CN107725295B - 离子推力器宽功率范围多模式工作点优化方法和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种离子推力器宽功率范围多模式工作点优化方法，属于电推进技术领域。本发明利用不同束电压，相同束流下最佳供气参数基本一致经验，将功率模式分解为几种束流模式，再同一束流下分解出不同束电压模式，通过两级分解实现所要求功率范围及其多模式工作点。通过采取本发明所描述的方法，可大幅简化宽功率范围多模式电推进系统复杂性，并且提高电推进系统可靠度。本发明还提供了利用上述工作点优化方法所获得工作模式进行离子推力器控制的方法，能够实现宽功率范围下离子推力器始终工作在最佳高效工作状态。

Description

离子推力器宽功率范围多模式工作点优化方法和控制方法

技术领域

本发明涉及推进技术领域，尤其涉及一种离子推力器宽功率范围多模式工作点优化方法和利用该工作点优化结果进行离子推力器控制的方法。

背景技术

在深空探测任务中电推进系统作为主推进，由于其高比冲、长寿命等特点，可以大大节省推进剂携带量，增加航天器有效载荷比例，具有很强的优势；甚至有些任务只有选择电推进系统才能完成。

深空探测任务需要高效率、高比冲的电推进系统，这就需要离子推力器工作在最佳工作点，以满足长距离的空间飞行，缩短探测周期。随着航天器离开太阳距离的增加，太阳能效率快速降低，要求推力器具备宽功率范围内高效工作能力，即需要在功率范围内划分多个工作点，每个工作点对应一个模式，每个工作点具有对应的控制参数，根据所需功率采用对应的控制参数进行离子推力器的控制，使其在各种模式下均工作在最佳工作点。

目前，已经出现了多模式的离子推力器，例如通信卫星平台采用的离子推力器为双模式，但是宽功率范围希望划分更多的模式，一般深空探测任务主推进离子推力器要求工作模式10个以上。但是，如果将宽功率范围划分为更多的工作点，则需要对每个工作点设计其电参数和气参数。其中，气参数一般不能实现宽范围的连续可调，电参数的调节则比较容易。如果希望气参数连续可调，则电推进系统的贮供单元则设计的比较复杂。其中，气参数为流率，包括阴极流率、阳极流率和中和器流率；电参数主要指束电压工作点。

可见，如果多工作点设计方法不当，将使离子电推进系统变得非常复杂，甚至无法实现。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种离子推力器宽功率范围多模式工作点优化方法，在气参数不容易实现宽范围连续可调的限制下，实现多工作点设计，简化贮供单元的复杂度，提高电推进系统可靠度。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

一种离子推力器宽功率范围多模式工作点优化方法，其特征在于，该方法将多工作点进行二级分解，包括：

步骤一、首先在离子推力器所能正常引出的束流范围，以及在电推进系统贮供单元最易调节的流率点限制下，确定多个束流点；

步骤二、确定每个束流点下的不同束电压点；束电压点和对应的束流点组成一个模式的工作点。

优选地，所述步骤一具体为：

步骤11、在离子推力器所能正常引出的束流范围内，根据电推进系统所能提供的最大功率和所要求的推力、比冲确定离子推力器的最大束流和最大束电压；根据电推进系统最小功率和所要求的推力、比冲确定离子推力器的最小束流和最小束电压；

步骤12、在最小束流和最大束流范围内，依据电推进系统贮供单元最易调节的流率点，将束流范围分解为多个束流点。

优选地，所述步骤二具体为：

步骤21、在不同束流点下通过阴极流率优化试验和放电损耗优化试验，确定每个束流点下的最佳流率；

步骤22、针对每个束流点，在对应的最佳流率下，通过调节屏栅电压，确定该束流点下出现过聚焦和欠聚焦的束电压，得到可允许的束电压范围；在可允许的束电压范围内，根据电推进系统所要求工作模式数，确定该束流点下的不同束电压点。

优选地，所述最佳流率包括最佳阴极流率、最佳阳极流率和最佳中和器流率；确定一个束流点下的最佳流率的方式为：

对于当前束流，在设计最高束电压下，放电室工质利用率取90％，在放电电压小于30V条件下，通过比较不同阴极流率下放电损耗确定该束流下最佳阴极流率；

在最高束电压和实验确定的所述最佳阴极流率下，保持束流不变，通过调节放电室总流率，得到放电室工质利用率与放电损耗曲线，通过曲线拐点处的放电室工质利用率确定该束流下放电室最佳总流率；放电室最佳总流率减去所述最佳阴极流率，得到最佳阳极流率；

测量中和器工作模式由点状模式进入羽状模式的中和器流率，将中和器工作模式转变点中和器流率的1.2倍流率确定为当前束流下的最佳中和器流率。

本发明还提供了一种利用上述工作点优化方法所获得工作模式进行离子推力器控制的方法，该方法包括：

步骤1、采用如权利要求1～4任意一项所述的工作点优化方法获得每个模式的工作点；

步骤2、计算每个工作点的功率；

步骤3、根据电推进系统所需提供的功率，确定离子推力器的工作点，使得离子推力器在该功率下处于最佳高效工作状态。

有益效果：

本发明利用不同束电压，相同束流下最佳供气参数基本一致经验，将功率模式分解为几种束流模式，再同一束流下分解为不同束电压模式，通过两级分解实现所要求功率范围及其功率工作点。通过采取本发明方案可大幅简化宽功率范围多模式电推进系统复杂性，并且提高电推进系统可靠度。

附图说明

图1为本发明工作模式的示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种离子推力器宽功率范围多模式工作点优化方法，其基本思想是：利用不同束电压、相同束电流下最佳供气参数基本一致的经验，将功率模式分解为几种束流模式，再同一束流下分解为不同束电压模式，通过两级分解实现所要求功率范围及其功率工作点。其中，不同束流对应的最佳供气参数不同，因此作为一级模式，可以划分的比较粗，从而适应不易调整的限制；而束电压为电参数，容易实现宽范围连续调节，因此作为二级模式，通过一级模式和二级模式的组合可以实现宽功率范围的工作点优化。采取本发明方案，可大幅简化宽功率范围多模式电推进系统的复杂性，并且提高电推进系统可靠度。

本发明的具体实现步骤为：

步骤1、在离子推力器所能正常引出的束流范围内，根据电推进系统所能提供的最大功率和所要求的推力、比冲确定离子推力器的最大束流和最大束电压；根据电推进系统最小功率和所要求的推力、比冲确定离子推力器的最小束流和最小束电压。

步骤2、在最小束流和最大束流范围内，依据电推进系统贮供单元最易调节的流率点，将束流范围分解为多个束流点。

步骤3、在不同束流点下通过阴极流率优化试验和放电损耗优化试验，确定每个束流点下的最佳流率。该最佳流率包括最佳阴极流率、最佳阳极流率和最佳中和器流率，这是气参数。

本步骤中，确定一个束流点下的最佳流率的方式为：

对于当前束流，在设计最高束电压下，放电室工质利用率取90％，在放电电压小于30V条件下，通过比较不同阴极流率下放电损耗确定该束流下最佳阴极流率；

在最高束电压和实验确定的所述最佳阴极流率下，保持束流不变，通过调节放电室总流率，得到放电室工质利用率与放电损耗曲线，通过曲线“拐点”处的放电室工质利用率确定该束流下放电室最佳总流率(阴极流率和阳极流率之和)。放电室最佳总流率减去最佳阴极流率，得到最佳阳极流率；

测量中和器工作模式由点状模式进入羽状模式的中和器流率，将模式转变点中和器流率的1.2倍流率确定为当前束流下的最佳中和器流率。

步骤4、针对每个束流点，在对应的最佳流率下，根据屏栅电压宽范围调节实验，确定该束流点下出现过聚焦和欠聚焦束电压，得到导流非限制束电压范围；在导流非限制束电压范围内，根据电推进系统所要求工作模式数，确定该束流点下的不同束电压点，即电参数。

至此，完成了二级工作点的优化。优化结果参见图1。

基于上述优化结果，还需要计算每个工作点的功率，在使用时，根据电推进系统所需提供的功率，确定离子推力器的工作点，使得离子推力器在该功率点下处于最佳高效工作状态。

下面举一个具体的例子，来说明本发明离子推力器宽功率范围多模式工作点优化方法的实现。

1.首先根据10kW功率下推力330mN、比冲4300s，确定最大束流为5A，最大束电压为1800V；再根据1kW功率下推力42mN、比冲2100s，确定最小束流为1.2A，最小束电压为500V。

2.在1.2A～5A束流范围内，依据系统任务工作点，将束流工作点分为1.2A、2A、2.7A、3.45A、4A、4.5A和5A，共7个束流工作点。

3.在每个束流下，通过阴极流率优化试验和放电损耗试验，确定每个束流下最佳流率参数。例如4A束流下最佳阴极流率为0.326mg/s，阳极流率为5.712mg/s，中和器流率为0.204mg/s。表1为离子推力器1～10kW宽功率范围不同束流下最佳流率参数。

序号	束流/A	阴极流率/(mg/s)	阳极流率/(mg/s)	中和器流率/(mg/s)
					1.	1.2	0.490	1.279	0.204
2.	2	0.490	2.462	0.204
					3.	2.7	0.340	3.930	0.204
4.	3.45	0.340	4.855	0.204
					5.	4	0.326	5.712	0.204
6.	4.5	0.286	6.514	0.245
					7.	5	0.286	7.270	0.245

表1

4.对于某一束流，在实验确定的流率下，通过调节屏栅电压确定该束流下出现过聚焦和欠聚焦的束电压，继而得到该束流下所允许的最大束电压和最小束电压，如1.2A下所允许的最大束电压为1400V，最小束电压为500V。以最少的束电压数实现所需的工作模式为原则，在离子束正常聚焦电压范围内以及功率所允许束电压范围内，确定该束流下不同的束电压点。如在4A束流下，确定1800V、1600V、1200V三种束电压模式。表2为两级工作点的确定结果。

表2

表2中，P_in为功率，I_B为束流，V_b为束电压，Thrust为推力，Isp为比冲，Total Eff表示推力器效率。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种离子推力器宽功率范围多模式工作点优化方法，其特征在于，该方法将多工作点进行二级分解，包括：

步骤一、首先在离子推力器所能正常引出的束流范围，以及在电推进系统贮供单元最易调节的流率点限制下，确定多个束流点；

步骤二、确定每个束流点下的不同束电压点；束电压点和对应的束流点组成一个模式的工作点。

2.如权利要求1所述的优化方法，其特征在于，所述步骤一具体为：

步骤11、在离子推力器所能正常引出的束流范围内，根据电推进系统所能提供的最大功率和所要求的推力、比冲确定离子推力器的最大束流和最大束电压；根据电推进系统最小功率和所要求的推力、比冲确定离子推力器的最小束流和最小束电压；

步骤12、在最小束流和最大束流范围内，依据电推进系统贮供单元最易调节的流率点，将束流范围分解为多个束流点。

3.如权利要求1所述的优化方法，其特征在于，所述步骤二具体为：

步骤21、在不同束流点下通过阴极流率优化实验和放电损耗优化实验，确定每个束流点下的最佳流率；

步骤22、针对每个束流点，在对应的最佳流率下，通过调节屏栅电压，确定该束流点下出现过聚焦和欠聚焦的束电压，得到可允许的束电压范围；在可允许的束电压范围内，根据电推进系统所要求工作模式数，确定该束流点下的不同束电压点。

4.如权利要求3所述的优化方法，其特征在于，所述最佳流率包括最佳阴极流率、最佳阳极流率和最佳中和器流率；确定一个束流点下的最佳流率的方式为：

对于当前束流，在设计最高束电压下，放电室工质利用率取90％，在放电电压小于30V条件下，通过比较不同阴极流率下放电损耗确定该束流下最佳阴极流率；

在最高束电压和实验确定的所述最佳阴极流率下，保持束流不变，通过调节放电室总流率，得到放电室工质利用率与放电损耗曲线，通过曲线拐点处的放电室工质利用率确定该束流下放电室最佳总流率；放电室最佳总流率减去所述最佳阴极流率，得到最佳阳极流率；

测量中和器工作模式由点状模式进入羽状模式的中和器流率，将中和器工作模式转变点中和器流率的1.2倍流率确定为当前束流下的最佳中和器流率。

5.一种离子推力器控制的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤1、采用如权利要求1～4任意一项所述的工作点优化方法获得每个模式的工作点；

步骤2、计算每个工作点的功率；

步骤3、根据电推进系统所需提供的功率，确定离子推力器的工作点，使得离子推力器在该功率下处于最佳高效工作状态。