] 所述推進(jìn)氣體進(jìn)給回路可以特別地包括從該低壓限制器下游的分叉，所述分叉具 有用于進(jìn)給所述離子推進(jìn)器的陽(yáng)極部分的第一分支和用于進(jìn)給所述離子推進(jìn)器的陰極部 分的第二分支，所述第一和第二分支的每一個(gè)具有相應(yīng)的附加限制器。在這種情況下，為了 根據(jù)流速設(shè)定值計(jì)算所述緩沖槽的壓力設(shè)定值，并且為了方便計(jì)算，可以使用簡(jiǎn)化的流體 流動(dòng)模型，其中包括低壓限制器、由此下游的分叉以及所述兩個(gè)附加限制器的組件由單個(gè) 限制器表示。
[0019] 為了確保該進(jìn)給方法有效，所述開(kāi)/關(guān)閥的開(kāi)啟的觸發(fā)可通過(guò)一個(gè)或多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)所 限制。例如，第一標(biāo)準(zhǔn)是僅當(dāng)所述緩沖槽的壓力設(shè)定值顯著大于在緩沖槽中測(cè)量的壓力，可 以根據(jù)開(kāi)啟時(shí)間設(shè)定值觸發(fā)所述開(kāi)/關(guān)閥的開(kāi)啟。通過(guò)"顯著大于"，應(yīng)該理解的是，壓力設(shè) 定值大于所測(cè)量的壓力相當(dāng)大的余量，如例如5%或10%。該標(biāo)準(zhǔn)可以避免閥由于壓力的 小波動(dòng)而過(guò)早觸發(fā)閥的開(kāi)啟，并且也可以限制閥被開(kāi)啟和關(guān)閉的次數(shù)，以延長(zhǎng)其壽命。僅當(dāng) 在緩沖槽中被測(cè)量的壓力降低或?yàn)榱銜r(shí)，也可與第一標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合或單獨(dú)使用的第二標(biāo)準(zhǔn)，其 是根據(jù)開(kāi)啟時(shí)間設(shè)定值可以觸發(fā)開(kāi)/關(guān)閥的開(kāi)啟。特別地當(dāng)確定該緩沖槽應(yīng)被進(jìn)給并且高 壓段應(yīng)該進(jìn)給到該體積時(shí)，或當(dāng)確定該開(kāi)/關(guān)閥應(yīng)被開(kāi)啟而該回路下游阻塞時(shí)，這用于避 免過(guò)早觸發(fā)。最后，同樣可以與第一和/或第二標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合或單獨(dú)使用的第三標(biāo)準(zhǔn)是不能根 據(jù)開(kāi)啟時(shí)間設(shè)定值觸發(fā)開(kāi)/關(guān)閥的開(kāi)啟，除非該開(kāi)啟時(shí)間設(shè)定值大于預(yù)定的最低閾值。這 用于避免以不符合其響應(yīng)時(shí)間的方式控制該開(kāi)/關(guān)閥，并且這也用于限制閥開(kāi)啟和關(guān)閉的 次數(shù)，以延長(zhǎng)其壽命。
[0020] 對(duì)于根據(jù)所述差以及在所述加壓槽內(nèi)側(cè)壓力計(jì)算所述開(kāi)/關(guān)閥的開(kāi)啟時(shí)間設(shè)定 值的步驟，所述槽內(nèi)壓力可直接地測(cè)量。然而，為了限制傳感器的數(shù)量從而簡(jiǎn)化進(jìn)給裝置， 可以作為替代方案在初始?jí)毫鸵呀?jīng)穿過(guò)該進(jìn)給回路的推進(jìn)氣體的總流體的基礎(chǔ)上間接 地測(cè)量該壓力。通過(guò)統(tǒng)合已經(jīng)從所述加壓槽通過(guò)所述進(jìn)給回路排出的推進(jìn)氣體的總量，可 以計(jì)算在所述加壓槽內(nèi)剩余的推進(jìn)氣體的壓力將如何變化。
[0021] 推進(jìn)氣體進(jìn)給回路也可包括從開(kāi)/關(guān)閥上游的安全閥，以在發(fā)生技術(shù)故障時(shí)隔離 它以及由此下游回路的其余部分。
[0022] 本發(fā)明也涉及一種用于進(jìn)給推進(jìn)氣體到離子推進(jìn)器的裝置，所述裝置適用于實(shí)施 這種進(jìn)給方法。為此，在至少一個(gè)實(shí)施方式中，所述進(jìn)給裝置可包括推進(jìn)氣體的加壓槽，以 及進(jìn)給回路，所述進(jìn)給回路連接到所述加壓槽并包括從所述加壓槽下游連續(xù)連接的至少一 個(gè)開(kāi)/關(guān)閥、高壓限制器、緩沖槽以及低壓限制器，與用于控制所述開(kāi)/關(guān)閥的控制單元，并 被配置成根據(jù)流速設(shè)定值計(jì)算所述緩沖槽的壓力設(shè)定值，被配置成計(jì)算所述緩沖槽的壓力 設(shè)定值和在所述緩沖槽中測(cè)量的壓力之間的差，被配置成根據(jù)所述差和所述加壓槽內(nèi)側(cè)壓 力計(jì)算所述開(kāi)/關(guān)閥的所述開(kāi)啟時(shí)間，并根據(jù)