适用于地面试验的霍尔推力器工作电路及启动方法与流程

1.本发明涉及空间霍尔电推进领域，具体地，涉及一种适用于地面试验的霍尔推力器工作电路及启动方法。


背景技术：

2.双级阳极层霍尔推力器基于双阳极结构设计实现推力器工质电离与离子加速过程的独立控制，可获得超高比冲的性能输出，是霍尔电推进技术发展的重点方向。双级阳极层霍尔推力器为实现超高比冲的性能，须采用放电电源和加速电源串联工作，加速电源的电压可达到数千甚至上万伏特，放电电源的负极连接加速电源的正极，放电电源的参考电位提升到数千伏特，导致推力器地面试验电路极其复杂；此外，还须考虑霍尔推力器放电电源和加速电源的启动冲击、放电振荡等非线性现象，解决地面电源高压工作的安全性等问题。
3.在授权公告号为cn103596348b的中国专利文献中公开了一种等离子体霍尔效应推力器低频振荡抑制外回路。在授权公告号为cn109751213b的中国专利文献中，公开了一种降低霍尔推力器启动冲击的放电回路。在授权公告号为cn111022276b的中国专利文献中，公开了一种霍尔效应推力器低频振荡抑制外回路。上述电路不适用于双级阳极层霍尔推力器。
4.文献iepc-2007-128的图20给出常规的双级阳极层霍尔推力器的工作电路，电源vd和电源va分别并联电容c1和c2；文献aiaa-2001-3777的图3给出放电电源和加速电源并联的电容为10μf和100μf；所述电路不具备保护模块，高压工况下易导致电源损坏；所述电路也无法满足推力器大范围参数调节、工作参数拉偏试验等宽范围、极端工况的地面试验需求。
5.双级阳极层霍尔推力器可实现独立的一级阳极启动和独立的二级阳极启动，独立的二级阳极启动的点火电压须在500v以上，而独立的一级阳极启动的点火电压更高，高电压冷启动的方式会产生极大的启动冲击，严重影响推力器及地面电源的绝缘性、安全性。


技术实现要素：

6.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种适用于地面试验的霍尔推力器工作电路及启动方法。
7.根据本发明提供的一种适用于地面试验的霍尔推力器工作电路，包括：放电电源u1、加速电源u2、开关s1、开关s2、开关s3、保护模块以及滤波模块；
8.所述放电电源u1与开关s1串联且与保护模块连接，所述加速电源u2与开关s2串联且与保护模块连接，所述保护模块与滤波模块连接，所述滤波模块分别与霍尔推力器的一级阳极接线柱、二级阳极接线柱以及阴极连接，所述开关s3分别连接加速电源u2和推力器外壳；
9.所述放电电源u1的正极通过保护模块和滤波模块连接霍尔推力器的一级阳极接
线柱，所述放电电源u1的负极和加速电源u2的正极通过保护模块以及滤波模块连接霍尔推力器的二级阳极接线柱，所述加速电源u2的负极通过保护模块和滤波模块连接霍尔推力器的阴极；
10.所述开关s1控制放电电源u1的通断，开关s2控制加速电源u2的通断，开关s3控制加速电源u2的负极与推力器外壳的通断；
11.所述保护模块包括防反二极管d1、防反二极管d2、防反二极管d3以及防反二极管d4；
12.所述滤波模块包括可调电感l1、可调电感l2、滤波电容c1、滤波电容c2、泄放电阻r1以及泄放电阻r2；
13.所述放电电源u1的正极连接开关s1的一端，开关s1的另一端分别连接防反二极管d1的正极和防反二极管d2的正极，防反二极管d1的负极连接可调电感l1的一端，可调电感l1的另一端分别连接泄放电阻r1的一端、滤波电容c1的一端以及霍尔推力器的一级阳极接线柱；
14.所述放电电源u1的负极分别连接防反二极管d2的负极、泄放电阻r1的另一端、滤波电容c1的另一端以及霍尔推力器的二级阳极接线柱；
15.所述加速电源u2的正极连接开关s2的一端，开关s2的另一端分别连接防反二极管d3的正极和防反二极管d4的正极，防反二极管d3的负极连接可调电感l2的一端，可调电感l2的另一端分别连接泄放电阻r2的一端、滤波电容c2的一端以及霍尔推力器的二级阳极接线柱；
16.所述加速电源u2的负极分别连接防反二极管d4的负极、泄放电阻r2的另一端、滤波电容c2的另一端以及霍尔推力器的阴极。
17.优选地，所述防反二极管d2的反向耐压大于霍尔推力器最高放电电压v1的1.5倍，所述防反二极管d1的标称电流大于霍尔推力器最大放电电流i1的2.5倍，所述防反二极管d4的反向耐压大于霍尔推力器最高加速电压v2的1.5倍，所述防反二极管d3的标称电流大于霍尔推力器最大加速电流i2的2.5倍。
18.优选地，所述可调电感l1和可调电感l2的电感值为1～30mh，所述可调电感l1的额定电流大于霍尔推力器最大放电电流i1的1.5倍，所述可调电感l2的额定电流大于霍尔推力器最大加速电流i2的1.5倍。
19.优选地，所述滤波电容c1和滤波电容c2的电容值为50～200μf，所述滤波电容c1的击穿电压大于霍尔推力器最高放电电压v1的1.5倍，所述滤波电容c2的击穿电压大于霍尔推力器最高加速电压v2的1.5倍。
20.优选地，所述泄放电阻r1的阻值不小于2/c1*ln(v1/100)，泄放电阻r1的功率不低于c1*v1*v1/2，泄放电阻r2的阻值不小于2/c2*ln(v2/100)，泄放电阻r2的功率不低于c2*v2*v2/2。
21.根据本发明提供的一种适用于地面试验的霍尔推力器启动方法，包括以下步骤：
22.步骤s1：完成霍尔推力器阴极启动，将霍尔推力器中的内励磁线圈和外励磁线圈连接独立的恒流电源并连通，将霍尔推力器的一级阳极通入工质气体；
23.步骤s2：闭合开关s1，放电电源u1输出50～150v电压；
24.步骤s3：闭合开关s2，加速电源u2输出100～300v电压，推力器点火；
25.步骤s4：逐步调整放电电源u1、加速电源u2输出电压至霍尔推力器稳定工作工况，霍尔推力器完成启动。
26.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
27.1、本发明电路可满足5kw～50kw功率的双级阳极层霍尔推力器地面试验需求，适用的推力器工作参数范围宽且调节性强。
28.2、本发明电路可防止推力器启动冲击、反向电压等对地面电源的损伤，可有效保护地面电源，增强工作电路安全性。
29.3、本发明公开的可调电感、滤波电容、泄放电阻等可满足5kw～50kw功率的双级阳极层霍尔推力器地面试验对滤波的需求，滤波频率覆盖1khz～100khz，霍尔推力器振荡幅度可降低20％～50％以上。
30.4、本发明公开的霍尔推力器的启动方法，具有启动电压低、启动冲击小、安全性高等优势，是双级阳极层霍尔推力器最佳的启动方式。
附图说明
31.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
32.图1为本发明公开的适用于地面试验的霍尔推力器工作电路图；
33.图2为本发明公开的双级极层霍尔推力器启动方法流程图。
34.图3为本发明公开的适用于地面试验的霍尔推力器工作电路举例示意图。
35.附图标记说明：
36.阴极1
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外励磁线圈5
37.二级阳极2
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一级阳极接线柱6
38.一级阳极3
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二级阳极接线柱7
39.内励磁线圈4
具体实施方式
40.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
41.实施例1
42.本发明公开了一种适用于地面试验的霍尔推力器工作电路，参照图1，包括：放电电源u1、加速电源u2、开关s1、开关s2、开关s3、保护模块以及滤波模块；
43.所述放电电源u1与开关s1串联且与保护模块连接，所述加速电源u2与开关s2串联且与保护模块连接，所述保护模块与滤波模块连接，所述滤波模块分别与霍尔推力器的一级阳极接线柱6、二级阳极接线柱7以及阴极1连接，开关s3分别连接加速电源u2和推力器外壳。
44.所述放电电源u1的正极通过保护模块和滤波模块连接霍尔推力器的一级阳极接线柱6，所述放电电源u1的负极和加速电源u2的正极通过保护模块以及滤波模块连接霍尔
推力器的二级阳极接线柱7，所述加速电源u2的负极通过保护模块和滤波模块连接霍尔推力器的阴极1。
45.所述开关s1控制放电电源u1的通断，开关s2控制加速电源u2的通断，开关s3控制加速电源u2的负极与推力器外壳的通断。
46.其中，所述保护模块包括防反二极管d1、防反二极管d2、防反二极管d3以及防反二极管d4；所述滤波模块包括可调电感l1、可调电感l2、滤波电容c1、滤波电容c2、泄放电阻r1以及泄放电阻r2。
47.所述放电电源u1的正极连接开关s1的一端，开关s1的另一端分别连接防反二极管d1的正极和防反二极管d2的正极，防反二极管d1的负极连接可调电感l1的一端，可调电感l1的另一端分别连接泄放电阻r1的一端、滤波电容c1的一端以及霍尔推力器的一级阳极接线柱6。所述放电电源u1的负极分别连接防反二极管d2的负极、泄放电阻r1的另一端、滤波电容c1的另一端以及霍尔推力器的二级阳极接线柱7。
48.所述加速电源u2的正极连接开关s2的一端，开关s2的另一端分别连接防反二极管d3的正极和防反二极管d4的正极，防反二极管d3的负极连接可调电感l2的一端，可调电感l2的另一端分别连接泄放电阻r2的一端、滤波电容c2的一端以及霍尔推力器的二级阳极接线柱7。所述加速电源u2的负极分别连接防反二极管d4的负极、泄放电阻r2的另一端、滤波电容c2的另一端以及霍尔推力器的阴极1。
49.防反二极管d2的反向耐压大于霍尔推力器最高放电电压v1的1.5倍，所述防反二极管d1的标称电流大于霍尔推力器最大放电电流i1的2.5倍，所述防反二极管d4的反向耐压大于霍尔推力器最高加速电压v2的1.5倍，所述防反二极管d3的标称电流大于霍尔推力器最大加速电流i2的2.5倍。
50.可调电感l1和可调电感l2的电感值为1～30mh，所述可调电感l1的额定电流大于霍尔推力器最大放电电流i1的1.5倍，所述可调电感l2的额定电流大于霍尔推力器最大加速电流i2的1.5倍。
51.滤波电容c1和滤波电容c2的电容值为50～200μf，所述滤波电容c1的击穿电压大于霍尔推力器最高放电电压v1的1.5倍，所述滤波电容c2的击穿电压大于霍尔推力器最高加速电压v2的1.5倍。
52.基于t＝2s时间的电容放电过程中滤波电容c1、滤波电容c2的电压降到100v的要求，泄放电阻r1的阻值不小于2/c1*ln(v1/100)，泄放电阻r1的功率不低于c1*v1*v1/2，泄放电阻r2的阻值为不小于2/c2*ln(v2/100)，泄放电阻r2的功率不低于c2*v2*v2/2。如推力器放电电压v1小于100v，所述的泄放电阻r1可不选。
53.本发明还公开一种适用于地面试验的霍尔推力器启动方法，包括以下步骤：
54.步骤s1：完成霍尔推力器阴极1启动，将霍尔推力器中的内励磁线圈4和外励磁线圈5连接独立的恒流电源并连通，将霍尔推力器的一级阳极3通入工质气体；
55.步骤s2：闭合开关s1，放电电源u1输出50～150v电压；
56.步骤s3：闭合开关s2，加速电源u2输出100～300v电压，推力器点火；
57.步骤s4：逐步调整放电电源u1、加速电源u2输出电压至霍尔推力器稳定工作工况，霍尔推力器完成启动。
58.本发明提出的一种适用于地面试验的双级阳极层霍尔推力器工作电路，适用5kw
～50kw功率等级双级阳极层霍尔推力器的地面试验需求，可有效防止启动冲击、反向电压等对地面电源的损伤，增强电路的安全性；满足双级阳极层霍尔推力器地面试验对滤波的需求，滤波频率范围宽，滤波效果好；本发明提出的双级阳极层霍尔推力器的启动方式，可实现推力器的低电压、小冲击、高安全性启动。
59.实施例2
60.本实施例公开一种适用于地面试验的霍尔推力器工作电路实施方式，参照图3，包括：放电电源u1、加速电源u2、开关s1、开关s2、保护模块及滤波模块。
61.根据推力器最大放电电流i1和加速电流i2小于30a，推力器放电电压v1为50～300v，加速电压v2为500～2500v，计算分析获得电路详细参数。
62.放电电源u1的最大输出电压300v，最大电流30a，加速电源u2的最大输出电压2500v，最大电流30a；保护模块的二极管d1的标称电流为160a，二极管d2的反向耐压为2500v，二极管d3的标称电流为160a，二极管d4的反向耐压为5000v；滤波模块采用了可调单相变压器t1和变压器t2作为可调电感，可调电感为1～10mh，功率为10kw；滤波电容c1的电容值为100μf，击穿电压为5000v，滤波电容c2的电容值为200μf，击穿电压为5000v；基于t＝2s时间的电容放电过程中滤波电容c1、滤波电容c2的电压降到100v的要求，所述的泄放电阻r1的阻值为25kω，泄放电阻r1的功率为50w，泄放电阻r2的阻值为50kω，泄放电阻r2的功率为500w。
63.根据上述的工作电路的具体实施方案，霍尔推力器启动步骤如下：
64.第一步，完成阴极1启动，内励磁线圈4和外励磁线圈5连接独立的恒流电源并接通，推力器一级阳极3通入工质气体；
65.第二步，开关s1闭合，放电电源u1输出电压100v；
66.第三步，开关s2闭合，加速电源u2输出电压100v，以10v的步长逐步增加，直至推力器点火；
67.第三步，逐步调整放电电源u1、加速电源u2输出电压，推力器放电电压50～300v、加速电压500～2500v均可稳定工作。
68.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。