用于离子推进单元的推进气体供给装置的制造方法
【专利说明】用于离子推进单元的推进气体供给装置
【背景技术】
[0001] 本发明涉及进给离子推进器的领域，并且特别地涉及一种用于将推进气体进给到 离子推进器的方法和装置。
[0002] 术语离子推进器用于表示任何反应推进器，特别地用于空间应用，其基于通过静 电场加速带电粒子。这因此包括推进器，其中粒子通过接触而带电，以及所谓等离子体推进 器，其中产生包含带电粒子的等离子体。本发明特别地但不仅仅适用于进给等离子体推进 器，以及特别地所谓"霍尔效应"推进器，该"霍尔效应"推进器具有环形通道，阳极，适用于 形成一种适合于在环形通道的下游端部产生磁场的磁路，以及位于环形通道的下游端部外 侧的阴极，并且其中例如氙的推进气体注入到环形通道中。
[0003] 通常，当这种霍尔效应推力器在操作时，推进气体在阳极附近注入到环形通道的 端部。由阴极发射的并朝在环形通道的端部的阳极被吸引的电子被磁场以螺旋轨迹在两壁 之间捕获，从而形成虚拟的阴极栅格。从该磁性罩朝阳极逃离的电子与被注入到环形通道 端部的推进气体原子相撞，从而形成电离的等离子体。
[0004] 等离子体的正离子被存在于阳极和虚拟阴极栅格之间的电场加速，该虚拟阴极栅 格由被磁场在环形通道的开口端捕获的电子云形成。由于这些正离子的质量远远大于电子 的质量，它们的轨迹几乎不受磁场影响。该等离子体射流的离子最后在从磁场的下游通过 由阴极发射或由电离等离子体产生的电子所中和。
[0005] 离子推进器已经开始用于空间飞船的姿态和轨道控制系统（AOCS)，以及用在地球 同步卫星的AOCS中的适当位置中。离子推进器使得可以获得非常高的特定脉冲（Isp)，对 于霍尔效应等离子推进器处于1500秒的数量级，因此能够获得对运载工具的姿势和/或位 置的准确控制，同时涉及质量和复杂性，该质量和复杂性大大少于在具有诸如反冲式叶轮 的惯性装置的传统系统与用于去饱和反冲式叶轮的化学推进器结合中使用所需要的。
[0006] 优选地，为了进给推进气体到离子推进器，该气体存储在加压槽中。然而，在该领 域遇到的一个缺点是调节从这种加压槽进给离子推进器的推进气体的非常低的流速。假 设在加压槽内的压力随着槽被清空而逐渐地降低，以及假设能够有利于不调节该流速到恒 定水平，而是到多个不同水平或到一个变化的水平，这特别地困难，从而使离子推进器的性 能适用于多种不同情况。变流速限制器或阀的使用将具有增加进给装置的机械复杂性的缺 点，这在空间环境中特别地有问题，由于该环境对具有活动部件的机械装置特别地不友好。
[0007] 发明目的和内容
[0008] 本发明试图弥补这些缺点，特别地通过提出一种经由进给回路为离子推进器进给 来自加压槽的推进气体的方法，所述进给回路包括开/关阀，并且从所述开/关阀的下游连 续地包括高压限制器、缓冲槽以及至少一个低压限制器，其通过控制所述开/关阀可以准 确地调节推进气体的流速。
[0009] 术语"开/关阀"在当前上下文中用于指定一个可被控制以仅占据打开或关闭这 两个位置的阀。因此通常不能控制用于直接调节流速目的的打开的中级水平。然而，开/ 关阀呈现了非常简单的重要优点，即使在诸如在空间应用中遇到的非常恶劣的环境中。
[0010] 至少在一种实施方式中，通过该开/关阀调节推进气体流速的目的是通过所述方 法包括以下步骤的事实来实现：
[0011] ?根据流速设定值计算缓冲槽的压力设定值；
[0012] ?计算在缓冲槽的压力设定值和在所述缓冲槽中测量的压力之间的差；
[0013] ?根据所述差和所述加压槽内侧压力计算所述开/关阀的开启时间的设定值；并 且
[0014] ?根据所述开启时间设定值开启所述开/关闭阀。
[0015] 因此，通过根据从所述开/关阀上游和下游压力变化的方式调制开/关阀的开启 时间，可以间接但准确的方式调节推进气体的流速。
[0016] 特别地，在用于所述进给回路的反相流体流动模型的基础上计算开启时间设定 值。该进给回路的流体流动模型可表示在进给回路中流体限制器和流体容量的布置，包括 回路中导管的容量。该模型提供了一种基础，在该基础上根据阀的开启时间以及上游压力 计算从该开/关阀的下游压力变化的方式。反之，因此可以计算从阀的下游达到压力设定 值需要的开启时间。
[0017] 同时，缓冲槽的压力设定值可以根据在从缓冲槽下游所述至少一个低压限制器的 反相流动模型计算。具体地，由于所述至少一个限制器的流动模型可以根据上游压力计算 流速，反之，可以在该流速设定值的基础上计算所述压力设定值。
[0018] 所述推进气体进给回路可以特别地包括从该低压限制器下游的分叉，所述分叉具 有用于进给所述离子推进器的阳极部分的第一分支和用于进给所述离子推进器的阴极部 分的第二分支，所述第一和第二分支的每一个具有相应的附加限制器。在这种情况下，为了 根据流速设定值计算所述缓冲槽的压力设定值，并且为了方便计算，可以使用简化的流体 流动模型，其中包括低压限制器、由此下游的分叉以及所述两个附加限制器的组件由单个 限制器表示。
[0019] 为了确保该进给方法有效，所述开/关阀的开启的触发可通过一个或多个标准所 限制。例如，第一标准是仅当所述缓冲槽的压力设定值显著大于在缓冲槽中测量的压力，可 以根据开启时间设定值触发所述开/关阀的开启。通过"显著大于"，应该理解的是，压力设 定值大于所测量的压力相当大的余量，如例如5%或10%。该标准可以避免阀由于压力的 小波动而过早触发阀的开启，并且也可以限制阀被开启和关闭的次数，以延长其寿命。仅当 在缓冲槽中被测量的压力降低或为零时，也可与第一标准结合或单独使用的第二标准，其 是根据开启时间设定值可以触发开/关阀的开启。特别地当确定该缓冲槽应被进给并且高 压段应该进给到该体积时，或当确定该开/关阀应被开启而该回路下游阻塞时，这用于避 免过早触发。最后，同样可以与第一和/或第二标准结合或单独使用的第三标准是不能根 据开启时间设定值触发开/关阀的开启，除非该开启时间设定值大于预定的最低阈值。这 用于避免以不符合其响应时间的方式控制该开/关阀，并且这也用于限制阀开启和关闭的 次数，以延长其寿命。
[0020] 对于根据所述差以及在所述加压槽内侧压力计算所述开/关阀的开启时间设定 值的步骤，所述槽内压力可直接地测量。然而，为了限制传感器的数量从而简化进给装置， 可以作为替代方案在初始压力和已经穿过该进给回路的推进气体的总流体的基础上间接 地测量该压力。通过统合已经从所述加压槽通过所述进给回路排出的推进气体的总量，可 以计算在所述加压槽内剩余的推进气体的压力将如何变化。
[0021] 推进气体进给回路也可包括从开/关阀上游的安全阀，以在发生技术故障时隔离 它以及由此下游回路的其余部分。
[0022] 本发明也涉及一种用于进给推进气体到离子推进器的装置，所述装置适用于实施 这种进给方法。为此，在至少一个实施方式中，所述进给装置可包括推进气体的加压槽，以 及进给回路，所述进给回路连接到所述加压槽并包括从所述加压槽下游连续连接的至少一 个开/关阀、高压限制器、缓冲槽以及低压限制器，与用于控制所述开/关阀的控制单元，并 被配置成根据流速设定值计算所述缓冲槽的压力设定值，被配置成计算所述缓冲槽的压力 设定值和在所述缓冲槽中测量的压力之间的差，被配置成根据所述差和所述加压槽内侧压 力计算所述开/关阀的所述开启时间，并根据