本發(fā)明涉及一種基于HEMPT推力器的mN級推力連續(xù)可調(diào)電推進系統(tǒng)及方法，屬于航天器推進技術(shù)領(lǐng)域，主要應(yīng)用于航天器無拖曳控制。

背景技術(shù)：

高精度無拖曳控制技術(shù)目前主要應(yīng)用于引力波探測、重力場高精度測量等科學(xué)任務(wù)，從有效載荷測量精度及控制精度需求來看，屬于當(dāng)前精度要求最高、控制指標(biāo)最復(fù)雜的空間任務(wù)。所謂的無拖曳控制技術(shù)，即采用慣性檢測和微推力控制相結(jié)合，在航天器上施加持續(xù)的推力，以此“抵消”大氣或太陽光壓等非保守力的作用，其目的是要為超高精度測量儀器(比如重力梯度儀)提供一個近乎“純引力”作用下的飛行環(huán)境，滿足有效載荷正常工作對平臺的技術(shù)需求，使其免于因為過大的加速度而進入飽和狀態(tài)。

對于航天器無拖曳控制任務(wù)，為了實時補償軌道周期變化所導(dǎo)致的大氣阻力變化，必須實現(xiàn)mN級推力連續(xù)可調(diào)，同時因為軌道維持所需要的速度增量較大，對推進系統(tǒng)的比沖也提出了極高要求。要滿足上述兩個要求，變推力的電推進系統(tǒng)是最優(yōu)選擇。因此mN級變推力電推進系統(tǒng)是實現(xiàn)無拖曳控制的核心技術(shù)之一，要實現(xiàn)無拖曳控制技術(shù)的在軌應(yīng)用，必須突破mN級推力連續(xù)調(diào)節(jié)電推進系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)。

目前國內(nèi)外航天器廣泛應(yīng)用的電推進系統(tǒng)主要是基于固定推力的電推進系統(tǒng)，其推力基本保持不變或者兩到三個推力工況點，無法滿足無拖曳控制對推力連續(xù)調(diào)節(jié)的需求。目前國外無拖曳控制航天器采用的mN級變推力電推進系統(tǒng)則是基于考夫曼型氙離子推力器，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量大、工作電壓高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問題為：克服現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種基于HEMPT推力器的mN級推力連續(xù)可調(diào)電推進系統(tǒng)及方法，具有系統(tǒng)簡單可靠、重量輕、工作電壓低、推力調(diào)節(jié)范圍廣等優(yōu)點。通過該系統(tǒng)的設(shè)計，可實現(xiàn)推力連續(xù)調(diào)節(jié)，推力調(diào)節(jié)范圍達(dá)到1mN～20mN，推力分辨率優(yōu)于15μN。

本發(fā)明解決的技術(shù)方案為：一種基于HEMPT推力器的mN級推力連續(xù)可調(diào)電推進系統(tǒng)，包括：HEMPT推力器、電推進控制單元、比例流量貯供單元、數(shù)字化調(diào)節(jié)電源單元；

電推進控制單元，接收星上控制指令，在星上控制指令控制下，電推進控制單元產(chǎn)生兩組驅(qū)動控制信號，分別為驅(qū)動控制信號1和驅(qū)動控制信號2，驅(qū)動控制信號1送至比例流量貯供單元，驅(qū)動控制信號2送至數(shù)字化調(diào)節(jié)電源單元；同時，電推進控制單元采集比例流量貯供單元反饋的遙測信號1和數(shù)字化調(diào)節(jié)電源單元反饋的遙測信號2，并將遙測信號1和遙測信號2形成遙測包送至外部星上計算機；電推進控制單元由外部星上一次電源供電；

數(shù)字化調(diào)節(jié)電源單元，能夠?qū)⑿巧弦淮坞娫崔D(zhuǎn)換為HEMPT推力器工作所需要的二次功率電源送給HEMPT推力器；

比例流量貯供單元，能夠存儲推進劑，并對推進劑供給進行管理；

驅(qū)動控制信號1和驅(qū)動控制信號2分別控制比例流量貯供單元和數(shù)字化調(diào)節(jié)電源單元為HEMPT推力器提供點火工作所需的推進劑流率和功率，實現(xiàn)HEMPT推力器的正常點火；

比例流量貯供單元將HEMPT推力器工作時的推進劑流率形成遙測信號1反饋給電推進控制單元；

數(shù)字化調(diào)節(jié)電源單元將HEMPT推力器工作時的功率形成遙測信號2反饋給電推進控制單元；

驅(qū)動控制信號1控制比例流量貯供單元為HEMPT推力器提供所需的推進劑方法如下：

比例流量貯供單元，能夠存儲和管理推進劑，比例流量貯供單元包括比例閥；在電推進控制單元送來的驅(qū)動控制信號1的驅(qū)動控制下為HEMPT推力器正常工作提供額定陽極和陰極流率的推進劑，陰極流率供給保持恒定，而陽極流率供給則采用比例閥控制，能夠?qū)崿F(xiàn)陽極流率供給連續(xù)調(diào)節(jié)，以滿足推力粗調(diào)的需求。

驅(qū)動控制信號2控制數(shù)字化調(diào)節(jié)電源單元為HEMPT提供所需的功率方法如下：

數(shù)字化調(diào)節(jié)電源單元，將星上一次電源轉(zhuǎn)換為HEMPT推力器工作所需要的二次功率電源，包括陰極加熱電源、點火電源和陽極電源，為HEMPT推力器工作提供點火脈沖以及電離和加速電場；同時，數(shù)字化調(diào)節(jié)電源單元，在電推進控制單元送來的驅(qū)動控制信號2的驅(qū)動控制下，實現(xiàn)各二次功率電源的啟停和功率調(diào)節(jié)，陰極加熱電源為恒流源、點火電源為脈沖電源，陽極電源為數(shù)字化控制電壓源，能夠?qū)崿F(xiàn)陽極電壓的連續(xù)調(diào)節(jié)，以滿足推力精調(diào)的需求。

所述HEMPT推力器包括陰極和會切磁場加速器，陰極用來產(chǎn)生電子，一部分電子進入會切磁場加速器，會切磁場加速器的通道的多級尖端會切磁場將進入會切磁場加速器的電子束縛在HEMPT推力器軸向區(qū)域，與比例流量貯供單元送來的推進劑碰撞產(chǎn)生電離，形成的離子在數(shù)字化調(diào)節(jié)電源單元送過來的陽極電源作用下加速噴出產(chǎn)生推力，離子噴出后與一部分陰極電子中和形成中性的等離子體；

HEMPT推力器產(chǎn)生的推力能夠連續(xù)調(diào)節(jié)是通過改變推力器的推進劑陽極流率和陽極電壓來實現(xiàn)的。本發(fā)明的HEMPT推力器陽極電壓范圍：100V～500V，陽極流率范圍：3sccm～20sccm，其輸出推力近似為在陽極流率維持不變的情況下，推力與陽極電壓V_a成近似線性關(guān)系，其比例系數(shù)為k₂，在陽極電壓V_a維持不變的情況下，推力與陽極流率成近似線性關(guān)系，其比例系數(shù)為k₁，其中k₁、k₂、k₃為常數(shù)，通過實驗標(biāo)定獲得。

所述的電推進控制單元，包括：控制參數(shù)分配模塊、陽極流率輸入模塊、陽極流率PID控制器、陽極電壓PID控制器、參數(shù)采集模塊1、參數(shù)采集模塊2、推力預(yù)估模塊、減法器1、減法器2；

星上控制指令送至控制參數(shù)分配模塊，控制參數(shù)分配模塊根據(jù)星上控制指令，即推力指令(推力指令中給出了所需的陽極流量目標(biāo)值和推力目標(biāo)值)，確定所需的陽極流量目標(biāo)值和推力目標(biāo)值，然后將陽極流量目標(biāo)值送至減法器2輸入端，將推力目標(biāo)值送至減法器1輸入端；

參數(shù)采集模塊2接受數(shù)字化調(diào)節(jié)電源單元反饋的HEMPT推力器工作時的陽極流率送至減法器2；

減法器2將與所需的陽極流率目標(biāo)值作差后通過陽極流率比例控制器進行PID控制，得到驅(qū)動控制信號2送至比例流量貯供單元；

參數(shù)采集模塊1接收數(shù)字化調(diào)節(jié)電源單元反饋的HEMPT推力器的工作電壓V_a、電流I_a送至推力預(yù)估單元，推力預(yù)估單元根據(jù)反饋的HEMPT推力器的工作電壓V_a、電流I_a，預(yù)估出推力送至減法器1；減法器1，根據(jù)星上控制指令，即推力指令，將推力指令中的目標(biāo)推力值F_o與推力預(yù)估單元預(yù)估的推力F_a進行作差，并通過陽極電壓PID控制單元進行PID控制，輸出驅(qū)動控制信號1送至數(shù)字化調(diào)節(jié)電源單元。

一種基于HEMPT推力器的mN級推力連續(xù)可調(diào)方法，步驟如下：

(1)星上計算機給出的星上控制指令，即推力指令，包括所需要的陽極流量目標(biāo)值和目標(biāo)推力值，以設(shè)定的頻率輸入到電推進控制單元后，電推進控制單元根據(jù)推力指令，得到所需要的陽極流率目標(biāo)值和推力目標(biāo)值，并分別作為比例流量控制單元和數(shù)字化調(diào)節(jié)電源單元的輸入信號；

(2)比例流量控制單元根據(jù)所需要的陽極流量目標(biāo)值，通過PID控制輸送給HEMPT推力器正常工作所需的流率；

(3)數(shù)字化調(diào)節(jié)電源單元根據(jù)需要的推力目標(biāo)值，通過PID控制輸出給HEMPT推力器正常工作所需的陽極電壓；

(4)HEMPT推力器在陽極流率和陽極電壓的作用下形成推力；

(5)實時測量HEMPT推力器的工作陽極流率并反饋給電推進控制單元，電推進控制單元將設(shè)定的目標(biāo)推力值和反饋的HEMPT推力器的工作陽極流率進行比較，比例貯供單元的陽極流率輸出信號根據(jù)工作陽極流率與目標(biāo)推力值的偏差由PID控制器自動控制，通過比例貯供單元的PID控制實現(xiàn)推力的粗調(diào)節(jié)。

(6)實時測量HEMPT推力器的工作電壓V_a、電流I_a并反饋給電推進控制單元，電推進控制單元根據(jù)HEMPT推力器的工作電壓V_a、電流I_a預(yù)估出推力值F_a，然后將設(shè)定的目標(biāo)推力值F_o和該預(yù)估的推力值F_a進行比較，陽極電源的電壓輸出信號根據(jù)預(yù)估的推力值F_a與目標(biāo)推力值F_o的偏差由PID控制器自動控制，通過陽極電壓的PID控制實現(xiàn)推力的精調(diào)節(jié)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于：

(1)相比廣泛應(yīng)用的固定推力的電推進系統(tǒng)，本發(fā)明具有mN級推力連續(xù)調(diào)節(jié)的能力，推力可大范圍調(diào)節(jié)，實現(xiàn)1～20mN連續(xù)可調(diào)；

(2)本發(fā)明采用雙PID閉環(huán)控制技術(shù)，陽極流率控制采用PID比例貯供技術(shù)，推力也采用PID控制，通過本技術(shù)方案可實現(xiàn)推力調(diào)節(jié)精度優(yōu)于15uN；

(3)本發(fā)明基于HEMPT電推進技術(shù)，相比考夫曼型離子電推進技術(shù)，推力密度提高一個數(shù)量級，重量減少近1倍，并且推力調(diào)節(jié)范圍更寬，具有很好的工程實用性。

附圖說明

圖1本發(fā)明的mN級推力連續(xù)可調(diào)電推進系統(tǒng)組成框圖；

圖2 mN級推力連續(xù)可調(diào)電推進系統(tǒng)工作原理圖

具體實施方式

本發(fā)明的基本思路為：一種基于HEMPT推力器的mN級推力連續(xù)可調(diào)電推進系統(tǒng)及方法，包括：HEMPT推力器、電推進控制單元、比例流量貯供單元、數(shù)字化調(diào)節(jié)電源單元；電推進控制單元在星上控制指令控制下，電推進控制單元產(chǎn)生兩組驅(qū)動控制信號，驅(qū)動控制信號1送至比例流量貯供單元，驅(qū)動控制信號2送至數(shù)字化調(diào)節(jié)電源單元；同時，電推進控制單元采集比例流量貯供單元反饋的遙測信號1和數(shù)字化調(diào)節(jié)電源單元反饋的遙測信號2，并形成遙測包送至外部星上計算機；推力器產(chǎn)生mN級推力連續(xù)可調(diào)推力，本發(fā)明具有系統(tǒng)簡單可靠、重量輕、工作電壓低、推力調(diào)節(jié)范圍廣等優(yōu)點。通過該系統(tǒng)的設(shè)計，可實現(xiàn)推力連續(xù)調(diào)節(jié)，推力調(diào)節(jié)范圍達(dá)到1mN～20mN，推力分辨率優(yōu)于15μN。

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步詳細(xì)描述。

如圖1和圖2所示，本發(fā)明提出一種基于HEMPT推力器的mN級推力連續(xù)可調(diào)電推進系統(tǒng)，包括：HEMPT推力器、電推進控制單元、比例流量貯供單元、數(shù)字化調(diào)節(jié)電源單元；

電推進控制單元，接收星上控制指令，在星上控制指令控制下，電推進控制單元產(chǎn)生兩組驅(qū)動控制信號，分別為驅(qū)動控制信號1和驅(qū)動控制信號2，驅(qū)動控制信號1送至比例流量貯供單元，驅(qū)動控制信號2送至數(shù)字化調(diào)節(jié)電源單元；同時，電推進控制單元采集比例流量貯供單元反饋的遙測信號1和數(shù)字化調(diào)節(jié)電源單元反饋的遙測信號2，并將遙測信號1和遙測信號2形成遙測包送至外部星上計算機；電推進控制單元由外部星上一次電源供電；

數(shù)字化調(diào)節(jié)電源單元，將星上一次電源轉(zhuǎn)換為HEMPT推力器工作所需要的二次功率電源送給HEMPT推力器，接受電推進控制單元發(fā)送的驅(qū)動控制信號1

比例流量貯供單元，能夠存儲推進劑，并對推進劑供給進行管理；

驅(qū)動控制信號1和驅(qū)動控制信號2分別控制比例流量貯供單元和數(shù)字化調(diào)節(jié)電源單元為HEMPT推力器提供點火工作所需的推進劑流率和功率，實現(xiàn)HEMPT推力器的正常點火；

比例流量貯供單元將HEMPT推力器工作時的推進劑流率形成遙測信號1反饋給電推進控制單元；

數(shù)字化調(diào)節(jié)電源單元將HEMPT推力器工作時的功率形成遙測信號2反饋給電推進控制單元；

比例流量貯供單元，能夠存儲和管理推進劑，比例流量貯供單元包括比例閥；在電推進控制單元送來的驅(qū)動控制信號1的驅(qū)動控制下為HEMPT推力器正常工作提供額定陽極和陰極流率的推進劑，陰極流率供給保持恒定，而陽極流率供給則采用比例閥控制，能夠?qū)崿F(xiàn)陽極流率供給連續(xù)調(diào)節(jié)，以滿足推力大范圍粗調(diào)的需求，可實現(xiàn)推力1～20mN級大范圍調(diào)節(jié)。

數(shù)字化調(diào)節(jié)電源單元，將星上一次電源轉(zhuǎn)換為HEMPT推力器工作所需要的二次功率電源，包括陰極加熱電源、點火電源和陽極電源，為HEMPT推力器工作提供點火脈沖以及電離和加速電場；同時，數(shù)字化調(diào)節(jié)電源單元，在電推進控制單元送來的驅(qū)動控制信號2的驅(qū)動控制下，實現(xiàn)各二次功率電源的啟停和功率調(diào)節(jié)，陰極加熱電源為恒流源、點火電源為脈沖電源，陽極電源為數(shù)字化控制電壓源，能夠?qū)崿F(xiàn)陽極電壓的連續(xù)調(diào)節(jié)，以滿足推力精調(diào)的需求，可實現(xiàn)推力15μN調(diào)節(jié)精度。

所述HEMPT推力器包括陰極和會切磁場加速器，陰極用來產(chǎn)生電子，一部分電子進入會切磁場加速器，會切磁場加速器的通道的多級尖端會切磁場將進入會切磁場加速器的電子束縛在HEMPT推力器軸向區(qū)域，與比例流量貯供單元送來的推進劑碰撞產(chǎn)生電離，形成的離子在數(shù)字化調(diào)節(jié)電源單元送過來的陽極電源作用下加速噴出產(chǎn)生推力，離子噴出后與一部分陰極電子中和形成中性的等離子體。采用HEMPT推力器，相比考夫曼離子推力器，推力密度提高一個數(shù)量級，重量減少近1倍。

HEMPT推力器產(chǎn)生的推力能夠連續(xù)調(diào)節(jié)是通過改變推力器的推進劑陽極流率和陽極電壓來實現(xiàn)的。本發(fā)明的HEMPT推力器陽極電壓范圍：100V～600V，陽極流率范圍：0.3mg/s～2mg/s，其輸出推力F為在陽極流率維持不變的情況下，推力與陽極電壓V_a成近似線性關(guān)系，其比例系數(shù)為k₂，在陽極電壓V_a維持不變的情況下，推力與陽極流率成近似線性關(guān)系，其比例系數(shù)為k₁，其中k₁k₂k₃為常數(shù)，通過實驗標(biāo)定獲得。優(yōu)選方案為：k₁為10～15；k₂為1.2～1.6；k₃為-3.5～-2；推力能夠大范圍調(diào)節(jié)。

工作步驟如下：k＝0.4～0.6

(1)星上計算機給出的星上控制指令，即推力指令，包括所需要的陽極流量目標(biāo)值和目標(biāo)推力值，以設(shè)定的頻率(10Hz)輸入到電推進控制單元后，電推進控制單元根據(jù)推力指令，得到所需要的陽極流率目標(biāo)值和推力目標(biāo)值，并分別作為比例流量控制單元和數(shù)字化調(diào)節(jié)電源單元的輸入信號；

(2)比例流量控制單元根據(jù)所需要的陽極流量目標(biāo)值，通過PID控制輸送給HEMPT推力器正常工作所需的流率；

(3)數(shù)字化調(diào)節(jié)電源單元根據(jù)需要的推力目標(biāo)值，通過PID控制輸出給HEMPT推力器正常工作所需的陽極電壓；

(4)HEMPT推力器在陽極流率和陽極電壓的作用下形成推力；

(5)實時測量HEMPT推力器的工作陽極流率并反饋給電推進控制單元，電推進控制單元將設(shè)定的目標(biāo)推力值和反饋的HEMPT推力器的工作陽極流率進行比較，比例貯供單元的陽極流率輸出信號根據(jù)工作陽極流率與目標(biāo)推力值的偏差由PID控制器自動控制，通過比例貯供單元的PID控制實現(xiàn)推力的大范圍粗調(diào)節(jié)，可實現(xiàn)調(diào)節(jié)范圍1～20mN。

(6)實時測量HEMPT推力器的工作電壓V_a、電流I_a并反饋給電推進控制單元，電推進控制單元根據(jù)HEMPT推力器的工作電壓V_a、電流I_a預(yù)估出推力值F_a，然后將設(shè)定的目標(biāo)推力值F_o和該預(yù)估的推力值F_a進行比較，陽極電源的電壓輸出信號根據(jù)預(yù)估的推力值F_a與目標(biāo)推力值F_o的偏差由PID控制器自動控制，通過陽極電壓的PID控制實現(xiàn)推力的精調(diào)節(jié)，可實現(xiàn)調(diào)節(jié)精度15μN。

對本發(fā)明的系統(tǒng)進行測試的方法如下：

1)首先進行開環(huán)測試，分別固定陽極流率為3sccm，然后調(diào)節(jié)陽極電壓從100V到500V，步長為50V，測得在陽極流率3sccm條件下，推力與陽極電壓的關(guān)系；接下來逐步增加陽極流率，每次增加1sccm后固定陽極流率，然后調(diào)節(jié)陽極電壓從100V到500V，步長為50V，測得在新的陽極流率條件下，推力與陽極電壓的關(guān)系。根據(jù)測試結(jié)果，可以實現(xiàn)推力1～20mN調(diào)節(jié)，并且得到推力與陽極流率、陽極電壓的關(guān)系。

2)在得到開環(huán)特性后，進行系統(tǒng)PID閉環(huán)控制，通過地面設(shè)備模擬發(fā)送星上控制指令，以10Hz的頻率發(fā)送推力指令，測得系統(tǒng)推力調(diào)節(jié)范圍，達(dá)到1～20mN，調(diào)節(jié)精度為15μN。

本發(fā)明未詳細(xì)說明的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域的公知常識。